CN105819719A - 一种增强型地质聚合物及其制备方法 - Google Patents

一种增强型地质聚合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种增强型地质聚合物及其制备方法，采用磷酸盐和或多聚磷酸盐、偏高领土、粉煤灰、水玻璃、碱性化合物、二氧化硅、水等原料，按其重量份数共混，将所述原料研磨混合成均匀浆料，将浆料注入模具，在常温或低温(20‑80℃)下养护得到产品。本发明所述的配方和制备方法得到的地质聚合物产品，耐高温、耐化学品，且具有优异的力学性能，其抗压强度达到150MPa以上，满足建筑材料、高温涂层的使用要求。本发明中的高强度地聚物制备方法与传统建筑材料生产工艺相比，具有工艺简单、节约能源、保护环境、成本低、易于操作等优点。

Description

一种增强型地质聚合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种增强型地质聚合物及其制备方法，属于无机非金属胶凝材料领域。
背景技术
地质聚合物是近年来国际上研究非常活跃的无机非金属材料之一。它是以粘土、工业废渣或矿渣等为主要原料，碱或酸为激发剂，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、价格低廉、节约能源等优点，因此引起了国内外材料专家的极大兴趣。
地质聚合物的成型原理主要是碱性激发剂激发硅铝源材料，引起硅氧键和铝氧键的断裂-重组，形成无机链式结构，类似于高分子聚合反应形成链式结构。地质聚合物的聚合反应如下：在碱激发剂作用下，硅铝源材料中的SiO2和Al2O3共价键破坏断裂，形成类似有机高分子单体的低聚硅氧四面体和铝氧四面体；然后再进行一个缩聚的过程，这些低聚氧四面体和铝氧四面体以水为介质，重新组合，排出多余的水，成新的Si-O-Al的网络结构体系。地质聚合物的三维网络结构由硅氧四面体和铝氧四面体共用桥氧键连接而成，这种三维氧化物网络结构决定了它的优良性能，从而决定了它的多用途。
而目前，地质聚合物材料的抗压强度在100MPa以下，需要借助其他增强剂来对地质聚合物进行增强作用。而其他增强剂的添加，既增加了成本，又使加工工艺复杂化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种增强型地质聚合物及其制备方法，该地质聚合物在不超过100℃的条件下形成，且具有很高的强度。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种增强型地质聚合物，其原料按重量份数计包括：、偏高岭土10-80份、粉煤灰0-40份、水玻璃10-80份、碱性化合物5-30份、二氧化硅0-50份、水5-30份、磷酸盐和或多聚磷酸盐0.1-2份。
按上述方案，所述磷酸盐为磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸铝等中的一种或几种按任意比例的混合物。
按上述方案，所述多聚磷酸盐为三聚磷酸钠及三聚磷酸铝等中的一种或几种按任意比例的混合物。
按上述方案，所述偏高岭土、粉煤灰、二氧化硅的粒径均不超过250目。优选地，所述偏高岭土、粉煤灰、二氧化硅的粒径在250～8000目范围内。
按上述方案，所述水玻璃涵盖GB/T 4209-1996《工业水玻璃》中多种型号，通常模数为1～4，可选自液-1水玻璃(模数3.5-3.7)，液-2水玻璃(模数3.1-3.4)，液-3水玻璃(模数2.6-2.9)，液-4水玻璃(模数2.2-2.5)等中的一种。
按上述方案，所述碱性化合物为氢氧化钠、氢氧化钾及碳酸钠等中的一种。
上述增强型地质聚合物的制备方法，将上述原料搅拌均匀成为浆料后养护成型，即可得到增强型地质聚合物。
上述增强型地质聚合物的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按重量份数计，准备原料磷酸盐和或多聚磷酸盐0.1-2份、偏高岭土10-80份、粉煤灰0-40份、水玻璃10-80份、碱性化合物5-30份、二氧化硅0-50份、水5-30份；
(2)将步骤(1)准备好的水玻璃和碱性化合物混合均匀，然后静置得到碱激发剂；
(3)将步骤(1)准备好的磷酸盐和或多聚磷酸盐，以及偏高岭土、粉煤灰及二氧化硅混合均匀(当步骤(1)中粉煤灰和或二氧化硅的用量为0时，即此步骤中无需添加粉煤灰和或二氧化硅)，向其中加入步骤(2)得到的碱激发剂研磨混合，同时加入步骤(1)准备好的水混匀，得到均匀浆料；
(4)将步骤(3)所得均匀浆料注入模具，在20-80℃下密封反应2-15天，即可得到增强型地质聚合物。
按上述方案，步骤(2)中混合时采用搅拌和或超声，至混合均匀即可
按上述方案，步骤(2)中静置的时间1-2天。
本发明利用磷酸盐或多聚磷酸盐水解产生H+，促进水玻璃快速水解生成更多的氢氧根离子，进而促进偏高岭土中的氧化铝和二氧化硅的结构解体，使Si-O和Al-O共价键被破坏断裂，解离出[SiO4]4-和[AlO4]5-等离子团，然后在水和碱作用下重新聚合，形成Si-O-Al-O空间网络结构。更重要的是，释放出H+的磷酸盐或多聚磷酸盐生成一种水不溶的复盐，从而将游离的碱金属离子包裹固定住，这种复盐成为第二相，均匀的分布在该地质聚合物中，增强了地质聚合物的力学性能，而且使地质聚合物具有更好的耐化学品性质。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明所述增强型地质聚合物中，由于磷酸盐或多聚磷酸盐水解产生的第二相，以微、纳米尺度均匀分散在地质聚合物中，增强了地质聚合物的力学性能，其抗压强度达到了150MPa以上。
2)本发明所述增强型地质聚合物的制备方法，由于磷酸盐或多聚磷酸盐的水解催化作用，加速了偏高领土和粉煤灰中的硅氧和铝氧结构的破坏，形成硅-氧-铝的链式无机聚合物结构，因此，成型速度快，在常温或20～80℃下养护2-15天即可成型。
3)本发明所述的配方和制备方法得到的地质聚合物产品，耐高温、耐化学品，且具有优异的力学性能，其抗压强度达到150MPa以上，满足建筑材料、高温涂层的使用要求。本发明中的高强度地聚物制备方法与传统建筑材料生产工艺相比，具有工艺简单、节约能源、保护环境、成本低、易于操作等优点。
附图说明
图1为实施例1制备的增强型地质聚合物的扫描电镜图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种增强型地质聚合物，其原料按重量份数计包括：三聚磷酸钠0.1份、2000目偏高岭土10份、液-2水玻璃(模数3.1-3.4)10份、氢氧化钠5份、水5份。
上述增强型地质聚合物的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按重量份数计，准备原料三聚磷酸钠0.1份、2000目偏高岭土10份、液-2水玻璃(模数3.1-3.4)10份、氢氧化钠5份、水5份；
(2)将步骤(1)准备好的水玻璃和氢氧化钠混合，搅拌后超声，然后静置24h，得到碱激发剂；
(3)将步骤(1)准备好的三聚磷酸钠和偏高岭土混合均匀，向其中加入步骤(2)得到的碱激发剂研磨混合，同时加入步骤(1)准备好的水混匀，得到均匀浆料；
(4)将步骤(3)所得均匀浆料注入模具，在20℃下密封反应15天，即可得到增强型地质聚合物。
抗压强度测试：
本实施例制备的力学性能增强的地质聚合物表面光滑、无裂纹，根据GB/T-4740-1999陶瓷材料抗压强度实验方法进行抗压强度测试，其抗压强度为151MPa。
从图1中可以看出，在由偏高岭土制备地质聚合物的过程中，多聚磷酸盐水解后形成第二相磷酸盐，该相呈花状颗粒物分布在地质聚合物基体中，对地质聚合物的力学强度具有改善作用。
实施例2
一种增强型地质聚合物，其原料按重量份数计包括：磷酸二氢钠2份、8000目偏高岭土80份、8000目粉煤灰80份、液-4水玻璃(模数2.2-2.5)80份、氢氧化钾30份、8000目二氧化硅50份、水30份。
上述增强型地质聚合物的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按重量份数计，准备原料磷酸二氢钠2份、8000目偏高岭土80份、8000目粉煤灰80份、液-4水玻璃(模数2.2-2.5)80份、氢氧化钾30份、8000目二氧化硅50份、水30份；
(2)将步骤(1)准备好的水玻璃和氢氧化钾混合，搅拌后超声，然后静置24h，得到碱激发剂；
(3)将步骤(1)准备好的磷酸二氢钠和偏高岭土、粉煤灰及二氧化硅混合均匀，向其中加入步骤(2)得到的碱激发剂研磨混合，同时加入步骤(1)准备好的水混匀，得到均匀浆料；
(4)将步骤(3)所得均匀浆料注入模具，在80℃下密封反应2天，即可得到增强型地质聚合物。
抗压强度测试：
本实施例制备的力学性能增强的地质聚合物表面光滑、无裂纹，根据GB/T-4740-1999陶瓷材料抗压强度实验方法进行抗压强度测试，其抗压强度为153MPa。
实施例3
一种增强型地质聚合物，其原料按重量份数计包括：三聚磷酸铝0.4份、250目偏高岭土41份、液-1水玻璃(模数3.5-3.7)43份、碳酸钠6份、250目二氧化硅1份、水9份。
上述增强型地质聚合物的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按重量份数计，准备原料三聚磷酸铝0.4份、250目偏高岭土41份、液-1水玻璃(模数3.5-3.7)43份、碳酸钠6份、250目二氧化硅1份、水9份；
(2)将步骤(1)准备好的水玻璃和碳酸钠混合，搅拌后超声，然后静置24h，得到碱激发剂；
(3)将步骤(1)准备好的三聚磷酸铝和偏高岭土、二氧化硅混合均匀，向其中加入步骤(2)得到的碱激发剂研磨混合，同时加入步骤(1)准备好的水混匀，得到均匀浆料；
(4)将步骤(3)所得均匀浆料注入模具，在50℃下密封反应10天，即可得到增强型地质聚合物。
抗压强度测试：
本实施例制备的力学性能增强的地质聚合物表面光滑、无裂纹，根据GB/T-4740-1999陶瓷材料抗压强度实验方法进行抗压强度测试，其抗压强度为159MPa。
实施例4
一种增强型地质聚合物，其原料按重量份数计包括：磷酸二氢钾1份、800目偏高岭土50份、800目粉煤灰10份、液-3水玻璃(模数2.6-2.9)43份、氢氧化钾10份、水10份。
上述增强型地质聚合物的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)按重量份数计，准备原料磷酸二氢钾1份、800目偏高岭土50份、800目粉煤灰10份、液-3水玻璃(模数2.6-2.9)43份、氢氧化钾10份、水10份；
(2)将步骤(1)准备好的水玻璃和氢氧化钾混合，搅拌后超声，然后静置24h，得到碱激发剂；
(3)将步骤(1)准备好的磷酸二氢钾和偏高岭土、粉煤灰混合均匀，向其中加入步骤(2)得到的碱激发剂研磨混合，同时加入步骤(1)准备好的水混匀，得到均匀浆料；
(4)将步骤(3)所得均匀浆料注入模具，在70℃下密封反应7天，即可得到增强型地质聚合物。
抗压强度测试：
本实施例制备的力学性能增强的地质聚合物表面光滑、无裂纹，根据GB/T-4740-1999陶瓷材料抗压强度实验方法进行抗压强度测试，其抗压强度为155MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种增强型地质聚合物，其特征在于它的原料按重量份数计包括：磷酸盐和或多聚磷酸盐0.1-2份、偏高岭土10-80份、粉煤灰0-40份、水玻璃10-80份、碱性化合物5-30份、二氧化硅0-50份、水5-30份。
2.根据权利要求1所述的一种增强型地质聚合物，其特征在于所述磷酸盐为磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸铝中的一种或几种按任意比例的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种增强型地质聚合物，其特征在于所述多聚磷酸盐为三聚磷酸钠及三聚磷酸铝中的一种或两种按任意比例的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种增强型地质聚合物，其特征在于所述偏高岭土、粉煤灰、二氧化硅的粒径均不超过250目。
5.根据权利要求4所述的一种增强型地质聚合物，其特征在于所述偏高岭土、粉煤灰、二氧化硅的粒径在250～8000目范围内。
6.根据权利要求1所述的一种增强型地质聚合物，其特征在于所述水玻璃为工业水玻璃，模数为1～4。
7.根据权利要求1所述的一种增强型地质聚合物，其特征在于所述碱性化合物为氢氧化钠、氢氧化钾及碳酸钠中的一种或几种按任意比例的混合物。
8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的增强型地质聚合物的制备方法，其特征在于将所述原料搅拌均匀成为浆料后养护成型，即可得到增强型地质聚合物。
9.根据权利要求1-7中的任意一项所述的增强型地质聚合物的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按重量份数计，准备原料磷酸盐和或者多聚磷酸盐0.1-2份、偏高岭土10-80份、粉煤灰0-40份、水玻璃10-80份、碱性化合物5-30份、二氧化硅0-50份、水5-30份；
(2)将步骤(1)准备好的水玻璃和碱性化合物混合，搅拌后超声，然后静置得到碱激发剂；
(3)将步骤(1)准备好的磷酸盐和或多聚磷酸盐，以及偏高岭土、粉煤灰及二氧化硅混合均匀(当步骤(1)中粉煤灰和或二氧化硅的用量为0时，即此步骤中无需添加粉煤灰和或二氧化硅)，向其中加入步骤(2)得到的碱激发剂研磨混合，同时加入步骤(1)准备好的水混匀，得到均匀浆料；
(4)将步骤(3)所得均匀浆料注入模具，在20-80℃下密封反应2-15天，即可得到增强型地质聚合物。
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