无机高分子凝胶的制备及其物理性能研究

无机高分子凝胶的制备及其物理性能研究

宋庆春，孙武杰

山东北斗检测科技有限公司  山东临沂  2760000

摘要：以煤矸石粉体、水玻璃、氢氧化钠为主要原料，通过碱激发工艺制备了无机高分子凝胶材料，研究了水玻璃模数及碱激发剂固掺量对无机高分子凝胶强度的影响。试验结果表明无机高分子凝胶抗压强度最佳配比为水玻璃模数为1.2、碱激发剂固掺量为42%，液固比为85%，其抗压强度可达67.5MPa；其抗折强度最佳配比为水玻璃模数为1.0、碱激发剂固掺量为46%，碱激发剂固掺量为100%，其抗折强度可达9.4MPa 左右。

关键词:无机高分子凝胶；煤矸石；正交实验

无机高分子凝胶是以铝硅酸盐材料为主要原料，在碱激发作用下，生成的一种地质聚合物，它是一种由硅氧和铝氧四面体结构单元组成的三维网状立体结构。材料具有很好的物理力学性能、耐酸碱、耐火及耐高温性能，有着强度高、硬化快等特性。20世纪30年代，Purdon[1]等首先提出‘碱激发’理论，即少量的NaOH在普通硅酸盐水泥水化过程中起着类似催化剂的作用；之后，1978年法国著名材料学家Jesoph Davidovits[2]在“碱激发”理论基础上利用偏高岭土制备了碱激发偏高岭土胶凝材料，并命名为“Geopolymer”。研究者将其译为地质聚合物，部分学者将其译为地聚合物、矿物聚合材料[3]等名称。从地质聚合物命名以后，研究者发现具有活性的铝硅酸盐粉体，如工业废渣(钢渣、粉煤灰、高炉矿渣等)、天然硅铝酸盐矿物等都可以制备地质聚合物材料[4,5]。

1、实验及方法

1.1 原料  实验中胶凝材料粉体使用河北京航矿产品有限公司的325目煤矸石粉，经过800℃高温煅烧2小时后，制备成具有火山灰活性的粉体。煅烧后煤矸石粉体的成分主要为Al2O3占比43.29%，SiO2占比52.41%，Fe2O3占比1.07%。采用钠水玻璃和氢氧化钠的复合激发剂，工业级钠水玻璃，水玻璃模数为3.341。氢氧化钠为市售工业级片碱，纯度为99.31%。

1.2 实验方法

采用碱激发工艺制备无机高分子凝胶。选择正交试验设计，以液固比、碱激发剂固掺量及水玻璃模数为三个影响因素，每个因素分别选取了四个水平，液固比分别为85%、90%、95%和100%；碱激发剂掺量分别为40%、42%、44%和46%；水玻璃模数分别为1.0、1.2、1.4和1.6。根据正交试验因素选用L16（45）正交表。

2.结果与讨论

2.1无机高分子凝胶抗折、抗压强度实验结果

表2.1 正交试验强度结果

Table2.1 Orthogonal experiment strength results of alkaline leaching lead-zinc slag geopolymer

2.2 无机高分子凝胶材料强度试验结果分析

2.2.1直观分析

对无机高分子凝胶的强度试验结果进行直观分析，正交试验直观分析结果见表2.2。

表2.2正交试验结果的极差分析表

Table 2.2 Range analysis table of orthogonal experiment on results

无机高分子凝胶28d抗压强度实验结果显示，液固比影响最为显著，其次为水玻璃模数，影响最小的为碱激发剂固体掺量。最优配比是A1C2B1。

2.2.2方差分析

对影响无机高分子凝胶的各因素试验结果进行显著性检验。试验数据进行方差分析，结果见表2.3。

Table 2.3 Variance analysis table of orthogonal experiment on results

由表2.3可知,对于抗压强度而言，碱激发剂固掺量和水玻璃模数在28d反应期间对试验结果的影响极显著。液固比对试验结果的影响显著。这与直观分析的结果稍有不同。由于直观分析缺乏误差分析，无法将试验因素的改变和由试验结果误差引起的数据波动进行区分，因此我们应该按方差分析法的观点,根据显著影响的因素选择最佳水平。因此,本试验各因素的抗折强度最佳配合比应为C2B3A4，抗压强度最佳配合比应为C2B1,A1。

3、结语与展望

本文着重分析了液固比、碱激发剂固掺量和水玻璃模数对无机高分子凝胶材料力学性能的作用和影响，为材料的性能优化和下一步试验提供了基体材料。

参考文献：

[1] Purdon. The action of alkalies on blast furnace slag[J].建材技术与应用，2009，（2）：6-8

[2] Davidovits J.Geopolymers and Geopolymeric materials[J].Journal of  Thermal Analysis,1989,35（35）：429-441

[3] 马鸿文,杨静,任玉峰等.矿物聚合材料:研究现状与发展前景[J].地学前缘，2002,(04):397-407

[4] Bernal, Susan A. Gel nanostructure in alkali-activated binders based on slag and fly ash, and effects of accelerated carbonation[J]. Cement & Concrete Research, 2013, 53(2):127-144.

[5] Luo X , Xu J , Bai E , et al. Systematic study on the basic characteristics of alkali-activated slag-fly ash cementitious material system[J]. Construction & Building Materials, 2012, 29(none):482-486.