打造環保型“綠色材料”新領地

無機高分子礦物聚合物材料研究現狀

無機高分子礦物聚合物材料，是近年來在國際上興起的一種新型無機非金屬材料，因其結構類似天然礦物沸石，即以多種非晶質至半晶質鋁硅酸鹽凝膠成分的化學鍵陶瓷材料，也有人稱為礦物聚合物或地質聚合物。

目前研究的無機高分子礦物材料已達到主要性能指標，在各方面均優于水泥和玻璃，而與傳統陶瓷接近，有些聲、光、電、耐腐蝕及耐高溫性能上更超過金屬和有機高分子材料。其生產能耗僅為陶瓷的1/20、鋼材的1/70、塑料的1/150。

無機高分子礦物聚合反應理化性能

無機高分子礦物(涂料/膠粘劑)材料化學組成為鋁硅酸鹽，具有有機高聚物的鏈接結構，但其基本相呈非晶質或半晶質相，具有硅氧四面體和鋁氧四面體隨機分布的三維網絡結構，堿金屬或堿金屬離子分布于網絡空隙之間以平衡電價。網絡的基本結構單元為鋁硅氧鏈(-Si-O-Al-O-)、硅鋁氧鏈(-Si-O-Al-O-Si-O-)和硅鋁二硅氧鏈(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)等。正是由于該礦物材料具有類似有機聚合物的鏈狀結構，且能夠與礦物顆粒表面的硅氧四面體和鋁氧四面體通過脫羥基作用形成化學鍵，因而具有無機化合物和有機化合物共同特點。

1．高強、耐高溫、快硬

這是無機高分子礦物聚合物材料主要特色。礦物材料本身是氧化物網絡結構體系，在1000"℃～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。經復合改性后，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(導熱系數:0.24～0.38W/m.k)"、沒有毒性氣體釋放。最具代表性的是利用碳纖維改性無機高分子礦物聚合物材料制得的復合材料。該材料在1000"℃下不氧化，在815"℃時抗彎強度仍有245MPa"，而密度只有1.85g/cm3，比水泥(～2.3g/cm3")"、鋁(2.7g/cm3")"、鋼(7.8g/cm3")"小很多;""碳纖維改性無機高分子礦物聚合物材料制得的復合材料在900"℃下，抗壓強度仍達40MPa"。相比下，水泥在400"℃下強度僅剩15～25MPa，在570"℃下強度為零。有機聚合物及其纖維增強材料由于其可燃性。無機礦物聚合反應過程中，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、干燥對反應都有促進作用，因此可快速制得高強度制品。

無機高分子礦物聚合物材料與其材料性能比較

2．耐久性優良

無機高分子礦物材料優良性能一方面源于其穩定網絡結構，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堿集料反應，沒有膨脹(普通硅酸鹽水泥混凝土在200"天后因堿集料反應而膨脹，是極大的安全隱患"，因而經受自然破壞的能力很強。

3．功能性多樣

硅元素存在穩定的+"4"價態，因此無機高分子礦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無機高分子礦物沸石材料本身的結構特點，使得該種材料具備多種功能性。

4．固定金屬離子

無機高分子礦物材料的結構是由環狀分子鏈構成的“類晶體”納米籠結構。環狀分子之間結合形成密閉的空腔(籠狀)"，可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;故而金屬離子還參與了無機高分子礦物材料結構的形成，因此可以更有效地固定體系中的金屬離子。

無機高分子礦物材料聚合后形成網絡狀的硅鋁酸鹽結構，其聚合有毒離子的機理見下圖：

5．熱膨脹系數("CTE)"可調

無機高分子礦物聚合物材料的Si/Al"在2～20"內變動時，其膨脹系數在4"×10"–"6/℃～25×"10"–"6/℃內變化。因此在與陶瓷(CTE:3×"10"–"6/℃)"、鋼(CTE:"11×10"–"6/℃)"、銅(CTE: 6×10-6/℃")"、鋁(CTE: 24×10-6/℃)"等復合時，可以通過控制無機高分子礦物體系中Si"的含量來協調基質與填充物的熱膨脹系數，降低因熱膨脹系數不一致而產生的內應力，從而提高復合材料的使用壽命。

6．耐酸堿腐蝕性優良

此類材料在有機溶液、堿性溶液和鹽水中很穩定，在濃硫酸中較穩定(HF"酸除外)，在濃鹽酸中穩定性差。

7．可回收再利用

由前述無機高分子礦物聚合物反應機理可以知道，無機聚合反應過程是由鋁硅酸之間的脫水反應，這個反應在強堿性條件下是可逆的;另一方面，原料變成產物，除了脫水外沒有損失其他的物質。當然， 無機高分子礦物聚合物材料也有其缺點。與高分子材料相比，它的脆性較大。

8．原材料來源廣，成本低廉

生產原料中的鋁硅酸鹽可采用各種硅鋁質礦物和工業固體廢料，如高嶺土、沸石、粉煤灰、火山灰、石英砂、活性鋁土礦和建筑廢棄物等。

無機高分子礦物聚合物材料應用領域

無機高分子礦物聚合物材料的原材料豐富，以粘土、工業廢渣或礦渣為主要原料，其生產成本低，能耗小，無污染，是環保型可持續發展材料。可使用在航空、航天、冶金、礦山、化工、建材和環保等多領域。

1．汽車、航空工業

2．塑料、冶金工業領域

3．土木工程、交通工程及各種搶修工程

4．建材、石材領域

5．在環保領域