地聚合物基材料的研究及其應用前景

薛彩紅，高 莉

青海大學機械工程學院，青海西寧 810016

0 引言

隨著世界經濟的飛速發展和科技的日益月新，各種礦產資源和能源材料已經日益枯竭，環境污染越來越嚴重，人類生存的環境面臨前所未有的嚴峻挑戰。目前，節能減排和綠色環保成為全人類最關心的話題。尋找一種成本低，環境污染少，功能全的新材料是當今世界材料研究者們的主要研究方向之一。地聚合物基材料制備具有低能耗、低二氧化碳排放優點，且具有強度高、耐腐蝕性好、耐水熱優良、耐高溫等性能，可廣泛應用于建材、交通、環保、能源等領域，目前已成為國內外廣泛關注的一個熱點領域。

1 地聚合物基材料研究現狀

1.1 地聚合物基材料

地質聚合物（Geopolymer）這一概念最早是在上個世紀70年代末首先由法國科學家Joseph Davidovits提出，現在人們一般把由硅氧四面體和鋁氧四面體聚合而成的具有非晶態和準晶態特征的三維網絡凝膠體統稱為地質聚合物。近十年來地聚合物成為國際上研究非常活躍的一類新材料。地聚合物基材料主要包括以地質聚合物為基體的復合材料及多孔材料，地聚合物基復合材料是以地質聚合物為基體材料，玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維、PVA、PVC等纖維為增強材料制備的復合材料，與傳統的復合材料相比具有造價低、工藝簡單、強度高、耐腐蝕性強等特點；地聚合物基多孔材料是以活性高無鈣或低鈣鋁硅質材料如高嶺土、礦渣、粉煤灰等為主要原料，通過發泡法或造孔劑法制備的多孔材料，具有比表面積大、吸附容量大、化學穩定性好、硬度高、耐熱性優良等諸多優良特性。

1.2 地聚合物基材料研究現狀

1.2.1 地聚合物基復合材料的研究現狀

廣西大學宋曉玲、崔學民等人制備了PVC/地質聚合物復合材料并對其加工塑化、力學性能、熱性能及斷面形貌進行研究，少量地聚物的引入可促進 PVC 樹脂的塑化，地聚物分散尺寸較小，在基體中分散較均勻，并與 PVC 基體有良好的界面結合，可有效發揮地聚物剛性粒子對 PVC 的增強增韌作用，東南大學張云生等人以偏高嶺土為原料，添加粉煤灰和聚乙烯醇（PVA）通過擠壓成形技術制備了地聚合物基復合材料，結果擠壓成形彎曲強度更高，摻或摻加少量粉煤灰(10%)的地聚合物基復合材料彎曲強度高，當粉煤灰的摻加量30%時，地聚合物基復合材料的彎曲強度顯著下降，但延性增大。法國Davidovitst在地聚合物原料中摻加玻璃纖維、碳纖維、碳化纖維等，使產物的抗彎強度已分別達到140MPa、175MPa、210MPa。

2 地聚物基材料應用展望

2.1 地聚合物基復合材料的應用展望

地聚合物基復合材料較地聚合物材料具有更高的強度，它必將在我國軍事、民用、科技等領域具有非常廣闊的應用前景。可部分代替水泥，降低生產水泥的能耗，另一方面可大量使用類粘土資源，如工業廢渣粉煤灰、冶金礦渣等，降低此類材料對環境的污染。此外，利用地聚合物基復合材料較好的力學性能及低能耗、簡單的制備工藝可部分替代金屬與陶瓷材料做為結構部件、模具材料使用；利用其快凝早強性用于機場跑道、通訊設施、道路橋梁、軍事設施的快速建造與修復；利用其輕質、隔熱、阻燃、耐高溫等特性用作新型建筑裝飾材料，耐火保溫材料，開發其他用途如發動機排氣管外包隔熱套管等。地聚合物基復合材料工藝、性能及用途如表1所示。

表1 地聚合物基復合材料工藝、性能及用途

2.2 地聚合物基多孔材料的應用展望

地聚合物基多孔材料可用作過濾分離器，實現氣體和液體的過濾和分離；具有大量的氣孔率，可降低導熱率，具有防火性、保溫隔熱性，可用作建筑用隔熱材料和換熱器；具有大的交換面積、耐熱、耐蝕、不污染，可用在冶金、陶瓷、石油回熱系統；由于存在大量孔洞，聲能被吸收具有隔音效果，可用作會議室、工廠、車間、音樂廳等場所的內墻面、頂棚、墻面的隔音材料；具有多孔道結構和物理、化學性質穩定，可作為濕敏元件或氣敏元件，將其放入相應介質中，通過化學吸附使地聚合物基多孔材料的電導性或電容性改變，可用作敏感元件及新能源多孔功能材料的制備，如多孔電極、儲氫材料[8]。

3 結論

地聚合物基材料具有許多優越特性，正逐步成為廣大學者的研究熱點，近年來隨著地聚合物基材料制備工藝和性能等各方面的深入研究，必將在能源、環保、功能材料更廣泛的領域得以應用，取得巨大的經濟和社會效益。

地聚合物基材料的研究與應用還存在以下問題：1）復合材料的增強材料選擇；2）多孔材料的孔徑分布及大小的控制；3）材料內部結構的表征；4）拓展功能材料領域的應用。

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