外文翻譯(中文)偏高嶺土地質(zhì)聚合物的制備和力學(xué)性能研究

偏高嶺土地質(zhì)聚合物的制備和力學(xué)性能研究HonglingWanga,b,?,HaihongLia,FengyuanYanaaStateKeyLaboratoryofSolidLubrication,LanzhouInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,ChinabGraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100864,摘要：偏高嶺土基地質(zhì)聚合物是通過(guò)對(duì)偏高嶺土在20℃左右時(shí)使用氫氧化鈉溶液〔4-12mol/L〕和水玻璃溶液激發(fā)制備得到的。在制備過(guò)程中在模具中對(duì)反響產(chǎn)物施以4MPa壓力并放在65℃恒溫箱中處理10小時(shí)后對(duì)材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量。通過(guò)x射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡〔SEM〕和紅外光譜(IR)研究了氫氧化鈉溶液濃度對(duì)偏高嶺土地質(zhì)聚合物的機(jī)械和化學(xué)性能的影響。結(jié)果說(shuō)明：隨著氫氧化鈉溶液的濃度在4-12mol/L范圍內(nèi)增加，地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和表觀密度也相應(yīng)提高。試樣在空氣中的貯存時(shí)間對(duì)抗折強(qiáng)度影響很小然，而對(duì)抗壓強(qiáng)度和表觀密度幾乎沒(méi)有影響。X射線衍射和紅外光譜的分析說(shuō)明地質(zhì)聚合物材料是由非晶相和半晶相組成，這些非晶相和半晶相主要包括來(lái)源于偏高嶺土煅燒過(guò)程中空氣中的水和少量惰性成份。地質(zhì)聚合物中非晶相的含量隨著氫氧化鈉濃度提高而增加。掃描電子顯微鏡的結(jié)果說(shuō)明制備的地質(zhì)聚合物維持了偏高嶺土微粒的層狀結(jié)構(gòu)，所以認(rèn)為地質(zhì)聚合物反響主要發(fā)生在偏高嶺土顆粒的微晶外表上。但是這種推測(cè)需要更深層次的研究論證。這種材料的強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示這種基于偏高嶺土的膠體反響會(huì)使得建筑材料具備良好的性能。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物；偏高嶺土；聚合反響；抗折強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度1、引言Davidovits首先在1978年報(bào)道了地質(zhì)聚合物[1]。作為一種具有局部陶瓷性能的無(wú)機(jī)材料，地質(zhì)聚合物以其經(jīng)濟(jì)友好及耐火的特點(diǎn)引起了人們的注意[2]。地質(zhì)聚合物反響可重新利用一些具有變形性能的廢品，如粉煤灰[3]。對(duì)地質(zhì)聚合物反響機(jī)理的研究，有助于對(duì)具有火山灰效應(yīng)的材料，如粉煤灰，進(jìn)行高效利用。地質(zhì)聚合物可用來(lái)固化有毒金屬[4,5]。由于其獨(dú)特的籠狀結(jié)構(gòu)，地質(zhì)聚合物甚至被認(rèn)為可以用來(lái)凝固放射性元素。通常情況下，通過(guò)由水化碳酸鹽和水化硅酸鹽組成的催化劑激發(fā)鋁硅酸鹽，地質(zhì)聚合物可以在室溫或者稍高于室溫下合成。它是低水分含量系統(tǒng)中的膠體反響。鋁硅酸鹽主要是以固體粉末的形式參加反響，而激發(fā)劑那么很容易由NaOH或者KOH溶液和水玻璃或者鉀水玻璃制備得到。根據(jù)Davidovits所說(shuō)的，地質(zhì)聚合物是由Si-O-Al所聚合成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成。[SiO4]四面體和[AlO4]四面體通過(guò)一個(gè)共用氧交替連接，地質(zhì)聚合物的反響如下[1]：〔1〕〔2〕在分子式〔1〕中可見(jiàn)，有別于(2SiO2,Al2O3)的鋁硅酸鹽氧化物，〔Si2O5，Al2O2〕是一種以AL為中心的四配位物質(zhì)。硅酸鈣溶液中二氧化硅以單體或者聚合物形式存在。分子式〔2)式表示地質(zhì)聚合物的最終骨架和基質(zhì)中的電價(jià)平衡。由反響進(jìn)程可見(jiàn)，鋁硅酸鹽和催化劑兩大因素直接影響最終產(chǎn)物。固態(tài)鋁硅酸鹽的性能將直接影響溶解過(guò)程和隨后的反響，而液體激發(fā)劑將局部或完全溶解固體原材料和決定鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)的破壞與重組，及聚合度。同時(shí)改變了反響系統(tǒng)中電價(jià)平衡。高嶺土作為原材料被廣泛的用于制備地質(zhì)聚合物[5,7–12]。通過(guò)對(duì)高嶺土進(jìn)行一系列如煅燒、減少鐵和漂白處理后可制備得偏高嶺土。偏高嶺土作為一種比高嶺土具有更高反響活性的的人工火山灰質(zhì)材料，已被廣泛用于工業(yè)。Barbose從偏高嶺土中合成了K-PS和K-PSDS，并且發(fā)現(xiàn)這種地質(zhì)聚合物具有良好的耐熱性，K-PS甚至在加熱到1400℃都無(wú)明顯的液相生成[2]。然而目前尚未看見(jiàn)關(guān)于催化劑對(duì)地質(zhì)聚合物材料的力學(xué)和化學(xué)性能的影響的報(bào)導(dǎo)。本文中偏高嶺土被用來(lái)作為合成地質(zhì)聚合物的原材料，同時(shí)對(duì)液體催化劑對(duì)力學(xué)強(qiáng)度和化學(xué)性能的影響也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文的研究結(jié)果將有助于解釋地質(zhì)聚合物，這一比傳統(tǒng)水泥具有更高的力學(xué)強(qiáng)度的材料的利用。2、試驗(yàn)：2.1原材料分析級(jí)偏高嶺土，NaOH溶液，工業(yè)水玻璃，蒸餾水。偏高嶺土的化學(xué)成份由JSM-5600LV掃描電鏡〔SEM〕和KEVEX能譜儀(EDS)測(cè)得。測(cè)試結(jié)果如表1所示：表1SEM和EDS測(cè)偏高嶺土聚合物元素SiAlOKCaTi含量〔%〕42.3929.8626.170.670.330.592.2試驗(yàn)方法在一系列集中研究地質(zhì)聚合物在模具中壓縮并拆模的試驗(yàn)中，得出地工合成物反響里固體材料與液體激發(fā)劑的最正確質(zhì)量比是3：1。其中的液體激發(fā)劑是由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液以4.15：1的質(zhì)量比制成的。為了了解這種催化劑對(duì)地質(zhì)聚合物材料性能的影響，我們用一系列4、6、8、10、12mol/L的氫氧化鈉溶液和模數(shù)n=3.2的水玻璃溶液進(jìn)行了測(cè)試。本文中4、6、8、10、12mol/L的氫氧化鈉溶液和模數(shù)n=3.2的水玻璃溶液被采用來(lái)進(jìn)行測(cè)試。將按照上述比例制成的催化劑參加偏高嶺土粉末中，并攪拌5分鐘。然后將混合物倒入長(zhǎng)方體或圓柱體的模具中，在4MPa的壓力和室溫下擠壓大約3分鐘，并分別制成6mm×7mm×30mm和φ13mm×26mm的樣品。之所以將壓力定位4MPa，是因?yàn)樵?MPa壓力下，由于攪拌的停止和試樣早期強(qiáng)度值很高，會(huì)有大局部空氣氣泡進(jìn)入合成產(chǎn)物。模具試樣通過(guò)放在室溫下60分鐘然后放在65℃的烘箱中10小時(shí)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)度的開(kāi)展。加工的試樣的在65℃以下時(shí)會(huì)防止裂紋產(chǎn)生。試樣在65℃以下養(yǎng)護(hù)，可以有效的防止裂紋的產(chǎn)生。最后測(cè)量試樣的強(qiáng)度。2.3儀器試樣的7天、14天、21天、28天和35天的彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度由目前通用的測(cè)量?jī)xDY35〔法國(guó)制造〕，分別以3N/s，30N/s的速度〔參考：滑動(dòng)速率分別為0.05毫米/分鐘,0.1毫米/分鐘〕加壓測(cè)得，試樣的密度由試樣的質(zhì)量和體積求得。用X射線衍射儀D/max-RB和JSM-5600LV掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的彎曲強(qiáng)度測(cè)量后，再用XRD和SEM對(duì)試樣橫截面處進(jìn)行單獨(dú)分析。試樣的化學(xué)成分用紅外光譜進(jìn)行分析。3、結(jié)果與討論3.1XRD衍射圖像分析圖1顯示的是在空氣中放置7天的偏高嶺土和反響產(chǎn)物的X射線衍射把戲。實(shí)驗(yàn)中的堿激發(fā)劑由水玻璃溶液和不同濃度的氫氧化鈉溶液制成圖1：偏高嶺土和反響產(chǎn)物的XRD圖XRD衍射圖像說(shuō)明偏高嶺土有些成分如石英和莫來(lái)石等始終未參與反響。在18°到25°的角度范圍內(nèi)，偏高嶺土的XRD圖像顯示偏高嶺土中混合了半晶相和非晶相，在這個(gè)波段范圍內(nèi)強(qiáng)度相對(duì)較小的反響產(chǎn)物的XRD圖像那么說(shuō)明地質(zhì)聚合物材料完全由非晶相組成。另外，從XRD圖像中，我們可以得出這樣的結(jié)論：氫氧化鈉溶液濃度越高，反響產(chǎn)物中非晶相含量越高。與沸石的合成過(guò)程相似[10]，地質(zhì)聚合物的聚合包括固體反響物的溶解，然后溶解物傳遞到膠體外表繼而成核繼生成新的成凝膠，凝膠再聚合老化的過(guò)程。關(guān)于現(xiàn)階段的固液反響研究工作，考慮到地質(zhì)聚合物聚合過(guò)程中液體激發(fā)劑對(duì)地質(zhì)低聚物的激發(fā)是主要固體-液體反響。本文中，液體激發(fā)劑〔由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液組成〕在地質(zhì)聚合物聚合過(guò)程中所起的不同作用得到重點(diǎn)關(guān)注。主要是弄清試劑中的液體激發(fā)劑〔由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液組成〕在地質(zhì)聚合物聚合過(guò)程中起的不同作用。具體來(lái)說(shuō)是對(duì)固體原材料質(zhì)點(diǎn)局部或完全被堿溶液溶解，產(chǎn)生大量富含Si和Al，如鋁硅酸鹽四面體結(jié)構(gòu)單元等可溶性反響物；這些可溶性硅酸鹽通過(guò)提供自發(fā)聚合物質(zhì)〔如單體、二聚物和較大的低聚物〕和硅酸鹽單體之間聚合或者AlO4—和硅酸鹽單體之間聚合來(lái)催化聚合這一過(guò)程進(jìn)行研究。這種反響過(guò)程的產(chǎn)物根本上都是非晶相。3.2紅外光譜衍射圖像分析圖2表示的是原材料偏高嶺土和對(duì)應(yīng)的地質(zhì)聚合物的紅外光譜圖像。在IR測(cè)試中用到的地質(zhì)聚合物試樣是由水玻璃溶液和8mol/L的氫氧化鈉溶液合成的。地質(zhì)聚合物在波長(zhǎng)大約3420cm-1還有1680cm-1時(shí)的IR光譜上的寬頻地質(zhì)聚合物在IR圖譜上，3420cm-1及1680cm-1附近的把戲說(shuō)明模具中地質(zhì)聚合物試樣里存在大氣吸附水[6]。偏高嶺土的IR光譜中顯著吸收的頻率大約1098、826、469cm-1分別表示Si-O彈性震動(dòng)、Si-O-Al震動(dòng)和彎曲震動(dòng)。450—1200cm-1范圍內(nèi)偏高嶺土和地質(zhì)聚合物的IR光譜只有一點(diǎn)點(diǎn)不同。這說(shuō)明原材料分子鏈的絕大多數(shù)震動(dòng)形式依然會(huì)出現(xiàn)在地質(zhì)聚合物聚合反響產(chǎn)品產(chǎn)物中。圖2：偏高嶺土以及對(duì)應(yīng)的地質(zhì)聚合物的紅外光譜3.3掃描電子顯微鏡觀察圖3是在8mol/L氫氧化鈉溶液下合成的反響產(chǎn)物橫截面的SEM圖像。偏高嶺土基地質(zhì)聚合物呈松散的微結(jié)構(gòu)狀，尤其是考慮到這些圖像是取自于抗彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中試樣的橫截面。另外，地質(zhì)聚合物跟偏高嶺土具有與薄片一樣的層狀結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣桃悍错懴到y(tǒng)可以被看作含水量相對(duì)較低的凝膠系統(tǒng)，基于此，可以作出以下猜測(cè)：地質(zhì)物聚合反響和成型過(guò)程中固體原材料保持其形狀幾乎不變。圖3中的SEM圖像也為地質(zhì)聚合反響主要發(fā)生在固體顆粒微晶外表上這一假設(shè)提供了更有力的證據(jù)[7]。圖3：偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的掃描電子顯微鏡圖像3.4力學(xué)性能圖4所示為合成的地質(zhì)聚合物的抗彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度數(shù)據(jù)。A、C、E圖中的樣品是由水玻璃溶液和4–12mol/L的氫氧化鈉溶液組成的激發(fā)劑激發(fā)合成并在空氣中放置7天，B、D、F圖中的樣品那么是由水玻璃溶液和8mol/L的氫氧化鈉溶液組成的激發(fā)劑激發(fā)合成。圖4所示為地質(zhì)聚合物的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度隨氫氧化鈉溶液濃度的變化規(guī)律。地質(zhì)聚合物框架的形成很大程度上取決于偏高嶺土的溶解程度，而偏高嶺土的溶解程度又直接受氫氧化鈉溶液濃度的影響。越高濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)偏高嶺土顆粒有越好的溶解能力，也會(huì)為單體提供更多的活性結(jié)合也會(huì)為單體的聚合提供更多的活性殘鍵。單體的活性結(jié)合點(diǎn)越多，地質(zhì)聚合物分子間的粘結(jié)力也越強(qiáng)。試樣在空氣中放置20天后抗折強(qiáng)度略有增加〔見(jiàn)圖B〕。這可能由于大氣中的水分對(duì)緩慢而長(zhǎng)期的聚合反響的影響造成的。試樣的抗壓強(qiáng)度幾乎不受儲(chǔ)存時(shí)間的影響〔見(jiàn)E、F圖〕。綜上，地質(zhì)聚合物的聚合反響過(guò)程可具體地表示如下：首先，偏高嶺土顆粒的表層被氫氧化鈉溶液溶解，可溶性鋁硅酸鹽單元在來(lái)自于水玻璃溶液中可自發(fā)聚合物質(zhì)(包含Si-O-Si鏈的單體、二聚體和較大的低聚物)的存在下而立即被聚合；然后，被溶解了的偏高嶺土顆粒被聚合產(chǎn)物網(wǎng)絡(luò)所連接。因?yàn)楦邼舛鹊臍溲趸c溶液對(duì)偏高嶺土顆粒具有更好的溶解能力并且形成了一個(gè)由溶解了的偏高嶺土顆粒加強(qiáng)了連接的聚合網(wǎng)絡(luò)，所以用更高濃度氫氧化鈉溶液來(lái)制成更緊湊和力學(xué)強(qiáng)度更高的地質(zhì)聚合物試樣這種方法是可行的。圖4：偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的抗彎曲強(qiáng)度〔A和B〕、抗壓強(qiáng)度〔C和D〕、表觀密度〔E和F〕4、結(jié)論由氫氧化鈉溶液和水玻璃溶液激發(fā)偏高嶺土合成的偏高嶺土基地質(zhì)聚合物材料主要是非晶相，它包含大氣中的吸附水。它的層結(jié)構(gòu)和偏高嶺土顆粒的薄片狀結(jié)構(gòu)相似，這也說(shuō)明主要相，尤其是偏高嶺土顆粒的薄片結(jié)構(gòu)仍然會(huì)在地質(zhì)聚合物聚合反響、養(yǎng)護(hù)和成型過(guò)程中存在。系統(tǒng)中的膠體反響主要發(fā)生在偏高嶺土顆粒的微晶外表上。地質(zhì)聚合物的的力學(xué)性能主要取決于氫氧化鈉溶液的濃度。地質(zhì)聚合物的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度隨著氫氧化鈉溶液濃度在4–12mol/L范圍內(nèi)提高而增加。這是因?yàn)槠邘X土顆粒溶解度的增大，導(dǎo)致在高氫氧化鈉溶液下單體濃度加速增大。特別感謝：感謝中國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)(NSFC,ChinaNo.50432023)的經(jīng)費(fèi)資助。來(lái)自于國(guó)家固體潤(rùn)滑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的趙家政教授、周金芳博士和工程師李和還有閆杰等作出的SEM、XRD和IR分析。參考文獻(xiàn)：J.Davidovits,Geopolymers:man-maderocksgeosynthesisandtheresultingdevelopmentofveryearlyhighstrengthcement,J.Mater.Educ.16(1994)91–139.F.F.B.Valeria,J.D.M.Kenneth,Synthesisandthermalbehaviourofpotassiumsialategeopolymers,Mater.Lett.57(2003)1477–1482.J.C.Swanepoel,C.A.Strydom,Utilizationof?yashinageopolymericmaterial,Appl.Geochem.17(2002)1143–1148.J.G.S.vanJaarsveld,J.S.J.vanDeventer,L.Lorenzen,Thepotentialuseofgeopolymericmaterialstoimmobilizetoxicmetals:partI.Theoryandapplications,Miner.Eng.10(1997)659–669.J.G.S.vanJaarsveld,J.S.J.vanDeventer,A.Schwartzman,Thepotentialuseofgeopolymericmaterialstoimmobilizetoxicmetals:partII.Materialandleachingcharacteristics,Miner.Eng.12(1999)75–91.J.G.S.vanJaarsveld,J.S.J.vanDeventer,G.C.Lukey,Thecharacterizationofsourcematerialsin?yash-basedgeopolymers,Mater.Lett.57(2003)1272–1280.F.F.B.Valeria,J.D.M.Kenneth,T.Clelio,Synthesisandcharacterizationofmaterialsbasedoninorganicpolymersofaluminaandsilica:sodiumpolysialatepolymers,Int.J.Inorg.Mater.2(2000)309–317.H.Xu,J.S.J.vanDeventer,G.C.Lukey,Effectofalkalimetalsonthepreferentialgeopolymerizationofstilbite/kaolinitemixtures,Ind.Eng.Chem.Res.40(2001)3749.J.G.S.vanJaarsveld,J.S.J.vanDeventer,Effectofthealkalimetalactivatoronthepropertiesof?yash-basedgeopolymers,Ind.Eng.Chem.Res.38(1999)3932–3941.H.Xu,J.S.J.vanDeventer