地聚合物

地聚合物

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中文名稱；地聚合物 外文名稱；geopolymer 發現時間；1978年 發現人；J.Davidovits 其他名稱；地聚物、地質聚合物、土壤聚合物 化學式；Mn{-(SiO2)zAlO2}n•wH2O 結構單元；硅氧四面體、鋁氧四面體 性能；耐酸、快凝、耐高溫、可回收 材料類型；新型無機硅鋁膠凝材料

地聚合物的概念是在1978年由法國人Davidovits提出的，它是一種由AlO4和SiO4四面體結構單元組成三維立體網狀結構的無機聚合物，化學式為Mn{-(SiO2)zAlO2}n·wH2O，無定形到半晶態，屬於非金屬材料。這種材料具有優良的機械性能和耐酸鹼、耐火、耐高溫的性能，有取代普通波特蘭水泥的可能和可利用礦物廢物和建築垃圾作為原料的特點，在建築材料、高強材料、固核固廢材料、密封材料、和耐高溫材料等方面均有應用。

目錄

發展背景

人們對地聚物學科的研究源自於科學家們對水泥硬化機理研究的成果。20世紀30年代，美國的Purdon   在研究了波特蘭水泥(普通硅酸鹽水泥)的硬化機理時發現，少量的NaOH在水泥硬化過程中可以起催化劑的作用，使得水泥中的硅、鋁化合物比較容易溶解而形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉，再進一步與Ca(OH)2，反應形成硅酸鈣和鋁酸鈣礦物，使水泥硬化並且重新生成NaOH再催化下一輪反應，因此他提出了所謂的「鹼激活」理論。   前蘇聯投入了大量的人力、物力對鹼激活材料進行了大量的、系統的研究。他們發現除了氫氧化鈉以外，鹼金屬的氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、氟化物、硅酸鹽和鋁硅酸鹽等都可以作為反應的激活劑   ，較大程度地豐富了鹼激活劑的種類，並於60年代就把這種「新型」膠凝材料應用於建築工業，同時提出了「鹼液反應機理」；到了1972年，法國的Davidovits教授申請了地聚合物歷史上的第一篇關於用高嶺土通過鹼激活反應製備建築板材的專利。 隨後J.Davidovits開始對地聚合物材料的內部結構進行了細緻的研究，並於隨後幾年裡申請了大量的專利。他以硅鋁比(Si/Al)為依據，將地聚物材料的結構大致分為三類：PS(Si/Al=1)、PSS(Si/Al=2)和PSDS(Si/Al=3)。1987年，賓州大學的Della.M.Roy教授，以水泥為對比，詳細闡述了化學鹼合陶瓷(鹼激活聚鋁硅酸鹽材料)的優異性能   ，並對其應用前景進行了樂觀的預測，進一步提高了各國爭相研究地聚合物材料的熱情。世界上有許多專門研究機構如法國的「GeopolymerInstitute」和美國的「WaterwaysExperimentStation」等和許多其他科學家們」「在致力於地聚物材料的研究工作，國內外有關地聚物科學的理論和應用研究成果正在快速增長。

反應機理

最為廣泛接受的的是法國J.Davidovits提出的解聚和縮聚的理論。他認為地聚物材料的凝結硬化過程就是原材料中硅氧鍵和鋁氧鍵在鹼性催化劑作用下斷裂後再重組的反應過程。 J.Davidovits在研究中假設鋁硅酸鹽地聚合過程是通過一些假設基團逐步發生縮聚過程，這些假設的組成單元進一步縮聚形成三維大分子結構。他將這些低相對分子質量單元（單體、二聚體、三聚體等）稱為低聚物。低聚硅鋁酸鹽指的是單體正硅鋁酸鹽、二聚體二硅鋁酸鹽等；類似的，也有低聚硅鋁酸鹽—硅氧體和低聚硅鋁酸鹽—二硅氧體。   J.Davidovits提出地聚合物的反應可以如下表述：   （1）鋁硅酸鹽原料在鹼性溶液( NaOH, KOH) 中的溶解。 （2）溶解的鋁硅配合物由固體顆粒表面向顆粒間隙的擴散。 （3）凝膠相M {一(SiO2)z—AlO2}n·wH2O的形成, 導致在鹼硅酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發生聚合作用;。 （4）凝膠相逐漸排除剩餘的水分, 固結硬化成礦物聚合材料塊體 。 對於不同原料成分、不同用途的地聚合物材料，其具體反應機理不完全相同，但骨幹反應為上述過程。 地聚合物本身是個氧化物網絡結構體系，在1000℃一1200℃之間不氧化、不分解；另一方面，密實的氧化物網絡體系可以隔絕空氣、保護內部物質不被氧化。經複合改性後．材料的抗壓、抗拉、抗彎曲強度都是普通水泥基材的10倍以上，同時高溫性能好、不燃、隔熱、保溫（導熱係數：0.24~0.38W/m·k）、沒有毒性氣體釋放。所以可以用來替代金屬、陶瓷和水泥應用於航天、航空、土木工程、鑄造、裝飾   等領域。

耐久性優良

地聚合物的優良性能一方面源於其穩定的網絡結構，另一方面是因為可以完成避免普通水泥因金屬離子遷移與骨料反應而引起的鹼集料反應，沒有膨脹(普通硅酸鹽水泥混凝土在200天後因鹼集料反應而膨脹1.5mm/m，是極大的安全隱患)，因而經受自然破壞的能力很強。J.Davidovits在對羅馬古競技場、希臘古Cister混凝土牆、埃及古金字塔等考察後，發現這些古建築物材料具有「類沸石」結構，並認為這是那些古建築能夠屹立千年的主要原因。  

功能多樣性

硅元素存在穩定的+4價態，因此地聚合物材料中的硅氧四面體顯電中性；鋁氧四面體中的鋁元素是+3價態，但卻與四個氧原子結合成鍵，因此鋁氧四面體顯電負性，需要吸收體系中的正離子來平衡電荷，總的結果使體系顯電中性。鋁離子的這一行為以及地聚合物材料本身的結構特點，使得該種材料具備多種功能特性。 固定金屬離子 地聚合物的結構是由環狀分子鏈構成的「類晶體」結構。環狀分子之間結合形成密閉的空腔(籠狀)，可以把金屬離子和其他毒性物質分割包圍在空腔內；同時骨架中的鋁離子也能吸附金屬離子；Mallow認為金屬離子還參與了地聚合物結構的形成，因此可以更有效地固定體系中的金屬離子。J.Davidovits的研究表明，地聚合物基質對Hg、As、Fe、Mn、Ar、Co、Pb的固定率大於或等於90%。另外網絡骨架即使是在核輻射作用下，仍比較穩定。利用這一特點，可將其應用於有毒廢料處理、核廢料處理、催化、吸附等領域。 快凝 地聚反應過程中，溶膠的形成和脫水反應速度比較快，網絡骨架比較容易形成，另外微波、加熱、乾燥對反應都有促進作用。   因此可快速製得高強度製品。應用於機場、道路、橋樑和軍事設施的快速修建與修復等。 耐酸 地聚合物網絡結構中Si—O和Al—O在室溫下較難與酸(HF酸除外)反應，   可以用其製造耐酸材料。經試驗對比：把波特蘭水泥和地聚合物材料浸漬於硫酸(pH=0)中，結果發現60天後，水泥重量損失63%，而地聚合物僅失重3%。 低污染 地聚反應過程是由鋁硅酸之間的脫水反應，這個反應在強鹼性條件下是可逆的；另一方面，原料變成產物，除了脫水外沒有損失其他的物質。所以，地聚合物廢料經粉碎後，應該可以直接當作原料再來制各地聚合物材料，這樣就節省了大量的原材料、能源並減少對環境的污染。

參考來源

地聚合物水泥