偏高嶺土地質聚合物仿瓷材料的試驗研究

孫春曉 陸銀平 李嬌陽

(河南理工大學資源環境學院，河南 焦作 454000)

偏高嶺土地質聚合物仿瓷材料的試驗研究

孫春曉 陸銀平 李嬌陽

(河南理工大學資源環境學院，河南 焦作 454000)

以偏高嶺土為原料，水玻璃為激發劑制備了地質聚合物材料，研究了激發劑的模數、摻量、水土比及養護方式對地質聚合物抗壓強度的影響，確定了此類地質聚合物的最佳制備條件為水玻璃模數1.0，堿摻量10%，水土比0.25，自然條件下養護，并探討了地質聚合物的開裂和氣泡問題，從而制備了性能優良的地質聚合物仿瓷材料。

地質聚合物，偏高嶺土，開裂，氣泡

地質聚合物是法國的J.Davidovits在20世紀70年代開發的，并取名為Geopolymer。該詞原意是指由地球化學作用或地質合成作用而形成的鋁硅酸鹽聚合物，這一概念發展到今天則包括了所有采用天然礦物或固體廢棄物制備成的以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[1]。地質聚合物具有生產工藝簡單、養護時間短，反應熱低、體積穩定性好、早期強度高、耐酸堿、耐高溫、界面結合力強等優良特性。本文利用硅酸鹽原料研制了地質聚合物的基本配方，并重點針對陶瓷材料的特性和要求，研制了性能優良的仿瓷材料。

1 試驗原料及步驟

偏高嶺土是河南省焦作市煜坤礦業有限公司生產的1 250目偏高嶺土，主要成分和性能見表1和表2。水玻璃是市場售的模數M=3.3的固體水玻璃，NaOH是天津市大陸化學試劑廠生產的化學純試劑，水是城市普通自來水,HPMC、表面活性劑和磷酸三丁酯均是市場售的。

表1 偏高嶺土的化學成分

表2 偏高嶺土的理化性能

試驗步驟如下：1)水玻璃溶液的配制。將一定量的水玻璃與一定量濃度的NaOH進行調配。2)地質聚合物材料的制備。稱量偏高嶺土與固體粉料，在容器中進行均勻混合，然后將其與配好的水玻璃溶液一起攪拌，攪拌均勻后將其裝入40 mm×40 mm×40 mm的生鐵模具中，24 h后脫模，不同養護方式養護3 d。3)測試樣品的抗壓強度。

2 地質聚合物材料性能的影響因素

2.1 原料配比對強度的影響

本試驗選擇了水玻璃模數、堿摻量、水土比三個因素進行正交試驗，采用自然條件下養護3 d，測試其強度，試驗設計和試驗結果見表3。由表3我們可以看出：對地質聚合物強度的影響由大到小的次序依次是堿摻量、水玻璃模數和水土比。隨著堿摻量的增大，地質聚合物的強度逐漸增大，但堿摻量達到一定值時隨著摻量的增大地質聚合物泛堿現象較為嚴重，不具有研究價值，所以，我們把10%的堿摻量確定為最佳堿摻量。隨著水玻璃模數的增大，地質聚合物強度逐漸減小，因為模數較大時堿的激發能力不足，有資料[2]顯示：模數為0.8時，1 d強度較高，但3 d和7 d的強度均較小且調配溶液需要較多NaOH，且溶液短時間易固化，因此不宜應用，我們通過試驗也得出了類似的結論。隨著水的加入量的增大地質聚合物強度先增后減，因為隨著水的引入量的增加地質聚合物反應更加完全，但加入到一定量時隨著水的增加地質聚合物密實度降低導致強度降低，因此我們把水土比為0.25確定為最佳水土比。所以，確定的該類地質聚合物的最佳配比為：水玻璃模數1.0，堿摻量10%，水土比0.25。

表3 水玻璃模數、摻量、水土比的影響

2.2 養護方式對強度的影響

考慮到試驗條件及施工的方便性，本試驗采用自然養護、水中養護、養護箱養護、先養護箱再自然養護四種不同的養護方式進行養護，測定了1 d，3 d和7 d的抗壓強度，試驗測試結果見圖1。

由圖1可看出：自然條件下養護的地質聚合物早期強度較低，但是，3 d和7 d強度都較高。其他三種養護方式的早期強度都較高，但是，水中養護和養護箱養護的7 d強度都較低，只有先養護箱再自然養護的地質聚合物樣品早期強度和后期強度均較高，應為最佳養護條件。考慮到工業化生產的操作難度，我們認為自然條件下養護較為適合，在生產對早期強度要求較高的產品時，可以考慮其他養護方式。

3 地質聚合物仿瓷材料常見缺陷及解決方法

1)開裂。地質聚合物仿瓷材料制備過程中經常會出現開裂現象。開裂問題的出現，導致材料不具有使用價值。本試驗以上述配比為基礎，試圖通過模具改進及外加劑的使用解決開裂問題。我們采用的外加劑有羥丙基甲基纖維素(HPMC)、石英砂和纖維。試驗結果表明：采用橡膠模，并添加羥丙基甲基纖維素(HPMC)效果最好。這是由于羥丙基甲基纖維素具有較好的保水增稠作用，使材料中的水分不易被蒸發，試樣不易收縮變形，從而解決開裂問題。

2)氣泡。地質聚合物仿瓷材料制備過程中經常會出現氣泡，氣泡除降低試樣強度外，還嚴重影響仿瓷材料的外觀，是必須解決的問題。我們采用添加消泡劑和界面劑的方法解決氣泡問題，我們使用的消泡劑有二甲基硅油和磷酸三丁酯。試驗結果表明：二甲基硅油的消泡效果不明顯，界面劑的加入有利于降低地質聚合物材料的表面張力，使之與模具具有很好的結合能力，具有一定的消泡作用，磷酸三丁酯消泡效果最好。

4 結語

1)水玻璃模數1.0，堿摻量10%，水土比0.25和自然條件養護為該類地質聚合物的最佳制備條件。

2)用羥丙基甲基纖維素可以解決開裂問題，磷酸三丁酯可以解決氣泡問題，從而制備了性能優良的地質聚合物仿瓷材料。

[1] 孫道勝，王愛國，胡普華.地質聚合物的研究與應用發展前景[J].材料導報,2009(4):61-65.

[2] 王愛國，孫道勝，胡普華，等.堿激發偏高嶺土制備土聚水泥的試驗研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2008,31(4)：96.

Experimental study on preparation of metakaolin geopolymer imitation porcelain materials

Sun Chunxiao Lu Yinping Li Jiaoyang

(CollegeofResourcesandEnvironment，HenanUniversityofTechnology，Jiaozuo454000，China)

The effects of the modulus of activator, content, water-solid ratio and the method of curing on the compressive strength of geopolymer material, which is prepared by metakaolin as the raw material and sodium silicate as the activator are dicussed. And that the modulus of sodium silicate is 1.0, dosage of alkali is 10%, water-solid ratio is 0.25 and the conservation of natural conditions are determined. Further studys on crack and bubble problems of the geopolymer. Combining points above, geopolymer imitation porcelain material with excellent performance is made.

geopolymer, metakaolin, crack, bubble

1009-6825(2015)02-0105-02

2014-11-07

孫春曉(1988- )，女，在讀碩士； 陸銀平(1980- )，女，副教授； 李嬌陽(1990- )，女，在讀碩士

TU521

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