外文翻译中文偏高岭土地质聚合物的制备和力学性能研究

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1、石明明+外文翻译偏高岭土地质聚合物的制备和力学性能研究Hongling Wang a,b, Haihong Lia, Fengyuan Yan aa State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Chinab Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China摘 要：偏高岭土基地质聚合物是通过对偏

2、高岭土在20左右时使用氢氧化钠溶液（4-12mol/L）和水玻璃溶液激发制备得到的。在制备过程中在模具中对反应产物施以4MPa压力并放在65恒温箱中处理10小时后对材料的抗折强度、抗压强度和表观密度进行系统测量。通过x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜（SEM）和红外光谱(IR)研究了氢氧化钠溶液浓度对偏高岭土地质聚合物的机械和化学性能的影响。结果表明：随着氢氧化钠溶液的浓度在4-12mol/L范围内增加，地质聚合物的抗压强度、抗折强度和表观密度也相应提高。试样在空气中的贮存时间对抗折强度影响很小然，而对抗压强度和表观密度几乎没有影响。X射线衍射和红外光谱的分析表明地质聚合物材料是由非晶相和半

3、晶相组成，这些非晶相和半晶相主要包括来源于偏高岭土煅烧过程中空气中的水和少量惰性成份。地质聚合物中非晶相的含量随着氢氧化钠浓度提高而增加。扫描电子显微镜的结果表明制备的地质聚合物维持了偏高岭土微粒的层状结构，所以认为地质聚合物反应主要发生在偏高岭土颗粒的微晶表面上。但是这种推测需要更深层次的研究论证。这种材料的强度数据显示这种基于偏高岭土的胶体反应会使得建筑材料具备良好的性能。关键词：地质聚合物；偏高岭土；聚合反应；抗折强度；抗压强度1、引言Davidovits首先在1978年报道了地质聚合物1。作为一种具有部分陶瓷性能的无机材料，地质聚合物以其经济友好及耐火的特点引起了人们的注意2。地质聚合

4、物反应可重新利用一些具有变形性能的废品，如粉煤灰3。对地质聚合物反应机理的研究，有助于对具有火山灰效应的材料，如粉煤灰，进行高效利用。地质聚合物可用来固化有毒金属4,5。由于其独特的笼状结构，地质聚合物甚至被认为可以用来凝固放射性元素。通常情况下，通过由水化碳酸盐和水化硅酸盐组成的催化剂激发铝硅酸盐，地质聚合物可以在室温或者稍高于室温下合成。它是低水分含量系统中的胶体反应。铝硅酸盐主要是以固体粉末的形式参加反应，而激发剂则很容易由NaOH或者KOH溶液和水玻璃或者钾水玻璃制备得到。根据Davidovits所说的，地质聚合物是由Si-O-Al所聚合成的网状结构组成。SiO4 四面体和AlO4四面

5、体通过一个共用氧交替连接，地质聚合物的反应如下1： （1） （2）在分子式（1）中可见，有别于(2SiO2,Al2O3)的铝硅酸盐氧化物，（Si2O5，Al2O2）是一种以AL为中心的四配位物质。硅酸钙溶液中二氧化硅以单体或者聚合物形式存在。分子式（2) 式表示地质聚合物的最终骨架和基质中的电价平衡。由反应进程可见，铝硅酸盐和催化剂两大因素直接影响最终产物。固态铝硅酸盐的性能将直接影响溶解过程和随后的反应，而液体激发剂将部分或完全溶解固体原材料和决定铝硅酸盐结构的破坏与重组，及聚合度。同时改变了反应系统中电价平衡。高岭土作为原材料被广泛的用于制备地质聚合物5,712。通过对高岭土进行一系列如煅

6、烧、减少铁和漂白处理后可制备得偏高岭土。偏高岭土作为一种比高岭土具有更高反应活性的的人工火山灰质材料，已被广泛用于工业。Barbose从偏高岭土中合成了K-PS和K-PSDS，并且发现这种地质聚合物具有良好的耐热性，K-PS甚至在加热到1400都无明显的液相生成 2。然而目前尚未看见关于催化剂对地质聚合物材料的力学和化学性能的影响的报导。 本文中偏高岭土被用来作为合成地质聚合物的原材料，同时对液体催化剂对力学强度和化学性能的影响也进行了系统的研究。本文的研究结果将有助于解释地质聚合物，这一比传统水泥具有更高的力学强度的材料的利用。2、试 验：2.1 原材料分析级偏高岭土，NaOH溶液，工业水玻

7、璃，蒸馏水。偏高岭土的化学成份由JSM-5600LV扫描电镜（SEM）和KEVEX能谱仪(EDS)测得。测试结果如表1所示：表1 SEM和EDS测偏高岭土聚合物 元素SiAlOKCaTi含量（%）42.3929.8626.170.670.330.592.2 试验方法在一系列集中研究地质聚合物在模具中压缩并拆模的试验中，得出地工合成物反应里固体材料与液体激发剂的最佳质量比是3：1。其中的液体激发剂是由氢氧化钠溶液和水玻璃溶液以4.15：1的质量比制成的。为了了解这种催化剂对地质聚合物材料性能的影响，我们用一系列4、6、8、10、12mol/L的氢氧化钠溶液和模数n=3.2的水玻璃溶液进行了测试。

8、本文中4、6、8、10、12mol/L的氢氧化钠溶液和模数n=3.2的水玻璃溶液被采用来进行测试。将按照上述比例制成的催化剂加入偏高岭土粉末中，并搅拌5分钟。然后将混合物倒入长方体或圆柱体的模具中，在4MPa的压力和室温下挤压大约3分钟，并分别制成6mm7mm30mm和13mm26mm的样品。之所以将压力定位4MPa，是因为在4MPa压力下，由于搅拌的停止和试样早期强度值很高，会有大部分空气气泡进入合成产物。模具试样通过放在室温下60分钟然后放在65的烘箱中10小时的手段来实现其强度的发展。加工的试样的在65以下时会避免裂纹产生。试样在65以下养护，可以有效的避免裂纹的产生。最后测量试样的强度

9、。2.3 仪器试样的7天、14天、21天、28天和35天的弯曲强度和抗压强度由目前通用的测量仪DY35（法国制造），分别以3N/s，30N/s的速度（参考：滑动速率分别为0.05毫米/分钟,0.1毫米/分钟）加压测得，试样的密度由试样的质量和体积求得。用X射线衍射仪D/max-RB和JSM-5600LV扫描电子显微镜对试样的弯曲强度测量后，再用XRD和SEM对试样横截面处进行单独分析。试样的化学成分用红外光谱进行分析。3、结果与讨论3.1 XRD衍射图像分析图1显示的是在空气中放置7天的偏高岭土和反应产物的X射线衍射花样。实验中的碱激发剂由水玻璃溶液和不同浓度的氢氧化钠溶液制成图1：偏高岭土和

10、反应产物的XRD图XRD衍射图像表明偏高岭土有些成分如石英和莫来石等始终未参与反应。在18到25的角度范围内，偏高岭土的XRD图像显示偏高岭土中混合了半晶相和非晶相，在这个波段范围内强度相对较小的反应产物的XRD图像则表明地质聚合物材料完全由非晶相组成。另外，从XRD图像中，我们可以得出这样的结论：氢氧化钠溶液浓度越高，反应产物中非晶相含量越高。与沸石的合成过程相似10，地质聚合物的聚合包括固体反应物的溶解，然后溶解物传递到胶体表面继而成核继生成新的成凝胶，凝胶再聚合老化的过程。关于现阶段的固液反应研究工作，考虑到地质聚合物聚合过程中液体激发剂对地质低聚物的激发是主要固体-液体反应。本文中，液

11、体激发剂（由氢氧化钠溶液和水玻璃溶液组成）在地质聚合物聚合过程中所起的不同作用得到重点关注。主要是弄清试剂中的液体激发剂（由氢氧化钠溶液和水玻璃溶液组成）在地质聚合物聚合过程中起的不同作用。具体来说是对固体原材料质点部分或完全被碱溶液溶解，产生大量富含Si和Al，如铝硅酸盐四面体结构单元等可溶性反应物；这些可溶性硅酸盐通过提供自发聚合物质（如单体、二聚物和较大的低聚物）和硅酸盐单体之间聚合或者AlO4和硅酸盐单体之间聚合来催化聚合这一过程进行研究。这种反应过程的产物基本上都是非晶相。3.2 红外光谱衍射图像分析图2表示的是原材料偏高岭土和对应的地质聚合物的红外光谱图像。在IR测试中用到的地质聚

12、合物试样是由水玻璃溶液和8mol/L的氢氧化钠溶液合成的。地质聚合物在波长大约3420cm-1还有1680cm-1时的IR光谱上的宽频地质聚合物在IR图谱上，3420cm-1及1680cm-1附近的花样表明模具中地质聚合物试样里存在大气吸附水6。偏高岭土的IR光谱中显著吸收的频率大约1098、826、469cm-1分别表示Si-O弹性震动、Si-O-Al震动和弯曲震动。4501200cm-1范围内偏高岭土和地质聚合物的IR光谱只有一点点不同。这表明原材料分子链的绝大多数震动形式依然会出现在地质聚合物聚合反应产品产物中。图2：偏高岭土以及对应的地质聚合物的红外光谱3.3 扫描电子显微镜观察图3是

13、在8mol/L氢氧化钠溶液下合成的反应产物横截面的SEM图像。偏高岭土基地质聚合物呈松散的微结构状，尤其是考虑到这些图像是取自于抗弯曲强度实验中试样的横截面。另外，地质聚合物跟偏高岭土具有与薄片一样的层状结构。因为固液反应系统可以被看作含水量相对较低的凝胶系统，基于此，可以作出以下猜想：地质物聚合反应和成型过程中固体原材料保持其形状几乎不变。图3中的SEM图像也为地质聚合反应主要发生在固体颗粒微晶表面上这一假设提供了更有力的证据7。图3：偏高岭土基地质聚合物的扫描电子显微镜图像3.4 力学性能图4所示为合成的地质聚合物的抗弯曲强度、抗压强度和表观密度数据。A、C、E图中的样品是由水玻璃溶液和4

14、12mol/L的氢氧化钠溶液组成的激发剂激发合成并在空气中放置7天，B、D、F图中的样品则是由水玻璃溶液和8mol/L的氢氧化钠溶液组成的激发剂激发合成。图4所示为地质聚合物的抗折强度、抗压强度和表观密度随氢氧化钠溶液浓度的变化规律。地质聚合物框架的形成很大程度上取决于偏高岭土的溶解程度，而偏高岭土的溶解程度又直接受氢氧化钠溶液浓度的影响。越高浓度的氢氧化钠溶液对偏高岭土颗粒有越好的溶解能力，也会为单体提供更多的活性结合也会为单体的聚合提供更多的活性残键。单体的活性结合点越多，地质聚合物分子间的粘结力也越强。试样在空气中放置20天后抗折强度略有增加（见图B）。这可能由于大气中的水分对缓慢而长期

15、的聚合反应的影响造成的。试样的抗压强度几乎不受储存时间的影响（见E、F图）。综上，地质聚合物的聚合反应过程可具体地表示如下：首先，偏高岭土颗粒的表层被氢氧化钠溶液溶解，可溶性铝硅酸盐单元在来自于水玻璃溶液中可自发聚合物质(包含Si-O-Si链的单体、二聚体和较大的低聚物)的存在下而立即被聚合；然后，被溶解了的偏高岭土颗粒被聚合产物网络所连接。因为高浓度的氢氧化钠溶液对偏高岭土颗粒具有更好的溶解能力并且形成了一个由溶解了的偏高岭土颗粒加强了连接的聚合网络，所以用更高浓度氢氧化钠溶液来制成更紧凑和力学强度更高的地质聚合物试样这种方法是可行的。图4：偏高岭土基地质聚合物的抗弯曲强度（A和B）、抗压强

16、度（C和D）、表观密度（E和F）4、结论由氢氧化钠溶液和水玻璃溶液激发偏高岭土合成的偏高岭土基地质聚合物材料主要是非晶相，它包含大气中的吸附水。它的层结构和偏高岭土颗粒的薄片状结构相似，这也说明主要相，尤其是偏高岭土颗粒的薄片结构仍然会在地质聚合物聚合反应、养护和成型过程中存在。系统中的胶体反应主要发生在偏高岭土颗粒的微晶表面上。地质聚合物的的力学性能主要取决于氢氧化钠溶液的浓度。地质聚合物的抗折强度、抗压强度和表观密度随着氢氧化钠溶液浓度在412mol/L范围内提高而增加。这是因为偏高岭土颗粒溶解度的增大，导致在高氢氧化钠溶液下单体浓度加速增大。特别感谢：感谢中国自然科学基金会 (NSFC,

17、 China No.50432020)的经费资助。来自于国家固体润滑重点实验室的赵家政教授、周金芳博士和工程师李和还有闫杰等作出的SEM、XRD和IR分析。参考文献：1 J. Davidovits, Geopolymers: man-made rocks geosynthesis and the resulting development of very early high strength cement, J. Mater.Educ. 16 (1994) 91139.2 F.F.B. Valeria, J.D.M. Kenneth, Synthesis and thermal behavi

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