唐 山 学 院
毕 业 设 计
设计题目：新型地质聚合物的试验研究
系 别：_________________________
班 级：_________________________
姓 名：_________________________
指 导 教 师：_________________________
2012年6月8 日
刘进强 施红菊 08无机非金属材料（1）班 环境与化学工程系
新型地质聚合物的试验研究
摘要
对工业固体废弃物进行资源化利用，不仅能减少环境污染，还可为建材原料开辟出一条新的途径。本文以高炉矿渣和粉煤灰为主要原料，改性水玻璃作为碱性激发剂，在适当的水灰比下，制备出高性能的新型地质聚合物。研究表明：高炉矿渣掺加量为80%，粉煤灰掺加量为20%，添加15%经过加入氢氧化钠调整的模数为1的改性水玻璃，在标准条件下养护制备的新型地质聚合物性能最佳。其3天抗压强度可达39.38MPa，抗折强度达5.79MPa；7天抗压强度可达51.56MPa，抗折强度达7.02MPa；28天抗压强度可达52.75MPa，抗折强度达7.31MPa；初凝时间为66分钟，终凝时间为332分钟；并且安定性良好。
关键词：高炉矿渣粉煤灰水玻璃碱性激发剂新型地质聚合物
Experimental Study of the New Geopolymer
Abstract
Utilization of industrial solid waste, not only can reduce environmental pollution, but also open up a new avenue for building materials. In this paper, blast furnace slag and fly ash as the main raw materials, modified sodium silicate as the activating agent, prepared in a appropriate water-cement ratio, high-performance new geopolymer is made up. Studies in this paper have shown that: blast furnace slag adds 80%, fly ash adds 20%, and adds 15% by adding sodium hydroxide to adjust the modulus of the modified sodium silicate, and curing under the standard conditions, we will get a new geopolymer, which performances best. Three days compressive strength is up to 39.38MPa, flexural strength can reach to 5.79 MPa; 7 days compressive strength is up to 51.56MPa, flexural strength can reach to 7.02 MPa; 28 days compressive strength is up to 52.75 MPa, and flexural strength can reach to 7.31MPa; initial setting time is 66 minutes and final setting time is 332 minutes; and stability is good.
Key words: blast furnace slag; fly ash; sodium silicate; activating agent; new
geopolymer
目录
1综述 (1)
1.1地质聚合物的简介 (1)
1.1.1 地质聚合物的发展 (1)
1.1.2地质聚合物的反应机理 (2)
1.1.3 地质聚合物的性能及应用领域 (3)
1.2研究地质聚合物的意义及其存在的问题 (5)
1.2.1地质聚合物的研究意义 (5)
1.2.2地质聚合物的研究中存在的问题 (6)
1.3本文的研究内容 (7)
2 试验 (8)
2.1 试验原材料 (8)
2.1.1矿渣微粉 (8)
2.1.2 粉煤灰 (10)
2.1.3 碱性激发剂 (12)
2.1.4其它原材料 (14)
2.2试验方案 (14)
2.2.1试验方法 (14)
2.2.2水泥胶砂强度的测定 (16)
2.2.3标准稠度的测定 (18)
2.2.4凝结时间的测定 (19)
2.2.5水泥体积安定性的测定 (20)
2.3试验结果 (21)
2.4数据分析 (23)
3 结论 (24)
谢辞 (25)
参考文献 (26)
外文文献 (26)
1 综述
1.1 地质聚合物的简介
地质聚合物（Geopolymer）的概念最早是在上个世纪70年代由法国科学家Joseph Davidovits提出的[1]。Joseph Davidovits利用活性低钙Si-Al质材料和高碱溶液反应首次制备出了一种具有有机高分子聚合物空间的三维网状键接结构的新型无机Si-Al质胶凝材料，即地质聚合物，是一种含有多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐的矿物聚合物。它以低钙Si-Al质材料和碱溶液为主要原料，经过适当工艺处理，在20~120℃的低温条件下通过化学反应得到的一类由硅铝酸盐材料成分粘结的化学键合胶凝材料[2、3]。地质聚合物经过铝硅酸盐组分的溶解络合、分解迁移、浓缩聚合和脱水硬化而形成，其化学组成与沸石接近，物理形态上呈现三维网络结构，因此其兼具有机聚合物、水泥以及陶瓷的优良性能，表现为早期强度高，收缩率较低，抗冻融性、耐酸碱侵蚀性和耐硫酸盐腐蚀性好等。地质聚合物应用广泛，在汽车及航空工业领域、非铁铸造及冶金工程领域、土木工程领域、环境工程领域和塑料工程领域等都有所利用[4]。
1.1.1 地质聚合物的发展
地质聚合物属于碱激发胶凝材料。所谓碱激发胶凝材料是指由具有潜在水硬性或火山灰活性的原料和碱性激发剂反应制成的一类胶凝材料。碱激发胶凝材料主要经历了四个发展阶段（四代）：第一代，古代碱激发胶凝材料；第二代是始于20世纪40年代的碱矿渣水泥；第三代，地质聚合物水泥；第四代，多组分复合高性能胶凝材料[5]。
碱激发的原始概念来源于美国人Purdon的“碱激活”原理。20世纪30年代，Purdon在研究波特兰水泥硬化机理时发现，少量的氢氧化钠在水泥硬化过程中可使水泥中的硅、铝化合物比较容易溶解形成硅酸钠和偏铝酸钠，然后再进一步与氢氧化钙反应形成硅酸钙和铝酸钙矿物质，水泥硬化后又重新生成氢氧化钠从而起催化剂的作用，据此Purdon提出了“碱激活”理论。
50年代，Glukhovsky提出了基于铝硅酸盐的碱激发反应概念模型，把地聚合反应分为三步：第一步，在强碱作用下铝硅酸盐溶解；第二步，硅氧四面体和铝氧四面体缩聚，体系凝胶化；第三步，凝胶结构聚合、重整，体系硬化[6]。
而地质聚合物的概念最早是由法国科学家Joseph Davidovits提出来的，1972年，Joseph Davidovits教授申请了地质聚合物历史上第一项用高岭土通过碱激发反应制备建筑板材的专利。随后他开始对地质聚合物内部结构进行细致的研究，并在随后的几年里申请了大量专利。
在1976年的国际理论和应用化学联合会（IUPAC）的大分子会议上，Joseph Davidovits教授提出对这类碱激发材料进行统一命名，当时确定的名称为聚铝硅酸盐（Polysialate，sialate是silicon-oxo-alumina的缩写）；1978年，Joseph Davidovits 教授第一次提出并采用了Geopolymer（地聚合物）这个词[7]。Geopolymer一词原意是指由地质合成作用或地球化学作用而形成的硅酸盐矿物聚合物[8]。
20世纪80年代，前苏联、西德、美国等也在此类胶凝材料的研制方面取得了不小的成果。已有的商品如德国TROLIT牌粘结剂、美国的PYRAMENT牌水泥、法国GEOPOLYMERAM牌陶瓷灯、芬兰的“F胶凝材料”等；90年代开始，日本也着手对这类胶凝材料的开发。
20世纪90年代后期，Van Jaarsveld和Van Deventer等致力于用矿渣、粉煤灰等工业固体废弃物制备新型地质聚合物及其应用的研究，包括固化有毒金属及其化合物等。他们也对利用16种天然硅酸盐矿物制备地质聚合物进行了研究，研究表明：架状和岛状结构的硅酸盐，尤其是由钙含量较高者制得的地质聚合物的抗压强度最大。且以粉煤灰为主要原料合成了7d抗压强度达58.6MPa的地质聚合物，并指出了粉煤灰中含有较高的CaO含量和含有部分超细颗粒是合成高性能地质聚合物的有利条件[9]。
地质聚合物在其三十多年发展历程中，经历了一个由初级到高级的发展过程。传统的地质聚合物是由经过700℃煅烧的高岭土得到的偏高岭土加入氢氧化钠或氢氧化钾溶液制备得的。后来随着科研者的不断努力探究，原料与激活剂的选择范围大大拓宽，硅铝原料的来源从高岭土扩展到火山浮石、粉煤灰、矿物废渣、烧粘土等4大类；碱激发剂方面除了氢氧化钠以外，碱金属的氢氧化物、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氟化物、硅酸盐和铝硅酸盐等都可以作为反应的激发剂，较大程度地丰富了碱激发剂的种类；同时增韧、增强添加物的选择范围也有所扩大[10]。
在过去的发展历程中，地质聚合物在世界范围内引起了广泛的关注，主要是因为与硅酸盐水泥的性能和生产相比，它具有能耗低、强度高、耐久性好等特点[11]。钢厂每年产生大量的矿渣，电厂每年排放大量的粉煤灰以及其他工业废物等，它们都需要找到新的利用方式，这也成为了推动地质聚合物发展的动力[12]。以美国为例，49%的电厂废弃物是通过填埋方式处理掉，41%排放到储灰池中，约10%回填到采石场。为了减少处置费用，有些电厂将废弃物就地堆放，这还不包括那些含有大量SO3的废物[13]。而且，钢铁行业每年也会产生大量的矿物废渣，不能得以合理利用。由此可以看出，利用工业废渣制备地质聚合物具有巨大的发展潜力。
1.1.2 地质聚合物的反应机理
由于地质聚合物的聚合反应涉及到很多方面的因素，其反应机理还是一个尚未
完全解决的问题，尤其是对不同体系及组成相对复杂的体系来说更是如此。目前针对不同体系具有代表性的地质聚合物反应机理模型有以下几个：
（1）以法国科学家Joseph Davidovits为代表的研究者提出了利用氢氧化钠或者氢氧化钾激发偏高岭土以制备地质聚合物的机理模型：偏高岭土等活性材料在高碱溶液中裂解成类似有机高分子单体的低聚硅氧四面体和铝氧四面体，这些低聚物在高碱的环境下发生聚合反应作用后，形成三维网状结构的无机高聚物。根据反应产物中硅铝比（Si/Al）之间的比例关系，可将地质聚合物分为三种类型：PS型（-Si-O-Al-）、PSDS型（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-）、PSS型（-Si-O-Al-O-Si-），基于此可将地质聚合物的分子式表达为：M n{-(SiO2)-AlO2-}n·mH2O，M为碱金属离子（Na+、K+等），n为聚合度，m为结合水量。
（2）曹德光等人研究提出了利用低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土以制备地质聚合物的反应机理：硅酸钠溶液低聚状态的硅氧四面体基团与偏高岭石中的活性铝氧层之间发生化合反应，即低聚合度的硅氧四面体基团与偏高岭土的铝氧层发生了“键和反应”。这里，低聚度硅氧四面体基团起到了一种“胶联”的键合作用，将偏高岭土的颗粒“粘联”在一起，从而形成一种网络状的三维空间结构产物。
（3）李化建等人的研究提出了利用改性硅酸钠作为成岩剂，研制煤矸石质硅铝胶凝材料的水化机理：包裹原理（硅凝胶、C-S-H凝胶以及铝硅酸盐之间的交织）及焊接原理（铝硅酸盐之间的缩聚）的综合。煤矸石质硅铝基凝胶材料的硬化成岩分为3个阶段，即成岩剂的水解和迁移，原位键合以及包裹胶结[10]。
（4）魏卫东等提出了碱激发粉煤灰胶凝材料的硬化机理模型。并指出碱激发胶凝材料的硬化机理和传统水泥的硬化机理不同，碱激发胶凝材料的硬化过程是碱性材料与火山灰质材料的反应过程，水主要起传质媒介作用。而水泥硬化过程是熟料矿物与水反应的过程，水是一种主要反应物。
1.1.3 地质聚合物的性能及应用领域
1. 地质聚合物的性能
地质聚合物是一种无机高聚物，真正意义上的“geopolymer”的聚合度应该在500～1000之间或者更高。地质聚合物材料的化学组成为铝硅酸盐，基体相呈半晶质至非晶质相，具有[SiO4]和[AlO4]四面体随机分布的三维网络结构。网络的基本结构单元为硅铝氧链（-Si-O-Al-O-）、硅铝硅氧链（-Si-O-Al-O-Si-O-）和硅铝二硅氧链（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-）等。这种结构主链由-Si-O-Al-、-Si-O-Si-组成，主链中由Al代替Si而造成的网络结构中电价不平衡，使得K+、Na+离子在网络结构中也变成受电价约束的非自由离子（牢笼结构）。这种无机聚合物的结构和具有三维网状结构的工程塑料有相似的结构，后者主要是碳碳主链，而前者则是硅氧铝主链，
从主链结构上看无机高聚物应该比工程塑料具有更加优异的性能。地质聚合物聚合后，其终产物表现出如下优异的性能：
（1）材料硬化快、强度高。采用改进工艺制备的地质聚合物材料，其抗压强度可达20～100MPa，具有更加广泛的应用范围[14]。
（2）耐酸碱腐蚀性优良。地质聚合物能经受住硫酸盐侵蚀，且在各种酸溶液、碱溶液、盐水以及各种有机溶剂中表现出了良好的稳定性，但在浓盐酸中稳定性较差[14]。
（3）渗透率比较低。如果用氯离子扩散系数对混凝土的抗渗性进行表征，其氯离子扩散系数是10-9cm2/s，与花岗岩的相近（10-10cm2/s）。因此，地质聚合物能长期经受辐射及水热作用而不老化[15]。
（4）低膨胀率和低收缩率。与硅酸盐水泥相比，地质聚合物材料的收缩率要低很多。钾铝硅酸盐聚合物在400℃下的收缩率为0.2%～1%，800℃下的收缩率为0.2%～2%。其线膨胀系数在0～1000℃则是（2.1～4.5）×10-6。
（5）低导热率和耐高温性。与有机高分子材料相比，地质聚合物耐高温，隔热效果好，而且不会燃烧，更不会在高温下分解放出有毒气体，地质聚合物材料的耐火度>1000℃，熔融温度达1050～1250℃，在高温下可以保持较高的结构性能，导热系数为0.24～0.38W/m·K。而且作为建材，可满足防火阻燃的要求。
（6）耐久性优良。地质聚合物与有机高分子相比，不老化，耐久性好；而与硅酸盐水泥相比，地质聚合物能经受住环境的影响，耐久性远远优于硅酸盐水泥；另外，还具有优良的抗氧化性能，抗碳化性能。
（7）生产工艺简单，能耗较低，比较环保。其生产过程无需烧制，也无需蒸气养护工序，材料的固化温度一般在常温至180℃，依靠各种物料之间的低温化学反应，即可使凝胶相固化，因而其生产能耗极低。
（8）原料来源广，成本低廉。地质聚合物主要原材料是地表广泛存在的低钙Si-Al质材料；碱激发剂主要采用水玻璃，以及NaOH或KOH溶液，次为碱金属碳酸盐（Na2CO3）、碱土金属氯化物（MgCl2，CaCl2）和Na2SiF6、（Na，K）3AlF6等。
（9）能有效地固定有毒金属离子。地质聚合物形成分子尺寸的牢笼微观结构，能将几乎所有有毒金属离子有效地固定在牢笼结构中；可用做核放射元素、重金属离子的固封材料，制成薄膜吸附材料等，也可用于废水处理。
（10）绿色环保。地质聚合物的成分接近于天然矿物，不像许多有机聚合物可能造成二次污染。与传统水泥相比，地质聚合物的制备工艺简单，不使用如生产硅酸盐水泥那样大量消耗资源和能源的“两磨一烧”工艺，因而低能耗，基本不排放二氧化碳，能有效减轻环境的负荷[16]。
2. 地质聚合物的应用领域
（1）汽车及航空工业
地质聚合物复合材料因其高温性能优良，且不会燃烧或在高温下释放有毒气体及烟雾。因此，被应用于航空飞行器的驾驶室或机舱等关键部位，提高飞行器的安全系数。
（2）非铁铸造及冶金
地质聚合物能经受1000～1200℃的高温而保持良好的结构性能，所以可以广泛应用于非铁铸造及冶金行业，J·Davidovits教授成功地利用人造矿物聚合物材料制作浇铸了铝制品。
（3）土木工程
地质聚合物快硬早强的性能，使其用于土木工程可以缩短脱模时间，加快模板周转，提高施工速度。地质聚合物具备的优良耐久性也为土木建筑带来了巨大的社会及经济效益。
（4）交通及抢修工程
地质聚合物快硬早强，20℃条件下4h强度能达15～20MPa，由地质聚合物抢修的公路或机场等，1h即可步行，4h即可通车，6h即可供飞机起飞或降落。
（5）塑料工业
地质聚合物材料可以制作塑料成型的模具，由地质聚合物制作的模具耐酸碱及各种侵蚀性介质，且具有较高的精度和表面光滑度，能满足高精度加工的要求。
（6）环保领域
地质聚合物材料聚合后的终产物具有牢笼型的结构，能有效的固定几乎所有重金属离子；地质聚合物因其优良的耐水热性能，在核废料长期的水热作用下能保持优良的结构性能，因而能固定核废料。地聚合物还可以用于处理矿山尾矿，作为矿山的表面盖层和基底垫层，包括刚性、半刚性及柔性低渗透性高强度盖（垫）层，以及地下截流墙、土坝内高强度低渗透心墙。
近年，地质聚合物的研究越来越受到人们的重视。人们将对其形成机理继续进行更系统的研究，同时人们也将致力于通过改变原料种类、配比及其制备工艺以获取性能更优性能的地质聚合物，这将使地质聚合物的应用更加广泛。
1.2 研究地质聚合物的意义及其存在的问题
1.2.1 地质聚合物的研究意义
人类制造和使用无机Si-Al质胶凝材料已有几千年的历史。早在远古时代，人们将粘土质材料与水拌合建造城墙、房屋等建筑物，当时人们仅凭借经验和感觉制备无机胶凝材料，而对其胶结、凝固的本质并不了解。而真正运用积累的理论知识并结合实践经验掌握无机Si-Al质胶凝材料制备技术和性能特点，并将其大规模推
广应用是在1824年发明硅酸盐水泥之后。
近年来，随着我国经济的迅猛发展、科技的快速进步，对硅酸盐水泥需求量急剧增加。然而水泥工业是高能耗、高资源消耗、高污染的不可持续发展的产业。水泥生产采用“两磨一烧”工艺，消耗大量不可再生的煤、天然气、石油等能源，其能耗约占世界总能耗的15%；同时，还消耗大量的石灰石、铁矿石和粘土等不可再生的自然资源，专家预测我国用于生产硅酸盐水泥的优质石灰石矿山资源在未来50～100年将消耗殆尽；另外，水泥生产过程中还排放巨大量的产生温室效应的二氧化碳，导致全球平均气温逐年上升。
另一方面，大量工业副产品的丢弃或利用不足也是一个严重的问题。以引人注目的粉煤灰和矿渣为例，我国水淬矿渣产量每年约8000万吨～1亿吨，粉煤灰产量已达2.0亿吨，这些副产品的堆放不仅加剧对环境的污染，也造成了能源和资源的巨大浪费。粉煤灰和矿渣一直被称为工业废渣，现在由于逐渐被利用起来，工业废渣的资源化已充分体现，并成为制备高性能混凝土必备的活性掺合料。许多像这样的工业废渣在建筑领域中得以应用。如果能最大限度利用它们作为活性掺合料，不仅能减轻对环境的污染，而且节约能源、降低成本，是实施可持续发展的必由之路。
利用矿渣和粉煤灰等工业固体废弃物通过碱激发剂制备出具有快硬、高强、耐候性强等诸多优点的生态化胶凝材料。走生态化胶凝材料的道路，是解决这些问题的最佳途径，也是实现循环经济和社会可持续发展的必然要求。
1.2.2 地质聚合物的研究中存在的问题
由高炉矿渣和粉煤灰组成的新型地质聚合物最为一种重要的碱激发多组分胶凝材料，近年来引起了人们的重视，在产品开发及其应用等方面取得了很大发展，但是，还有许多问题亟待解决。
（1）碱激发矿渣-粉煤灰体系存在的必要性和双活性组分的作用。多组分体系存在的意义在于两者缺一不可，或两者的作用相互叠加产生协同作用，或用一种物料来弥补另一种物料的不足，亦或用一组分“稀释”另一组分从而降低成本。迄今为止的文献对粉煤灰和矿渣双活性组分的协同作用方面研究不够深入。
（2）原材料问题。原材料种类直接影响产品性能。目前来看，人们对激发剂种类的影响的研究较多，而对原材料种类的研究很少。就矿渣而言，有酸性矿渣、碱性矿渣和中性矿渣；对粉煤灰而言，有高钙灰和低钙灰；不同的锅炉炉型，灰表现出的性质也不同：有煤粉炉粉煤灰、沸腾炉粉煤灰和循环流化床粉煤灰等；近年来，燃煤锅炉脱硫越来越引起重视，因此又有脱硫灰出现。灰的燃烧历史、化学成分、矿物组成、粒径分布以及由此而导致活性不同，碱激发胶凝材料的性能也有所不同。现有文献只是从研究个例或为数不多的因素出发，加上测试手段的差异，得
出不同的结果或是结论，有时难免会出现误差。因为不同的原料和激发剂品种的组合，体系的水化产物有时差别较大。
（3）养护工艺。从养护工艺来看，常见的养护方式有湿气养护、标准养护、干养护、常温养护、升温养护（蒸汽养护、压蒸养护）。初步研究结果表明，高碱度体系应湿气养护；钙矾石基体系应标准水养护。升温养护有助于强度发展，但不宜高于90℃。养护方式对体系的适应性直接影响胶凝材料的应用和产品定位。
（4）耐久性问题。许多学者通过试验认为：碱矿渣胶凝材料几乎不存在碱骨料反应。但是，长期以来水泥行业“谈碱色变”，因此，关于碱-矿渣-粉煤灰体系的碱骨料反应、抗硫酸盐性能、耐酸性能、耐高温性能、干收缩性能等以及碱矿渣胶凝材料常见的表面泛霜的问题进行有针对性的系统的研究势在必行。
1.3 本文的研究内容
资源消耗、二氧化碳排放和耐久性不良是普通硅酸盐水泥行业面临的三大问题。走生态化胶凝材料的道路是解决这些问题的最佳途径，也是循环经济和社会可持续发展的必然要求。进入20世纪90年代以来，人们在碱矿渣胶凝材料和地质聚合物的基础上，利用固体废弃物开发了一系列旨在改善生态环境、用于专门用途的胶凝材料。
本文重点研究矿渣和粉煤灰这两种来源最广、应用最广泛的工业废渣，以及氢氧化钠和水玻璃等碱性激发剂，详细探讨由不同掺加比例的高炉矿渣和粉煤灰在不同掺量的碱性激发剂激发的条件下所制得的新型地质聚合物，在不同水胶比，不同养护龄期等条件下所测得的抗压强度和抗折强度等一系列性能。从而探索矿渣和粉煤灰掺和比、水灰比、水玻璃及氢氧化钠用量等多种因素对新型地质聚合物的影响，从而为科学运用工业废渣制备环保的低能耗的性能良好的新型地质聚合物提供有力的科学依据。
2 试验
2.1 试验原材料
2.1.1矿渣微粉
1. 矿渣微粉的简介
“矿渣”的全称是“粒化高炉矿渣”，是钢厂冶炼生铁时产生的废渣。在高炉炼铁过程中，除了铁矿石和燃料（焦炭）之外，为降低冶炼温度，还要加入适当数量的石灰石和白云石作为助熔剂。它们在高炉内分解所得到的氧化钙、氧化镁、和铁矿石中的废矿、以及焦炭中的灰分相熔化，生成了以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，浮在铁水表面，定期从排渣口排出，经空气或水急冷处理，形成粒状颗粒物，这就是粒化高炉矿渣，简称矿渣。
矿渣是由矿渣熔浆经快速冷却固化而形成的细小颗粒，依所含成分不同，成白色或乳黄色等。它是一种具有很高潜在活性的玻璃体结构材料[17]。其化学成分主要是SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、MnO2等；含有95%以上的玻璃体和硅酸二钙、钙黄长石、硅灰石等矿物，与水泥成份接近。
矿渣的矿物组成及其活性与熔融矿渣的冷却条件有关。未经过淬水的矿渣，其矿物形态呈稳定形的结晶体，这些结晶体除少部分C2S尚有一些活性外，其它矿物基本上不具有活性。如果经果淬水急冷，由于液相粘度在很短的时间内很快增大，阻滞了晶体成长，形成了玻璃态结构，就使矿渣处于不稳定的状态。因而具有较大的潜在化学能。出渣温度愈高，冷却速度愈快，则矿渣玻璃化程度愈高，矿渣的潜在化学能愈大，活性也愈高。因此，经水淬急冷的高炉矿渣的活性比未经水淬的矿渣活性要高一些。
矿渣微粉具有潜在水硬性。矿渣中含有硅酸盐、铝酸盐及大量含钙的玻璃质（如C2S、CAS2、C2AS、C3A、C2F和CaSO4等），具有独立的水硬性，在CaO与CaSO4的激发作用下，遇到水就能硬化，通过细磨后，硬化过程大大加快。
矿渣是黑色冶金工业的主要固体废弃物，每生产一吨生铁，要排出0.3～1吨矿渣。2005年我国产钢3.49亿吨，冶炼废渣产生14619万吨，(其中钢渣约为5000万吨，高炉矿渣约9000万吨)，综合利用12848万吨，加上历年累积，总贮存量为2亿吨，占地3万亩，这些露天储存的冶炼废渣堆存侵占土地，污染毒化土壤、水体和大气，严重影响生态环境，造成明显或潜在的经济损失和资源浪费。据估算以每吨冶炼废渣堆存的经济损失14.25元计，每年造成经济损失28.5亿元。所以，冶炼废渣的无害化、资源化处理是我国乃至世界各国十分重视的焦点，也是我们推进循环经济的中心内容之一。
2. 利用矿渣制备地质聚合物的可行性研究
最初用来制备地质聚合物的原材料主要是煅烧高岭石，但是煅烧高岭石需要消耗大量的能源，并且释放出大量的二氧化碳，既不经济又不环保。人们通过对地质聚合物进行大量的研究发现，不仅仅是煅烧高岭石可以制备地质聚合物。然而，原材料对地质聚合物的影响很大。如原材料的矿物化学成分、矿物组成、硅铝比（Si/Al）、氧化钙含量、激发剂种类等都对制备出的地质聚合物的性能有很大的影响。Hua xu等对16种铝硅酸盐材料进行分析表明：溶液中硅的浓度、碱的类型、矿物中氧化钾的含量这三种因素占总影响性的95%。溶液中硅的浓度越大，制备出的地质聚合物的强度就越高。而溶液中硅的浓度，很大程度上取决于原材料中硅氧四面体的结构。所以，原材料中的硅氧四面体结构在很大程度上影响着地质聚合物的性能。
矿渣的主要成分为硅酸钙（镁）和铝硅酸钙（镁）的熔融体，矿物组成主要是黄长石和辉石。其化学成分主要为SiO2、Al2O3和CaO，而且含有的玻璃体较多。而原料中的结晶相和玻璃相在很大程度上影响着原材料的活性，其中结晶相表现为惰性，玻璃相表现为活性。因此，从矿渣的化学组成和矿物组成来看，矿渣具有一定的潜在活性。
但仅从矿渣的化学组成、玻璃体含量多少并不能确切的判断其活性的大小，玻璃网络体聚合度的大小也是很重要的，一般来说，聚合度越小，水硬活性越高。陈筱岚分析了8种矿渣，它们全部可溶解于三甲硅烷基试剂，气相色谱测定出[SiO4]四面体聚合度变化在1～4的SiO2占整个的50%～70%，余下的部分为聚合度高于4但仍可溶解的组分。同时，通过核磁共振分析也证明了矿渣中的[SiO4]四面体聚合度比较高。因此，把矿渣中的[SiO4]四面体结构裂解，所需的能量较小，通过添加一定量的激发剂就可以激发出矿渣潜在的活性。这也就奠定了利用矿渣制备地质聚合物的理论基础，换句话说，利用矿渣制备地质聚合物从理论上讲是可行的。
3. 利用矿渣制备地质聚合物的反应机理研究
对于地质聚合物的形成机理，法国科学家J·Davidovits 以偏高岭土为原料，以氢氧化钠或者氢氧化钾为激发剂为例进行了说明，并认为偏高岭土和无定形SiO2首先在强碱作用下发生Si-O和Al-O共价键断裂，张书政等认为此时在水溶液中生成硅酸和氢氧化铝的混合溶液，溶胶颗粒之间部分脱水缩合生成正铝酸盐，而正铝酸盐分子上的羟基在碱性条件下很不稳定，形成氢键以后进一步脱水缩合形成聚硅铝氧大分子链。韩要从等人在研究硅铝酸盐合成4A沸石分子筛的过程中发现，当聚合反应晶化程度非常低时，就可生成地质聚合物。杨南如等通过研究矿渣在水玻璃和氢氧化钠作用下，[SiO4]聚合态的变化，表明：矿渣经OH-作用，是硅酸根离子解聚-聚合的过程，既有硅酸根离子的缩聚反应，又有硅酸根离子的解聚反应，但
以缩聚反应为主。由于硅酸钠水玻璃溶液中含有大量[SiO2(OH)2]2-离子存在，大大加快了硅酸根离子的缩聚反应速度。
聂轶苗等人通过XRD、IR、SEM、NMR等测试分析研究表明：地质聚合物的原料在碱性条件下溶解而释放出水合硅、铝离子，这些离子通过水解而形成硅、铝氢氧离子，如[Al(OH)4]-、[SiO(OH)3]-、[SiO2(OH)2]2-等。这些离子间相互发生缩聚反应而形成离子团，这些离子团进一步缩聚形成网络结构，随着网络结构的不断扩大而导致材料凝固，直至最终硬化成为地质聚合物材料[18]。
本论文所涉及到的试验中所用矿渣为唐山市鑫研建材有限公司生产的成品，可以直接用于试验研究，其化学成分见表2-1。
表2-1 矿渣的化学成分
原料SiO2Al2O3CaO MgO Fe2O3FeO TiO2烧失量矿渣31.85 16.69 35.50 9.52 0.16 0.76 0.64 0.25
2.1.2 粉煤灰
1. 粉煤灰的简介
粉煤灰是我国目前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系，则会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物产生危害。
粉煤灰，是煤燃烧后从烟气中捕集下来的细灰。煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧，燃煤中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，而煤粉中的不燃物（主要为灰分）大量混杂在高温烟气中。这些不燃物因受到高温作用而部分熔融，同时由于其表面张力的作用，形成大量细小的球形颗粒。在锅炉尾部引风机的抽气作用下，含有大量灰分的烟气流向炉尾。随着烟气温度的降低，一部分熔融的细粒因受到一定程度的急冷呈玻璃体状态，从而具有较高的潜在活性。在引风机将烟气排入大气之前，上述这些细小的球形颗粒，经过除尘器，被分离、收集，即为粉煤灰。
粉煤灰的主要来源是以煤粉为燃料的火电厂和城市集中供热锅炉，其中90%以上为湿排灰，活性较干灰低，且费水费电，污染环境，也不利于综合利用。为了更好地保护环境并有利于粉煤灰的综合利用，考虑到除尘和干灰输送技术的成熟，干灰收集已成为今后粉煤灰收集的发展趋势。
我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。近年来，我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率为7.3%，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，1995年粉煤灰排放量达1.25亿吨，2000年约为1.5亿吨，到2010年将达到3亿吨，给我国的国民经济建
设及生态环境造成巨大的压力。另一方面，我国又是一个人均占有资源储量有限的国家，粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国电力生产环境污染，资源缺乏之间矛盾的重要手段，也是电力生产所面临解决的任务之一。经过开发，粉煤灰在建工、建材、水利等各部门得到广泛的应用。
20世纪70年代，世界性能源危机，环境污染以及矿物资源的枯竭等强烈地激发了粉煤灰利用的研究和开发，多次召开国际性粉煤灰会议，研究工作日趋深入，应用方面也有了长足的进步。粉煤灰成为国际市场上引人注目的资源丰富、价格低廉，兴利除害的新兴建材原料和化工产品的原料，受到人们的青睐。目前，对粉煤灰的研究工作大都由理论研究转向应用研究，特别是着重要资源化研究和开发利用。利用粉煤灰生产的产品在不断增加，技术在不断更新。国内外粉煤灰综合利用工作与过去相比较，发生了重大的变化，主要表现为：粉煤灰治理的指导思想已从过去的单纯环境角度转变为综合治理、资源化利用；粉煤灰综合利用的途径以从过去的路基、填方、混凝土掺和料、土壤改造等方面的应用外，发展到目前的在水泥原料、水泥混合材、大型水利枢纽工程、泵送混凝土、大体积混凝土制品、高级填料等高级化利用途径。
2. 粉煤灰的利用
目前，粉煤灰主要用来生产粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰加气混凝土及其他建筑材料，还可用作农业肥料和土壤改良剂，回收工业原料和作环境材料。
粉煤灰在水泥工业和混凝土工程中的应用：粉煤灰代替粘土原料生产水泥；粉煤灰作水泥混合材；粉煤灰生产低温合成水泥；粉煤灰制作无熟料水泥，包括石灰粉煤灰水泥和纯粉煤灰水泥；粉煤灰作砂浆或混凝土的掺和料。
粉煤灰在建筑制品中的应用：蒸制粉煤灰砖；烧结粉煤灰砖；蒸压生产泡沫粉煤灰保温砖；粉煤灰硅酸盐砌块；粉煤灰加气混凝土；粉煤灰陶粒；粉煤灰轻质耐热保温砖。
粉煤灰作农业肥料和土壤改良剂：粉煤灰具有良好的物理化学性质，能广泛应用于改造重粘土、生土、酸性土和盐碱土，弥补其酸瘦板粘的缺陷，粉煤灰中含有大量枸溶性硅钙镁磷等农作物所必需的营养元素，故可作农业肥料用。
回收工业原料：回收煤炭资源；回收金属物质粉煤灰中含有Fe2O3、Al2O3、和大量稀有金属；分选空心微珠，可以用于塑料的理想填料，用于轻质耐火材料和高效保温材料，用于石油化学工业，用于军工领域，坦克刹车。
作环保材料：利用粉煤灰可制造分子筛、絮凝剂和吸附材料等环保材料；粉煤灰还可用于处理含氟废水、电镀废水与含重金属例子废水和含油废水等。
粉煤灰是一种放错地方的资源，粉煤灰可用作水泥、砂浆、混凝土的掺合料，并成为水泥、混凝土的组分，粉煤灰作为原料代替黏土生产水泥熟料的原料、制造烧结砖、蒸压加气混凝土、泡沫混凝土、空心砌砖、烧结或非烧结陶粒，铺筑道路；构筑坝体，建设港口，农田坑洼低地、煤矿塌陷区及矿井的回填；也可以从中分选漂珠、微珠、铁精粉、碳、铝等有用物质，其中漂珠、微珠可分别用作保温材料、耐火材料、塑料、橡胶填料。
本论文所涉及到的试验中所用粉煤灰为唐山市建设集团有限公司生产的产品，可以直接用于试验研究，其化学成分见表2-2。
表2-2粉煤灰的化学成分
原料SiO2Al2O3CaO MgO Fe2O3FeO TiO2烧失量粉煤灰46.90 38.63 4.39 0.80 3.62 1.56 1.30 1.21
2.1.3 碱性激发剂
1. 引言
通常使用苛性碱和碱性的盐来作为碱性激发剂。Glukhovsky et al（1980）根据化学组成将碱性激发剂分成六类：
（1）苛性碱：MOH；
（2）非硅酸盐的弱酸盐：M2CO3、M2SO3、M3PO4、MF等；
（3）硅酸盐：M2O·nSiO2；
（4）铝酸盐：M2O·nAl2O3；
（5）铝硅酸盐；M2O·nAl2O3·nSiO2；
（6）非硅酸盐的强酸盐：M2SO4。
这些激发剂中，NaOH、Na2CO3、Na2O·nSiO2、Na2SO4最为容易获得和最经济。一些钾化合物也在实验室里做研究用过，但是因为它们不易于获得、价格较贵，因而限制了其应用，且钾和钠化合物的特性是非常相近的，因而本文主要选择NaOH 以及Na2O·nSiO2作为碱性激发剂来进行相关的试验研究。
2. 苛性钠
苛性钠是化学工业的龙头产品之一，其他的龙头产品还有苏打粉和硫酸，几乎没有那种化学制品在其生产过程中不需要者三个龙头产品之一或者更多，而且几乎没有一个工业产品生产时不需要苛性钠的。工业用的苛性钠是通过电解氯化钠来获得的。除了液态产品外，有片状、块状、珠状和粉状等四种固态的苛性钠。块状的苛性钠是将熔融的苛性钠通过冷的压片滚筒而得到的厚度均匀的片状物。珠状苛性钠是在严格控制的操作条件下，将熔融的苛性钠注入成球塔中得到的尺寸均匀的珠
状颗粒。这些不同形态的苛性钠，颗粒尺寸不同，但化学组成是相同的。本论文所涉及的试验中使用的是珠状苛性钠。
苛性钠可以用来加速水泥的水化，但是会导致7~14d的强度下降。一般使用时都必须先将无水苛性钠溶解成溶液，因为在配制成溶液时会产生大量的热，加入到水泥混凝土中时，应非常谨慎小心。
本论文所涉及到的试验中采用的氢氧化钠是由天津市津科精细化工研究所生产的，呈现白色均匀粒状或片状，分析纯。
3. 硅酸钠
硅酸钠是Na2O·nSiO2的统称，n为模数。从理论上说，n可以是任意一个数，不同模数硅酸钠的特性是不一样的，它们的工业应用也可能完全不一样。市售的液体硅酸钠的模数n通常在1.60～3.85之间，在此范围之外的液体硅酸钠是不稳定的，也没有实用价值。
硅酸钠是有Van Helmont在1640年首次发现，他将过量的碱与硅混合放在潮湿的地方时得到一种液体。Johann在1818年实验验证了这一发现，他将硅溶解在苛性碱中得到了具有和玻璃一样特性的液体，故称之为水玻璃（Vail 1928）。经过进一步研究之后，他建议将水玻璃用作胶水、油漆、水泥、洗涤剂、天然和人造石的硬化剂等，但是当时没有引起太大的反响，直到1887年英国W·Gossage﹠Sons公司展出了含30%、20°波美度的水玻璃的肥皂时，水玻璃才被众人认知。
硅酸钠玻璃是将石英砂和碳酸钠在1350℃～1450℃温度之间熔融得到的。它的化学组成是Na2O·nSiO2，其中n是SiO2和Na2O的比例，称为模数，将玻璃在压蒸釜中于140℃～160℃和适当的蒸汽压下溶解就得到了水玻璃。理论上来讲，SiO2和Na2O可以以任意比例结合，但是由于常温下高模数的水玻璃溶解度很小，低模数的水玻璃稳定性很差，硅酸钠玻璃生产的水玻璃的模数通常不大于4。
目前，世界上大多数生产厂家使用喷雾干燥法来除去压蒸后水玻璃溶液中多余的水。在喷雾干燥时，溶液中硅酸根离子几乎不变化。最近研制出一种微波干燥法，据报道采用微波法干燥的硅酸盐钠溶解速度要比通常的喷雾法干燥的硅酸盐的溶解速度快。一种新的制造水合硅酸钠和水泥硅酸钾的方法也已见报道.
通常在高模数的水玻璃中加入氢氧化钠来生产低模数的水玻璃。当浓度和模数相同时，调配的水玻璃溶液中的硅酸根离子的种类和浓度与直接从高压釜中生产的是不一样的。Korneev and Bykov（2000）提出了一种生产模数大于1的无定形水化硅酸碱的方法，在此方法中，将磨细的硅酸钠玻璃溶解后，用含水的有机溶剂从中萃取水化硅酸钠，用此法可直接生产所需模数和浓度的水玻璃。
本文所用到的水玻璃的模数为2.3，固含量为50%，密度为1.43kg/m3。
4. 水玻璃模数的调整
水玻璃是一种优良的胶凝材料，用途很广。模数及比重是控制水玻璃质量的两个重要指标。当水玻璃模数及比重不符合要求时，可在现场进行调整。如要提高模数，可向水玻璃中加入硅胶、盐酸及非晶形天然二氧化硅。反之，如要降低模数，则需加入氢氧化钠。
本文所用到的水玻璃的模数为2.3，固含量为50%，二氧化硅含量为26%，密度为1.43kg/m3。经过研究相关文献发现，模数在1.0～1.5时，性能最好。因此，本论文欲将水玻璃的模数调整为1，通过进行相关计算，需加入22.77%的氢氧化钠，即如若制备100克模数为1的水玻璃，需在78.23g模数为2.3的水玻璃中加入22.77克的氢氧化钠。
2.1.4 其它原材料
1. 标准砂
本论文所涉及到的试验中所使用的标准砂是由厦门艾思欧标准砂有限公司按照GB/17671-1999生产的，每袋净含量为1350±5g。
2. 水
本论文所涉及到的试验中用到的水全部为自来水。
2.2 试验方案
2.2.1 试验方法
在工农业的生产和科学试验中，为了改革旧工艺，寻求最优生产条件，经常要做许多的试验，但是影响这些试验结果的因素有很多，我们把含有两个因素以上的试验称为多因素试验。多因素试验由于考虑的因素较多，当每个因素的水平数又较大时，若进行比较全面试验，试验的次数将会更大。因此，对于多因素试验来说，存在一个如何安排好试验的问题。正交试验设计方法是一种研究和处理多因素试验的科学方法，它利用一套现存的规格化的表——正交表，来安排试验，通过尽可能少量的试验，获得比较满意的试验结果。
本试验利用上述介绍的原材料，通过正交试验设计，改变高炉矿渣和粉煤灰的掺和比，以及碱激发剂的掺量来制备新型地质聚合物，同时，对其它物理性能进行测定，以寻找出最佳的配制方案。
Tang（1994）等应用正交设计试验研究了矿渣/粉煤灰比，水灰比和碱激发剂（氢氧化钠和水玻璃）的用量对碱激发矿渣-粉煤灰系统强度的影响，按这些因素对这类胶凝材料强度影响的大小程度排序：矿渣/粉煤灰比>水灰比>水玻璃用量>氢氧化钠用量。
1977年，Smith and Osborne 首先对碱激发矿渣-粉煤灰系统进行了相关的研究，由60%矿渣和40%粉煤灰以及7%的氢氧化钠（相对于矿渣和粉煤灰的总质量）组成的组合表现出很好的早期强度，但28天以后的强度增长很慢。1988年，Dai and cheng应用正交设计试验方法对氢氧化钠-高炉矿渣-粉煤灰-水玻璃系统进行了相关的研究，其中碱激发剂5%～11%，高炉矿渣45%～60%，粉煤灰35%～60%，并得出水玻璃激发的系统强度要比氢氧化钠激发的系统要高很多的结论。
Krivenko and Ryabova（1990）和Krivenko （1992a）给出了由55%～95%的粉煤灰和5%～40%的矿渣的碱激发粉煤灰-矿渣系统的研究结果，其中所用到的矿渣包括高炉矿渣、转炉矿渣和冲天矿渣。若混合物的碱度小于0.7，则需加入少量石灰和水泥熟料。所用到的激发剂包括偏硅酸钠、碳酸钠、氢氧化钠和苏打-碱的熔融物等。该胶凝材料的28d强度为18～90MPa，一年强度可达120MPa。
彭家惠等采用加入合适的碱激发剂、复合早强减水剂、掺加晶种等方法制备出225粉煤灰-矿渣无熟料水泥（简称FSC）。随着矿渣掺量的增加，胶结材料的凝结时间缩短，7d、28d强度增加，特别是7d强度增加的幅度较大，当矿渣的掺量达到30%时，7d强度增长了近一倍，28d强度增长了约35%。表明矿渣的水化确实对粉煤灰的水化有促进作用。但矿渣的掺量超过30%后，强度增加作用趋缓[19]。
尚建丽等以矿渣和粉煤灰为原材料，以硅酸钠和氢氧化钠作为碱性激发剂，制备出矿渣-粉煤灰基地质聚合物，测试了不同配合比下矿渣-粉煤灰基地质聚合物的7 d、14 d 和28 d 的抗压强度。试验结果显示：当水胶比为0.3，氢氧化钠和硅酸钠质量比为0.63，矿渣与粉煤灰质量比为2，标准条件下养护，矿渣-粉煤灰基地质聚合物的7 d、14 d 和28 d 龄期的抗压强度分别可以达到57.0 MPa、69.0 MPa 和84.3 MPa[20]。
范飞林等以矿渣和粉煤灰为原材料，以硅酸钠和氢氧化钠为碱性激发剂，制备出矿渣-粉煤灰基地质聚合物，测试了不同配合比的矿渣-粉煤灰基地质聚合物7d、14 d和28 d 的抗压强度，并且分析了水胶比对和易性和抗压强度的影响，探讨了抗压强度的增长规律。试验结果表明：制备的矿渣-粉煤灰基地质聚合物抗压强度较高，和易性良好，凝结硬化较快，强度特性也比较稳定；当水胶比为0.26，砂率为0.40，氢氧化钠和硅酸钠质量比为0.29，碱溶液浓度为56%时，标准条件下养护，7d、14 d 和28 d 龄期的抗压强度可以分别达到40.4MPa、50.3 MPa 和60.2 MPa；随着水胶比的增大，和易性不断增强，抗压强度先增加，后减小；随着养护龄期的延长，抗压强度不断增长，但增速降低。
水玻璃是一种比较复杂的强碱弱酸盐胶体溶液，它能与物质发生相当复杂的物理化学反应。因此，模数是影响地质聚合物性能的一个主要因素，经实验分析，水玻璃模数在1. 0～1. 5之间时地质聚合物性能最好。侯云芬等研究了不同模数和不
同固含量(固相与水的质量比)的水玻璃对粉煤灰基地质聚合物抗压强度的影响。试验结果表明：当水玻璃模数小于 1.4 时，样品的抗压强度较高，最高抗压强度达到42.1MPa；，但是当模数超过1.4以后，抗压强度就会降低，并且当模数大于2.0以后，抗压强度明显降低，如当水玻璃模数为2.5时样品的抗压强度不足5MPa。同时随着水玻璃含固量的增大，粉煤灰基矿物聚合物的抗压强度提高；当水玻璃固含量为32%时，地质聚合物的抗压强度达到最大值，随这水玻璃含固量继续提高，其抗压强度就会降低。在常温标准条件下养护，用模数为1并且含固量为32%的水玻璃制得抗压强度为38.5 MPa的粉煤灰基地质聚合物。
参考以上文献资料的研究结果，本论文配料方案参见表2-3。
表2-3配料方案
试验编号矿渣% 粉煤灰% 碱激发剂%
1-A
50 50 9
1-B 12 1-C 15 1-D 18
2-A
60 40 9
2-B 12 2-C 15 2-D 18
3-A
70 30 9
3-B 12 3-C 15 3-D 18
4-A
80 20 9
4-B 12
4-C 15
4-D 18 注：碱激发剂的加入比例是按矿渣和粉煤灰总质量的百分数添加的。
2.2.2 水泥胶砂强度的测定
水泥强度是指水泥试体在单位面积上所能承受的外力，它是水泥的主要性能指标。水泥又是混凝土重要胶结材料，故水泥强度也是水泥胶结力的体现，是混凝土强度的主要来源。用不同方法检验，水泥强度值也不同。水泥强度是水泥质量分级标准和水泥标号划分的依据。
流变学在聚合物研究中的应用 概述 高分子熔体的流变行为是由其长链分子的拓扑结构决定的。当高分子主链上引入一定数量和长度的支链后，其粘弹性质与线形高分子会有明显不同。长链支化聚合物剪切条件下会表现出与线形高分子类似的应变软化，但由于支链的限制将有更长的末端松弛时间 ,并在拉伸条件下表现出与线形高分子完全不同的应变硬化松弛过程。支化对聚合物粘弹性质的影响，无论对工业界还是科学研究都是一个十分重要和基础的课题。近年来的一系列研究表明：一方面通过引入相同或相似结构单元的长支链可以明显提高聚合物的熔体强度(这对于熔融纺丝、吹膜等熔体拉伸加工过程是十分有利的)；另一方面也可以通过含有特征官能团支链的引入对聚合物进行改性，提高其光学、热学和力学性能。目前，随着控制聚合反应和机理研究的进一步深入，人们已能够直接得到各种具有明确拓扑结构的支化聚合物 ,如梳形[1]、星形、 H形聚合物[2]等 ,这对支化聚合物流变学的深入研究与探索起了极大的推动作用。 与线形高分子不同 ,支化高分子熔体是热流变复杂的 ,其流变学特性主要表现在: (1)支化减小了高分子的流体力学体积 ,降低了零切粘度 ,支链松弛过程的加入使得整个高分子的末端松弛时间延长; (2)长链支化聚合物在拉伸过程中会表现出明显的应变硬化 ,并使得时 - 温叠加原理不再有效; (3)支化高分子的拓扑结构对其整个松弛过程有显著的影响 ,支化密度和支链长度存在临界值 ,超过此临界值 ,支链松弛过程将会清晰地反映在动态粘弹谱上; (4)支化聚合物流变行为的温度依赖性是复杂的 ,多数支化聚合物的流变行为比相应线形聚合物有更强的温度依赖性 ,但也有一些支化聚合物和其相应线形高分子具有同样的温度依赖性 ,如聚异丁烯。 本文简介流变学在不同聚合物研究中的应用，并对流变学的发展方向做了展望。 1、流变学在聚乙烯研究中的应用 聚乙烯基本分为三大类,即低密度聚乙烯(LDPE)!高密度聚乙烯(HDPE)和线型低密度聚乙烯(LLDPE)，三种聚乙烯分子结构见图如下
聚合物阻垢剂研究进展* 朱亿杨天祥李宏 摘要：聚合物阻垢剂在水处理中良好的性能使其成为研究的重点。本文从聚合物的官能团的角度概述了不同官能团在防垢过程中的作用特点,以官能团的种类对聚合物阻垢剂进行了大致的分类及指出了每类阻垢剂的优缺点，并介绍了目前绿色阻垢剂的发展及天然高分子聚合物阻垢剂的改性研究进展，以及对聚合物阻垢剂的发展予以展望。 关键词：聚合物;阻垢剂;官能团;展望 Research progress in the scale inhibitors of different functional groups* Abstract:The good perfoermance of the polymeric scale inhibitors in watertreatment to make it become the focus of research. This paper, from the angle of the functional groups of the polymer,intruduced the effect characteristics of antiscale on the differengt functional groups, slao have classified polymeric scale inhibitors accrording to the diffirent groups, pointed out the advantages and disadvantages of each type of scale inhibitors, and reviewed the development of the environment-friendly polymeric scale inhibitors and the modified natural polymer scale inhibitors. The development of polymeric scale inhibitors is proposed. Key words: polymer; scale inhibitors; functional groups; expectation 聚合物类的阻垢剂可分为天然型聚合物和合成型聚合物，其作用主要归结为聚合物中的官能团，不同的功能性具有不同的功效。而官能团可以通过不饱和化合物的特征反应（聚合、加成、取代、加聚、缩聚及酯化等反应）来引入聚合物分子中。新合成的聚合物中同时拥有两个、三个或多个功能性官能团[1]，这样的合成型新型共聚物会比兼有分散、增溶、凝聚、静电斥力及缓蚀等多种功能，同时能对多种物质具有阻垢能力，最主要的是此类阻垢剂能满足较为复杂的水质条件、适应于众多的行业要求。再加上环保问题的日益重视，因此，拥有多种官能团具有多种功效的绿色聚合物阻垢剂成为关注的焦点。 1．基础性功能基团的阻垢特性 基础性功能基团担负起阻垢剂的主要功能，下面介绍一些常见的基础性功能性基团：羟基、酯基、羧基、膦酸基、磺酸基官能团在防垢中所具有的不同功能。
剩磁、矫顽力升高,内禀矫顽力略为下降;但在含相同体积分数磁粉情况下,磁性高分子粘结钕铁硼的磁性能比非磁性的高分子粘结钕铁硼的磁性能高,温度稳定性却相差无几。 （2）单体聚合法 将磁性粒子均匀分散到含有单体的溶液或乳液中,利用引发剂引发单体进行聚合反应,即可得到内部包有一定量磁性微粒的高分子微球。该法得到的高分子微球粒径较大,而且磁响应性强。迄今为止,单体聚合法合成磁性微球的方法主要有：悬浮聚合[20, 21]、分散聚合[22, 23] 、乳液聚合[24]（包括乳液聚合、种子聚合）等。单 体聚合法成功的关键在于确保单体的聚合反应在磁性粒子表面顺利进行。由于磁性粒子是亲水性的,所以亲水性单体（如多糖化合物）容易在磁性粒子表面进行聚合,而对于亲油性单体（如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯）,聚合反应难以在磁性微粒表面进行。因此需要对磁性微粒进行预处理或适当改变聚合体系的有机相组成。 刘学涌等人[25]通过苯乙烯与聚氧乙烯大分子单体(MPEO)的分散共聚制备了亲水亲油的磁性高分子微球,研究了聚氧乙烯大分子单体对微球粒径的影响,并用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征了磁性微球的粒径、表面形貌以及表面粗糙度,用傅立叶红外光谱(FTIR)鉴定了共聚物的结构。 罗正平等人[26]以Fe3O4为核,采用分散聚合法合成了粒径为0.5~2.0μm、单分散性好、磁性物质含量可达10％的PSt、P(St／MAA)磁性高分子微球。同时讨论了温度、引发剂、分散介质、稳定剂等因素对反应的影响,并对所得磁性微球的表观形态、磁响应性进行了表征。 Michael A.McDonald等人[27]合成了内核含钆元素的磁性高分子微球,并用于超声波或磁共振成像的造影剂,收到了很好的效果。同时,该微球在医学上也有广泛的应用,如中子捕获疗法等。 （3）化学液相沉积法 把一定浓度的金属阳离子渗透和交换到大孔树脂中去,然后利用化学反应使金属离子转化为磁性金属氧化物,使之均匀分布在聚合物的孔结构中。将渗透和转化步骤反复进行,即可制成磁性高分子微球。 该法的步骤如下[28]：把多孔渗水的聚合物粒子浸泡在磁性金属盐的前驱体溶液中,然后用稀释的氢氧化钠溶液中和,使金属盐转变为磁性粒子并吸附到聚合物的孔隙中。聚合物粒子包括二乙烯基苯交联的聚苯乙烯、磺化或胺化交联的聚苯乙烯等,而被沉积的可以是铁、钴、镍的氧化物或其与碱金属、稀土金属的复合氧化物等。重复溶胀和中和的步骤可以调节微球中的磁性物质含量。 Emur等[29]报道采用类似的方法制得了粒径为100~250μm的磁性高分子微球,并指出搅拌速率和Fe3O4／chitosan质量比是影响微球粒径的主要因素。 另外有文献报道[30],先把聚合物硝化,然后在酸的存在下,用硝酸将金属氧化成金属氧化物,使磁性微粒沉积在聚合物表面。硝化的聚合物可以用三硝基苯磺酸盐或二硝基氟苯与氨基功能化的丙烯酸或蛋白质反应制得,被沉积的可以是铁或镍的氧化物等。 4 磁性聚合物的应用 磁性聚合物同时具有磁性和良好的加工性能,因而在许多领域具有广泛的应用。 4.1医学、诊断学领域的应用
碱激发地质聚合物的研究进展 指导老师： 学生姓名： 专业班级：材料工程801 摘要 碱激发胶凝材料是近年来发展的新型胶凝材料．许多固体废弃物均可作为它的原料．这将为充分利用工业固体废弃物开辟一条新的途径。本文主要介绍了碱激发胶凝材料的制备、应用及研究现状。从国内、国外两方面了介绍了碱激发胶凝材料的发展现状及理论科研成果。阐述了碱激发地质聚合物胶凝材料的优点，同时指出在该领域中存在的问题以及对未来的展望。 关键词：碱激发，地质聚合物，胶凝材料
Research progress on Alkali stimulate geological polymer Name: Longtao chen Instructor : Xiping lei Abstract Alkali stimulate cementitious material is the recent development of new cementious material. Many solid waste could be used as its raw material. It will to make full use of industrial solid wastes opened up a new way. This article mainly introduced the alkali stimulate cementitious material preparation, application and research actuality. Both from domestic and overseas are introduced alkali stimulate cementitious material development present situation and the theory of scientific research. Expounds the alkali stimulate geological polymer cementitious material advantages, in this field is also pointed out the existing problems and outlook for the future. Keywords: alkali inspired, geological polymer, gelled material
配位聚合物在光电磁材料中的应用 姓名：吴娜学号：10207010 摘要：配位聚合物由于其特殊的结构及其在光电磁等方面优异的性能引起了科学家的广泛关注。本文综述了金属有机化合物在光电磁材料中的应用，并对新型多功能材料在设计、合成与应用方面的广阔前景作了展望。 关键词：配位聚合物；多功能材料；非线性光学；材料化学 引言： 配位聚合物(coordination polymers)或金属-有机框架(metal-organic frameworks,简称MOFs)是指利用金属离子与有机桥联配体通过配位键合作用而形成的一类具有一维，二维或三维无限网络结构的配位化合物[1]。近年来，配位聚合物作为一种新型的功能化分子材料以其良好的结构可裁性和易功能化的特性引起了研究者浓厚的兴趣。配合物有无机的金属离子和有机配体，因此它兼有无机和有机化合物的特性，而且还有可能出现无机化合物和有机化合物均没有的新性质。配位聚合物分子材料的设计合成、结构及性能研究是近年来十分活跃的研究领域之一，它跨越了无机化学、配位化学、有机化学、物理化学、超分子化学、材料化学、生物化学、晶体工程学和拓扑学等多个学科领域，它的研究对于发展合成化学、结构化学和材料化学的基本概念及基础理论具有重要的学术意义，同时对开发新型高性能的功能分子材料具有重要的应用价值[2-7]。并对分子器件和分子机器的发展起着至关重要的作用。配位聚合物在新的分子材料中将发挥重要的作用。配位化学理论在材料的分子设计中也将起着重要的指导作用。 材料按其性能特征和用途大致可划分为结构材料和功能材料两大类。功能材料种类繁多，功能各异，其共同的特点和发展趋势是：(1) 性能优异；(2)分子化；(3)巨大的应用前景。金属有机光电磁材料综合了这几方面特点，将发展成为新一代材料，其结构和性能决定了它的应用越来越广泛。以下是金属有机化合物分别在光电磁材料中的应用。 1 配位聚合物在光学材料中的应用 配位聚合物的光学性质研究主要集中在光致发光、电致发光以及非线性光学等方面[8]。 1.1光致发光和电致发光材料 当外界光照射到某些物质的时候，这些物质会发射出各种波长和不同强度的可见光，而当外界光停止照射时，这种发射光也随之消失，我们称这种发光现象叫光致发光( PL)；当
聚合物改性混凝土研究进展 摘要：介绍了聚合物改性混凝土的种类、改性机理和研究现状，并对其应用前景作了展望。和普通混凝土相比，聚合物改性混凝土有良好的性能：高的抗折、抗拉强度、好的柔韧性，高的密实度和抗渗性等，当前聚合物改性混凝土主要有 3 种, 即: 聚合物浸渍混凝土, 聚合物混凝土, 聚合物改性混凝土。聚合物改性混凝土学科的发展前景广阔。 关键词：聚合物改性混凝土；种类；改性机理；研究现状；前景 0 引言 聚合物改性混凝土是指一类聚合物与混凝土复合的材料，是用有机高分子材料来代替或改善水泥胶凝材料所得到的高强、高质混凝土。聚合物改性混凝土的发展已有多年历史，并得到了越来越广泛的应用。目前，聚合物改性混凝土的性能已经得到广泛认可。普通混凝土虽然抗压强度高，但也存在着较多缺点，比如抗拉和抗折强度较低，干燥收缩大，脆性大。在水泥混凝土中加入少量有机高分子聚合物，可以使混凝土获得高密实度，改变混凝土的脆性，拓宽了混凝土的使用领域，能带来较大的社会效益及经济效益[1]。 1 聚合物改性混凝土的分类 聚合物改性混凝土按照制备方式，可分为聚合物浸渍水泥混凝土（PIC），聚合物胶结混凝土（PC）和聚合物水泥混凝土（PCC）三种。 1.1 聚合物浸渍混凝土 聚合物浸渍混凝土（PIC）是将已经水化的混凝土用聚合物单体浸渍, 随后单体在混凝土内部进行聚合生成的复合材料。聚合物浸渍混凝土有良好的力学性能、耐久性及侵蚀能力。用于浸渍混凝土的聚合物单体主要有丙烯酸或甲基丙烯酸酯、苯乙烯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯腈等。这种混凝土适用于要求高强度、高耐久性的特殊构件，特别适用于输运液体的有筋管、无筋管、坑道等。聚合物浸渍混凝土因其实际操作和催化复杂，目前多用于重要工程。国外已用于耐高压的容器，如原子反应堆、液化天然气贮罐等。 1.2 聚合物胶结混凝土 聚合物胶结混凝土（PC）是以聚合物为唯一胶结材料的混凝土，又称之为树脂混凝土。大部分情况下是把聚合物单体与骨料拌和，把骨料结合在一起，形成整体。聚合物混凝土所用的聚合物主要有环氧树脂、甲基丙烯酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂、沥青等，混凝土的胶结完全靠聚合物，聚合物的用量约占混凝土重量的8%左右，这种混凝土具有高强、耐腐蚀等优点，但目前成本较高，工艺复杂, 经济适用性和工程实用性均很差[2]，只能用于特殊工程（如耐腐蚀工程）。 1.3 聚合物水泥混凝土 聚合物水泥混凝土（PCC）是将水泥和骨料混合后，与分散在水中或者可以在水中分散的有机聚合物材料结合所生成的复合材料。制备的方式主要有两种：一是先将聚合物用水分散后，以乳液或聚合物水溶液的形式加入，聚合物胶乳在混凝土水化过程中影响混凝土水化过程及混凝土的结构，从而对水泥砂浆或混凝土的性能起到改善作用。另一种是先将聚合物与水泥或其他分散介质进行预分散，以干拌砂浆的形式使用。混合料与水拌和时，聚合物遇水变为乳液，在混凝土凝结硬化过程中，乳液脱水，形成聚合物固体结构[3]。此外，聚合物还可以纤维或者纤维增强塑料的形式，或者起外加剂的作用在混凝土中获得了应用。聚合物水泥混凝土由于操作简单，改性效果明显，成本较低（相当其他两种聚合物混凝土成本的1/10），因而在实际应用中得到了广泛的应用。 2 聚合物对水泥混凝土的改性机理 国内外用于水泥混凝土改性的聚合物品种繁多，但基本上是三种类型：即乳液（乳胶、分散体）、液体树脂和水溶性聚合物。其中乳胶是使用最广的，主要分为三类： 1)橡胶乳液类。主要有天然乳胶(NR)、丁苯乳胶(SBR)和氯丁乳胶(CR) 甲基丙烯酸甲脂
地质聚合物的性能与应用发展前景 摘要 地质聚合物是一种新型高性能胶凝材料。由于其特殊的缩聚三维网络结构，使其在众多方面具有高分子材料、水泥和陶瓷等材料的特征。综述了国内外地质聚合物的制备研究及聚合反应机理，概述了地质聚合物具备的性能特点及其在土木工程、快速修补和有毒废料及放射性废料处理等领域广阔的应用发展前景。 关键词：地质聚合物聚合反应机理应用发展前景
目录 1 绪论 (3) 1.1地质聚合物的简介 (3) 1.1.1地质聚合物的概念 (3) 1.1.2地质聚合物的结构 (3) 1.1.2地质聚合反应机理 (4) 2 地质聚合物的性能特点 (5) 2.1高强度 (5) 2.2强的耐腐蚀性和较好的耐久性 (5) 2.3快硬早强 (5) 2.4耐高温 (6) 2.5渗透率低，耐冻融循环 (6) 2.6良好的界面结合能力 (6) 3 地质聚合物的应用发展前景 (6) 3.1 开发土木工程材料和快速修补材料 (6) 3.2 开发优质地质聚合物基涂料 (7) 3.3 开发工业有毒废渣和核废料固封材料 (7) 3.4 开发化学键合陶瓷 (7) 3.5 开发地质聚合物复合材料 (7) 3.6 开发防火和耐高温材料 (8) 4 结语 (8)
1 绪论 1.1地质聚合物的简介 1.1.1地质聚合物的概念 地质聚合物（Geopolymer）原意指由地球化学作用或人工模仿地质合成作用而制造出的铝硅酸盐矿物聚合物，其基本结构是由硅氧四面体和铝氧四面体聚合的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体。 1.1.2地质聚合物的结构 地质聚合物具有以硅氧四面体和铝氧四面体为骨架组成的三维网状凝胶结构，其经验化学式为Mn［-(SiO2)Z-AlO2］n·wH2O。其中M为碱金属和金属阳离子等，n为聚合度数，Z为1、2、3等整数。同时，地质聚合物具有类沸石笼状结构，地质聚合物与沸石在结构上的主要区别在于地质聚合物是一种无定形体，而沸石是一种结晶态物质。因为有着与沸石类似的结构和制备方法，许多文献报道了在地质聚合物样品中出现了一定量的沸石相。依据Z值的不同地质聚合物可以分为PS、PSS和PSDS型，它们的结构如图1所示。 图1地质聚合物PS、PSS和PSDS结构图 通过投射电镜分析（TEM）可知地质聚合物具有孔径分布较宽的多孔结构。地质聚合物凝胶体是由直径为5-10nm的一次凝胶颗粒构成，而这些颗粒又围成
聚合物水泥混凝土介绍 早在1920年，国外曾以天然橡胶胶乳配制水泥砂浆，后逐步又用合成橡胶、合成树脂的各种乳液作为外加剂，对水泥砂浆及混凝土进行改性。1974年第六届国际水泥化学会议首次讨论了关于聚合物水泥的化学作用过程。1981年在日本召开的第三届聚合物水泥的国际会议上将聚合物水泥列为独立研究方向。 我国采用聚合物研制化学注浆材料始于20世纪50年代，当时开发的品种有甲凝、丙凝、酚醛树脂、环氧树脂，以及不饱和聚酯等，并于60年代在水电、交通、煤炭、建筑等方面进行工程实践，取得了成功。70年代我国开发聚合物水泥材料无论从品种上、还是数量上均有大幅度提高，相继有聚乙烯醇缩甲醛（107胶）、聚醋酸乙烯乳液（白乳胶）、氯丁橡胶、丙烯酸醋等问世。随着我国高分子化学工业的发展，80年代末期至90年代初期，我国在聚合物水泥方面的研究和实践有更大发展，聚合物混凝土及聚合物水泥砂浆在建筑工程中被大量采用，并获得优异效果。 聚合物加入混凝土或砂浆中，其形成的弹性网膜将混凝土、砂浆中的孔隙结构填塞，并经化学作用加大了聚合物同水泥水化产物的粘结强度，从而有效地对混凝土和砂浆进行改性。不仅增加了混凝土和砂浆的抗压强度，还使抗拉强度和抗弯强度获得较大提高，增强混凝土和砂浆的密实度，减少了裂缝，因而使抗渗性获显著提高，且增加了适应变形的能力，适用于地下建（构）筑物防水，以及游泳池、水泥库、化粪池等防水工程。如直接接触饮用水，例如贮水池，应选用符合要求的聚合物。从发展前景以及提高防水工程质量的角度来看，其潜能和作用不可低估。 1．材料要求 （1）水泥 按本章17-1-1-2节的要求选用水泥。 （2）聚合物 用于水泥材料的聚合物分为三类： 1）水溶性聚合物分散体，包括：橡胶胶乳——天然橡胶胶乳、合成橡胶胶乳；树脂乳液——热塑性及热固性树脂乳液、沥青质乳液；混合分散体——混合橡胶、混合乳胶。
煤矸石地质聚合物的制备及研究 摘要通过正交试验揭示自燃煤矸石、水玻璃及矿渣掺量对胶结料强度的影响关系。极差、方差分析显示，各因素影响程度大小顺序为煤矸石掺量>矿渣掺量>水玻璃掺量。试验结果表明：以阜新高德矿煤矸石、矿渣、粉煤灰为主要原料，水玻璃和氢氧化钾为激发剂，可以制备煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合材料。且当煤矸石：矿渣：粉煤灰=2:1:1，水玻璃：氢氧化钾=7:3，可以制备出满足42.5强度等级要求的水泥。本试验不仅拓宽了自燃煤矸石应用领域和掺混合材料硅酸盐水泥的品种，且可消纳大量的煤矸石，缓解堆积造成的环境污染，符合21世纪建材工业节约能源、减少污染、保护环境，且使其向高性能、绿色化等方向发展的先进理念。 关键词自燃煤矸石；正交设计；方差分析；地质聚合物 1.引言 地质聚合物作为新型绿色胶凝材料，可代替硅酸盐水泥制配出耐腐蚀性强、抗压强度高、凝结速度快的砂浆及混凝土。因此，被广泛应用于新型建筑材料、早强胶凝材料、替代金属陶瓷的高强结构材料。我国是一个以煤炭为主要能源的发展中国家。煤炭的开采导致大量煤矸石的堆积，占用耕地的增大，环境污染的越发严重，而且大多煤矸石含有粘土类矿物，具有和粘土相似的化学成分，若对其进行煅烧，可制得具有火山灰活性的煅烧煤矸石，能够作为地质聚合物的原料。以煤矸石为原材料制备地质聚合物是对固体废弃物资源化的利用。因此，针对我国丰富的原材料和设备条件，对煤矸石地质聚合物的制备工艺、形成机理等方面进行深入系统的研究，不但具有较高的学术价值，而且必将对我国的经济建设产生深远而有意的影响。 2.试验原材料 （1）自燃煤矸石 本试验所选用的煤矸石为辽宁省阜新市高德矿的自燃煤矸石，密度2.77g/cm3，比表面积为925m2/Kg，粒度分布见图1。化学成分分析见表1。 图1 自燃煤矸石粉筛分析曲线 Fig1 The sieve analysis curve of spontaneous coal gangue powder
PBM聚合物砂浆或混凝土 PBM系互穿网络高分子材料，拥有不同高分子的互补和协同效应，体现出高分子合金的性能。由它制备的聚合物砂浆或混凝土具有优越的性能，可用于混凝土结构的快速修复和制备特种性能的混凝土预制构件，也可用于水下混凝土的补强加固。 特点： ·快速固化，早期强度高 ·收缩率小，粘结力强 ·优良的抗冲耐磨和耐腐蚀性能 ·可在水下或潮湿环境下施工 主要性能指标： 项目指标 固化时间几分钟至几十分钟 容重 1.9-2.2g/立方米 抗渗性能>S10 固化条件干燥面水下 PBM种类PBM-5PBM-3 令期4hr1d30d1d3d30d 抗折强度（MPa）8-915-1620-2112-1315-1619-20抗压强度（MPa）28-3063-6597-9837-3847-4876-78适用范围： 高速公路、机场、桥梁等工程的快速修复，修补后2-4小时即可投入运行。 水工建筑的抗冲耐磨护面材料。 水下混凝土如坝面、隧道、桥墩、码头等水下部位的快速补强处理。 大型机器的底座，具有优越的抗震、抗裂、阻尼效果。 制作高分子混凝土预制构件，如精密车床、磨床的机器座身。 防腐蚀设备及排污管道。 施工工艺： 1、PBM树脂由PBM-A、PBM-B、引发剂和促进剂组成，不同用途的PBM有不同的推荐配比。 2、引发剂和促进剂的用量根据固化时间的要求进行调节。如果在冬天施工，因气温低，则用量要 酌情增加。 3、骨料要求干燥，含水率小于1%，不含妨碍树脂固化的杂质。细骨料采用粗砂或中粗砂。干燥条 件拌制的粉料可用粉煤灰、碳酸钙、火山灰等，水下拌制的粉料要采用水泥。 4、PBM聚合物混凝土或砂浆拌制工艺（以PBM-5为例）
互穿网络聚合物的研究进展及应用 吴 婷,文秀芳,皮丕辉,程 江,杨卓如 (华南理工大学化学与化工学院,广州510640) 摘要 聚合物共混改性是实现高分子材料功能化和开发新材料的重要途径。通过互穿网络聚合物方法制备的共混聚合物,以其优异的性能广泛应用于材料科学的方方面面,并成为近年来共混聚合物改性研究的热点。共混聚合物增强方法主要包括:添加/第三组分0、反应性增容、离聚体共混改性和互穿网络聚合物。在此基础上总结了互穿网络聚合物的制备方法及研究现状,详述了互穿网络聚合物在导电材料、药物控释体系、功能膜、涂料工业等领域的应用,最后指出了互穿网络聚合物材料目前存在的问题,并对今后的研究进行了展望。 关键词 互穿网络聚合物 增强方法 制备 应用 Research Progress and Application of Interpenetrating Polymer Networks WU Ting,WEN Xiufang,PI Pihui,CHENG Jiang,YAN G Zhuoru (Schoo l of Chemistr y and Chemical Engineer ing ,So uth China U niversity o f T echnolog y,Guang zho u 510640)Abstract P olymer blending mo dif ication is an impor tant w ay to prepare functional poly mer materials and deve -lop new mater ials.Blend po ly mers pr epar ed by interpenetr ating polymer netw orks(I PN s)are widely used in ever y as -pect o f material science fo r t heir ex cellent pr operties,w hich are ho tspo t issues in mo dified mater ials research all the t ime.T he enhancement methods o f polymer blending include the addit ion o f t he thir d co mpo nent,r eact ive co mpat ibil-i ty,io no mer blends and inter penetrat ing polymer netw or ks.T he r esear ch statuses on preparat ions of interpenetr ating polymer netw or ks ar e br iefly summa rized o n that basis.T he applications of IPN s in co nduct ive mat er ials,drug del -i v ery sy stems,functio nal membr anes,and co ating industr y ar e described in details,and its ex isting pro blems and fur -ther pro spects in this field ar e a lso analy zed finally. Key w ords interpenet rating po ly mer netwo rks,enhancement methods,preparat ion,application 吴婷:女,1982年生,博士研究生,主要从事高分子复合材料方面的研究 T el:020-********-601 E -mail:ang elw u2006@https://www.doczj.com/doc/b9359770.html, 共混聚合物是指2种或2种以上均聚物或共聚物的混合物,通常又称为聚合物合金。聚合物共混改性是实现高分子材料功能化和开发新材料的重要途径。共混聚合物具有加工方便、价格低廉、性能优异等特点,因此得到广泛应用[1,2] 。互穿网络聚合物(Int erpenetrating polymer net -w orks,IPNs)是一类利用新型改性技术制备的共混聚合物,具有特殊的空间拓扑结构。作为一种新型的多相聚合物材料,IPN s 以其独特的化学共混方法和网络互穿结构以及强迫互容、界面互穿、协同作用和加工性能复合的特点被广泛应用于燃料电池、粘合剂、涂料、导电材料等方面[3-5] 。本文重点介绍了互穿网络聚合物材料的增强机理,对其制备方法进行了分类并总结了其研究现状,概述了其在材料、医学、化工等方面的应用,并对其发展前景进行了展望。 1 共混聚合物增强方法 聚合物共混时存在体系完全相容、体系部分相容、体系完全不相容3种情况。性能良好的聚合物合金往往要求两聚合物的物理性能互补,具有良好的相容性,宏观不分离,微观达均相。因为共混聚合物中的两组分一般各自成相,当两 组分完全相容时,聚合物可实现分子水平的分散而形成均相;当两组分不相容时,分子相互扩散程度低,相间界面明显,从而导致性能变差;但由于聚合物的分子结构、极性、分子量等差异很大,在已知的各种聚合物中仅有一小部分是完全相容或部分相容体系,大部分体系是完全不相容或难容的,即使在强大的机械作用下,聚合物合金能达到微观均相体系的仍然很少。因此,如何提高聚合物合金的相容性是制备高性能聚合物合金的关键。常用的方法有以下几种。 1.1 添加/第三组分0)))增容剂 增容剂是指与聚合物两组分都有较好相容性的物质,它以界面活性剂的形式分布于共混物两相界面处,可降低两组分间界面张力,增加界面亲和性及界面粘合力,促使分散相颗粒细微化和均匀分布,分为反应型增容剂和非反应型增容剂2种。反应型增容剂具有可与共混聚合物在共混条件下反应的基团,在共混过程中原位反应形成共聚物,共聚物存在于两相界面,能减小界面张力,增加两相相互作用,从而提高分散相的分散效果。非反应型增容剂具有与共混聚合物相容性都较好的特点,在共混过程可直接实现两相增容的目的,由于其针对性较强,所以广泛适用性较差。
地质聚合物 姓名:黄宇文班级BG0906 摘要：地质聚合物是一类新发展起来的，兼有有机物、陶瓷、水泥的特点，又具有独特优异性能的新型胶凝材料。本文介绍了地质聚合物的反应机理、研究进展及开发应用。 关键词：胶凝材料地质聚合物碱激活反应机理 地质聚合物（Geopolymer）是近年来国际上研究非常活跃的非金属材料之一。它是以粘土、工业废渣或矿渣为主要原料，经适当的工艺处理，在较低温度条件下通过化学反应得到的一类新型无机聚合物材料。地质聚合物(Geopolymer)的概念在上个世纪70年代末首先由J.Davidovits提出。该材料是近年来新发展起来的、有可能在许多场合代替水泥，并有着比水泥更优异性能的新型材料。其英文的同义词还有Mineral Polymer，Geopolymeric Materials，Aluminosilicate Polymer，Inorganic Polymeric Materials等。中国地质大学的马鸿文教授建议将其译为“矿物聚合材料”。鉴于在国外Geopolymer一词使用最为广泛和我国早期介绍该材料的一些学者已将其称为“地质聚合物”，本文建议我国使用“地质聚合物”一词作为该材料的正式中文名称，并与Geopolymer 相对应。 地质聚合物被认为是由地球化学作用(Geochemistry)或人工模仿地质合成作用(Geosynthesis)而制造出的、以无机聚合物为基体的、坚硬的人造岩石。这种人造岩石具有天然岩石一样的硬度、耐久性和热稳定性。 地质聚合物具有强度高、硬化快、耐酸碱腐蚀等优于普通硅酸盐水泥的独特性能，同时具有材料丰富、工艺简单、价格低廉、节约能源等优点引起了国内外材料专家的极大兴趣。 1 地质聚合物的反应机理 法国J. Davidovits提出的“解聚—缩聚”机理，他认为地质聚合物的形成过程为：铝硅酸盐聚合反应是一个放热脱水的过程，反应以水为传质，在碱性催化剂的作用下铝硅酸盐矿物的的硅氧键和铝氧键断裂，发生断裂—重组反应；形成一系列的低聚硅（铝）四面体单元， 聚合后又将大部分水排除，少量水则以结构水的形式取代[SiO 4 ]中一个O的位置，最终生成Si—O—Al的网络结构。聚合作用过程即各种铝硅酸盐（Al 3+ 呈Ⅳ或Ⅴ次 配位）与强碱性硅酸盐溶液之间的化学反应。 以上聚合反应表明，任何硅铝物质都可作为制备人造矿物聚合物材料的原料。 现在大多数的研究者的理论都以J. Davidovits的理论作为地质聚合物反应机理的基础。这些理论的共同点在于地质聚合物的形成是铝硅酸盐在碱性条件下生成水合物后，水合物在进行缩水聚合生成聚合物。当地质聚合物的添加成分较复杂时，则添加成分的离子在硅铝网络结构中所占据的位置不同而得到不同性质的地质聚合物。 2 地质聚合物研究进展 20世纪30年代，美国的Purdon在研究了波特兰水泥（普通硅酸盐水泥）的硬化机理时发现，少量的NaOH在水泥硬化过程中可以起催化剂的作用，使得水泥中的硅、铝化合 物比较容易溶解而形成硅酸钠和偏铝酸钠，再进一步与Ca(OH) 2 反应形成硅酸钙和 铝酸钙矿物，使水泥硬化并且重新生成Na(OH)再催化下一轮反应，因此他提出了所谓的“碱激活”理论。 在这以后，前苏联投入了大量的人力、物力对碱激活材料进行了系统的研究。他们发现除了氢氧化钠以外，碱金属的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氟化物、硅酸盐和铝硅酸盐等都可以作为反应的激活剂。到了1972年，法国的J.Davidovits教授申请了地聚合物历
摘要 本论文以钢渣、矿渣、砂子为主要原料，采用压制成型的方法，制备钢/矿渣基地质聚合物试样。该试样消耗大量废渣，制备过程中不需要高温煅烧，几乎不排放CO2，是一种典型的绿色建筑材料。但是，限制地质聚合物材料应用的最主要因素是泛碱问题。因此，研究粉煤灰与沸石粉对地质聚合物材料泛碱的抑制作用至关重要。 本论文采用正交试验和单因素变量法，研究了粉煤灰与沸石粉对钢/矿渣基地质聚合物的泛碱、力学性能及耐久性能的改善作用。得出以下结论：地质聚合物的最佳原料配比为：钢渣23.3%、矿渣23.3%、砂子33.3%、粉煤灰15%、沸石粉5%；加水量10%；激发剂为5%NaOH；成型压力20MPa；在恒温(20℃)恒湿(相对湿度为90%)的养护室进行养护。在此配比下，其试样浸出液的的pH值(11.31)相较于单掺15%粉煤灰的降低1.7%，碳酸根离子浓度(1105.7mg/L)相较于单掺15%粉煤灰的降低23.8%，对地聚物试样泛碱的抑制效果最显著；力学性能最佳，28d的抗压强度可达152MPa；耐水性能较佳，软化系数为0.89，1d的吸水率为2.95%；耐碱性能较好，在质量分数分别为0.5%、1%、3%NaOH溶液中浸泡7d，质量损失率分别为1.31%，1.44%，1.24%，抗压强度不仅没减少反而有一定程度的增大。 关键词：钢渣；矿渣；地质聚合物；泛碱
ABSTRACT In this paper, a kind of geopolymer blocks was prepared by slag, sand and steel slag as main raw materials through the compression method to molding. The geopolymer, which can consume a lot of waste, preparation process does not require high temperature calcination, emits virtually no CO2, is a typical green building materials. However, the most important factor of the restriction on apply of geopolymer material is efflorescence problem. Therefore, it is very crucial that we probe the measures about efflorescence suppressed of geopolymer material. Orthogonal test and univariate variables method were used in this paper, Study on the fly ash and zeolite powder on steel / slag based geopolymer efflorescence, mechanical properties and durability improvement were conducted. The results show that, 23.3% steel slag, 15% fly ash, 23.3% pulverized blast furnace slag, 33.3% sand,5% zeolite powder 10% water and activator with 5% NaOH is the optimum formula of the raw materials for the geopolymer. The optimal molding pressure is 20MPa and it should be cured in the curing room.In this ratio, compared to a single mix with 15% fly ash, pH value of the specimen leaching solution (11.31) samples decrease by 1.7% .Compared to a single mix with 15% fly ash, carbonate ion concentration is (1105.7mg/L) ,it was reduced by 23.8%. ,which have a greatest extent efflorescence inhibition of geopolymer.Its 28d compressive strength were best, up to 152MPa. The water and alkali resistance of the samples is better. Softening coefficient is 0.89.Water absorption rate for 1d is 2.95%. When it soaks for 7 days at 0.5wt%, 1wt%, 3wt% NaOH solution,its mass loss rate is 1.31%, 1.44%, 1.24% respectly .And its compressive strength is not only not reduced but increased to some extent. It has a better alkali resistance. Keywords: steel ; slag ; geopolymer; efflorescence
碳化硅在聚合物中的应用 2006-12-18 9:12:58 【文章字体：大中小】打印收藏关闭 由无机材料和有机高分子所组成的有机-无机杂化材料是近年来国内外研究较多的一种新型复合材料，它同时具有有机高分子和无机材料的优点。SiC 陶瓷具有硬度高、高温强度大、抗蠕变性能好、耐化学腐蚀、抗氧化性能好、热膨胀系数小及高热导率等优异性能，是一种在高温和高能条件下极具应用前景的材料。SiC用于制备金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料，已经表现出优异的性能。此外，SiC在隐身吸波材料方面也有重要的应用。本文综述了SiC在聚合物中的应用。 1 碳化硅基本特性 SiC具有α和β两种晶型。β-Sic的晶体结构是立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格，Si——C的原子间距为0.1888nm，α-SiC存在着4H、15R 和6H等100余种多型体，其中，6H多型体在工业上应用最为广泛。在6H-SiC 中，Si与C交替成层状堆积，Si层间或C层间的距离为0.25nm,si-C的原子间距约为0.19nm。 在SiC的两种晶型之间存在一定的热稳定性关系。温度低于1 600℃时，SiC 以β-SiC存在；温度高于1600℃时，β-SiC通过再结晶缓慢转变成α-SiC 的各种型体（4H、6H和15R等）。4H-SiC在2000℃左右容易生成；而15R 和6H多型体均需在2100℃以上才能生成，但15R的热稳定性比6H多型体差，对于6H-SiC,即使温度超过2200℃也非常稳定。 SiC的硬度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯的SiC不会被HC1、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等碱溶液所侵蚀，但在空气中加热时
聚合物水泥混凝土 早在1920年，国外曾以天然橡胶胶乳配制水泥砂浆，后逐步又用合成橡胶、合成树脂的各种乳液作为外加剂，对水泥砂浆及混凝土进行改性。1974年第六届国际水泥化学会议首次讨论了关于聚合物水泥的化学作用过程。1981年在日本召开的第三届聚合物水泥的国际会议上将聚合物水泥列为独立研究方向。 我国采用聚合物研制化学注浆材料始于20世纪50年代，当时开发的品种有甲凝、丙凝、酚醛树脂、环氧树脂，以及不饱和聚酯等，并于60年代在水电、交通、煤炭、建筑等方面进行工程实践，取得了成功。70年代我国开发聚合物水泥材料无论从品种上、还是数量上均有大幅度提高，相继有聚乙烯醇缩甲醛（107胶）、聚醋酸乙烯乳液（白乳胶）、氯丁橡胶、丙烯酸醋等问世。随着我国高分子化学工业的发展，80年代末期至90年代初期，我国在聚合物水泥方面的研究和实践有更大发展，聚合物混凝土及聚合物水泥砂浆在建筑工程中被大量采用，并获得优异效果。 聚合物加入混凝土或砂浆中，其形成的弹性网膜将混凝土、砂浆中的孔隙结构填塞，并经化学作用加大了聚合物同水泥水化产物的粘结强度，从而有效地对混凝土和砂浆进行改性。不仅增加了混凝土和砂浆的抗压强度，还使抗拉强度和抗弯强度获得较大提高，增强混凝土和砂浆的密实度，减少了裂缝，因而使抗渗性获显著提高，且增加了适应变形的能力，适用于地下建（构）筑物防水，以及游泳池、水泥库、化粪池等防水工程。如直接接触饮用水，例如贮水池，应选用符合要求的聚合物。从发展前景以及提高防水工程质量的角度来看，其潜能和作用不可低估。 1．材料要求 （1）水泥 按本章17-1-1-2节的要求选用水泥。 （2）聚合物 用于水泥材料的聚合物分为三类： 1）水溶性聚合物分散体，包括：橡胶胶乳——天然橡胶胶乳、合成橡胶胶乳；树脂乳液——热塑性及热固性树脂乳液、沥青质乳液；混合分散体——混合橡胶、混合乳胶。