地聚合物基材料的研究及其應(yīng)用前景

薛彩紅，高 莉

青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海西寧 810016

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科技的日益月新，各種礦產(chǎn)資源和能源材料已經(jīng)日益枯竭，環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，人類生存的環(huán)境面臨前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，節(jié)能減排和綠色環(huán)保成為全人類最關(guān)心的話題。尋找一種成本低，環(huán)境污染少，功能全的新材料是當(dāng)今世界材料研究者們的主要研究方向之一。地聚合物基材料制備具有低能耗、低二氧化碳排放優(yōu)點，且具有強度高、耐腐蝕性好、耐水熱優(yōu)良、耐高溫等性能，可廣泛應(yīng)用于建材、交通、環(huán)保、能源等領(lǐng)域，目前已成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的一個熱點領(lǐng)域。

1 地聚合物基材料研究現(xiàn)狀

1.1 地聚合物基材料

地質(zhì)聚合物（Geopolymer）這一概念最早是在上個世紀(jì)70年代末首先由法國科學(xué)家Joseph Davidovits提出，現(xiàn)在人們一般把由硅氧四面體和鋁氧四面體聚合而成的具有非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)特征的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體統(tǒng)稱為地質(zhì)聚合物。近十年來地聚合物成為國際上研究非常活躍的一類新材料。地聚合物基材料主要包括以地質(zhì)聚合物為基體的復(fù)合材料及多孔材料，地聚合物基復(fù)合材料是以地質(zhì)聚合物為基體材料，玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維、PVA、PVC等纖維為增強材料制備的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的復(fù)合材料相比具有造價低、工藝簡單、強度高、耐腐蝕性強等特點；地聚合物基多孔材料是以活性高無鈣或低鈣鋁硅質(zhì)材料如高嶺土、礦渣、粉煤灰等為主要原料，通過發(fā)泡法或造孔劑法制備的多孔材料，具有比表面積大、吸附容量大、化學(xué)穩(wěn)定性好、硬度高、耐熱性優(yōu)良等諸多優(yōu)良特性。

1.2 地聚合物基材料研究現(xiàn)狀

1.2.1 地聚合物基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

廣西大學(xué)宋曉玲、崔學(xué)民等人制備了PVC/地質(zhì)聚合物復(fù)合材料并對其加工塑化、力學(xué)性能、熱性能及斷面形貌進(jìn)行研究，少量地聚物的引入可促進(jìn) PVC 樹脂的塑化，地聚物分散尺寸較小，在基體中分散較均勻，并與 PVC 基體有良好的界面結(jié)合，可有效發(fā)揮地聚物剛性粒子對 PVC 的增強增韌作用，東南大學(xué)張云生等人以偏高嶺土為原料，添加粉煤灰和聚乙烯醇（PVA）通過擠壓成形技術(shù)制備了地聚合物基復(fù)合材料，結(jié)果擠壓成形彎曲強度更高，摻或摻加少量粉煤灰(10%)的地聚合物基復(fù)合材料彎曲強度高，當(dāng)粉煤灰的摻加量30%時，地聚合物基復(fù)合材料的彎曲強度顯著下降，但延性增大。法國Davidovitst在地聚合物原料中摻加玻璃纖維、碳纖維、碳化纖維等，使產(chǎn)物的抗彎強度已分別達(dá)到140MPa、175MPa、210MPa。

2 地聚物基材料應(yīng)用展望

2.1 地聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用展望

地聚合物基復(fù)合材料較地聚合物材料具有更高的強度，它必將在我國軍事、民用、科技等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。可部分代替水泥，降低生產(chǎn)水泥的能耗，另一方面可大量使用類粘土資源，如工業(yè)廢渣粉煤灰、冶金礦渣等，降低此類材料對環(huán)境的污染。此外，利用地聚合物基復(fù)合材料較好的力學(xué)性能及低能耗、簡單的制備工藝可部分替代金屬與陶瓷材料做為結(jié)構(gòu)部件、模具材料使用；利用其快凝早強性用于機(jī)場跑道、通訊設(shè)施、道路橋梁、軍事設(shè)施的快速建造與修復(fù)；利用其輕質(zhì)、隔熱、阻燃、耐高溫等特性用作新型建筑裝飾材料，耐火保溫材料，開發(fā)其他用途如發(fā)動機(jī)排氣管外包隔熱套管等。地聚合物基復(fù)合材料工藝、性能及用途如表1所示。

表1 地聚合物基復(fù)合材料工藝、性能及用途

2.2 地聚合物基多孔材料的應(yīng)用展望

地聚合物基多孔材料可用作過濾分離器，實現(xiàn)氣體和液體的過濾和分離；具有大量的氣孔率，可降低導(dǎo)熱率，具有防火性、保溫隔熱性，可用作建筑用隔熱材料和換熱器；具有大的交換面積、耐熱、耐蝕、不污染，可用在冶金、陶瓷、石油回?zé)嵯到y(tǒng)；由于存在大量孔洞，聲能被吸收具有隔音效果，可用作會議室、工廠、車間、音樂廳等場所的內(nèi)墻面、頂棚、墻面的隔音材料；具有多孔道結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可作為濕敏元件或氣敏元件，將其放入相應(yīng)介質(zhì)中，通過化學(xué)吸附使地聚合物基多孔材料的電導(dǎo)性或電容性改變，可用作敏感元件及新能源多孔功能材料的制備，如多孔電極、儲氫材料[8]。

3 結(jié)論

地聚合物基材料具有許多優(yōu)越特性，正逐步成為廣大學(xué)者的研究熱點，近年來隨著地聚合物基材料制備工藝和性能等各方面的深入研究，必將在能源、環(huán)保、功能材料更廣泛的領(lǐng)域得以應(yīng)用，取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

地聚合物基材料的研究與應(yīng)用還存在以下問題：1）復(fù)合材料的增強材料選擇；2）多孔材料的孔徑分布及大小的控制；3）材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表征；4）拓展功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

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[6]袁鴻昌，江堯忠.地聚合物材料的發(fā)展及其在我國的應(yīng)用前景[J].硅酸鹽通報，1998，17(2):46-52.