機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用

劉偉偉

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用

劉偉偉

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

機(jī)械力化學(xué)化學(xué)的研究、應(yīng)用經(jīng)歷了一定的發(fā)展，當(dāng)前已成為化學(xué)專業(yè)重要的分支。機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用，主要是根據(jù)機(jī)械力化學(xué)的特征、機(jī)理，研究現(xiàn)代建筑中材料合成的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。事實(shí)證明，機(jī)械力化學(xué)在水泥生產(chǎn)、制陶等方面都有巨大的貢獻(xiàn)，文章通過(guò)分析機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用及應(yīng)用中存在的問(wèn)題，客觀分析了當(dāng)前機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的作用，并對(duì)其發(fā)展和研究提出了若干見(jiàn)解，以便更好地針對(duì)問(wèn)題、解決問(wèn)題，促進(jìn)建筑材料工藝的發(fā)展和優(yōu)化。

機(jī)械力化學(xué)；特征；機(jī)理；建筑材料合成；應(yīng)用

機(jī)械力化學(xué)的研究給化工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇，機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用也很廣泛，特別是隨著老舊建筑材料的淘汰、新型建筑材料的不斷開(kāi)發(fā)，機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用也逐漸普遍起來(lái)。機(jī)械力化學(xué)的特點(diǎn)、應(yīng)用機(jī)理等都表明其很適合應(yīng)用于建筑材料的合成中，對(duì)機(jī)械力化學(xué)的研究勢(shì)必會(huì)推動(dòng)建筑材料合成行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 機(jī)械力化學(xué)與建筑材料合成

（1）機(jī)械力化學(xué)的發(fā)展。機(jī)械力化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)重要分支，主要研究通過(guò)機(jī)械能誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，以降低化學(xué)反應(yīng)的難度，更高效地誘導(dǎo)材料的組織、結(jié)構(gòu)、性能發(fā)生變化，使其適用于不斷發(fā)展的建筑工程需求。也就是說(shuō)機(jī)械力化學(xué)是一門研究新材料或?qū)σ延胁牧线M(jìn)行改性的學(xué)科，目的是制造和發(fā)現(xiàn)更好的建筑材料為人類社會(huì)的發(fā)展服務(wù)。機(jī)械力化學(xué)出現(xiàn)在19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)對(duì)這一領(lǐng)域的研究比較粗放，應(yīng)用也較少。進(jìn)入20世紀(jì)后，機(jī)械力化學(xué)的發(fā)展很快，并被廣泛的應(yīng)用于礦物原料加工、新建筑材料加工、陶瓷制造等方面，極大的豐富了建筑材料的種類。例如，傳統(tǒng)的建筑材料水泥、瓷磚等，都會(huì)借助機(jī)械力化學(xué)的相關(guān)技術(shù)提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效益。又如新的建筑材料，新型隔熱材料、納米材料等，也借助了機(jī)械力化學(xué)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了這些材料的大規(guī)模生產(chǎn)，提高了建筑材料的整體質(zhì)量和美觀度。

（2）機(jī)械力化學(xué)特征。機(jī)械力化學(xué)既然是一門研究機(jī)械能誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)，那么機(jī)械力化學(xué)最主要的研究目的就應(yīng)該是提高化學(xué)反應(yīng)的效率，從而提高生產(chǎn)效益。這一點(diǎn)可以表現(xiàn)在多個(gè)方面，例如，建筑材料生產(chǎn)中會(huì)利用機(jī)械力化學(xué)誘發(fā)一些反應(yīng)，這些反應(yīng)在常規(guī)情況下需要較為苛刻的反應(yīng)條件。例如，制造Al-Al2O3符合材料時(shí)，通常情況下需要先磨制出Al-Al2O3，再將其置于特殊的混合氣體中（氬氣和氫氣按一定比例混合），在1400℃的高溫下煅燒而成。這一方法成本高、效率低。利用機(jī)械力化學(xué)可顯著地降低化學(xué)反應(yīng)的溫度，節(jié)省了材料制備的時(shí)間，提高了材料制備的效率。其次，機(jī)械力化學(xué)與熱力化學(xué)反應(yīng)有很大區(qū)別，一些熱力化學(xué)不能完成的反應(yīng)通過(guò)機(jī)械力化學(xué)可以完成，這就增加了人類發(fā)現(xiàn)新材料的幾率，同時(shí)也增強(qiáng)了人類對(duì)改良建筑材料的能力。此外，機(jī)械力化學(xué)受周圍環(huán)境影響較小，其反應(yīng)穩(wěn)定性高于熱力化學(xué)。第三，機(jī)械力化學(xué)打破了常規(guī)化學(xué)反應(yīng)的定義，使化學(xué)研究領(lǐng)域得到了更大地拓展，將更多的不可能變成可能，這樣，能夠使化學(xué)更好地造福人類。

（3）機(jī)械力化學(xué)的機(jī)理。機(jī)械力化學(xué)的機(jī)理大致分為三種，第一種，等離子機(jī)理，就是利用機(jī)械能使物質(zhì)釋放出電子和離子，這個(gè)時(shí)候物質(zhì)的結(jié)構(gòu)將被破壞，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)會(huì)形成一個(gè)等離子空間，等離子體能夠在瞬間膨脹、爆發(fā)，散發(fā)出巨大的能量，這些能量遠(yuǎn)高于熱化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，足以誘發(fā)一些熱化學(xué)能不能誘發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。第二種，局部升溫機(jī)理，顯而易見(jiàn)就是提高物質(zhì)局部的溫度，使其發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到誘導(dǎo)物質(zhì)內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)、性能發(fā)生變化的目的。這種機(jī)械力化學(xué)機(jī)理是利用局部碰撞使碰撞點(diǎn)快速升溫，利用高溫誘發(fā)熱化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)會(huì)被控制在納米尺度范圍內(nèi)，對(duì)納米晶的粒度有所要求。在高溫環(huán)境下，熱反應(yīng)會(huì)使晶體缺陷的擴(kuò)散和原子局部進(jìn)行重新排列，以達(dá)到材料改性的目的。第三種，固態(tài)合成機(jī)理，這一機(jī)理模型的研究利用了高能魔球過(guò)程中擴(kuò)散的特點(diǎn)，先把材料顆粒和晶體細(xì)化，使其產(chǎn)生裂紋，表面和密度發(fā)生變化，結(jié)晶的狀態(tài)發(fā)生改變。然后再使其發(fā)生化學(xué)變化，得到生產(chǎn)所需的材料。這一機(jī)理常被用于水泥、瓷磚等建筑材料的制造中，節(jié)省了生產(chǎn)成本、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

2 機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用

（1）機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中應(yīng)用的現(xiàn)狀分析。機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用非常廣泛，例如，水泥建材的合成，水泥的基礎(chǔ)材料中有一種碳硫硅鈣石，在傳統(tǒng)生產(chǎn)中需要很高的溫度才能合成，能耗非常大。利用機(jī)械力化學(xué)，在球磨機(jī)中2～4h就能制成，大大的提高了生產(chǎn)的效率，還節(jié)省了能源。機(jī)械力化學(xué)在水泥的合成中起到了極大的作用，水泥合成的主要原料需要通過(guò)機(jī)械力化學(xué)的相關(guān)工藝進(jìn)行破碎、磨細(xì)等加工，然后再混入一些材料進(jìn)行煅燒。這一過(guò)程機(jī)械力化學(xué)的應(yīng)用不僅降低了水泥生產(chǎn)的能耗，提高了水泥產(chǎn)量，而且改善了水泥的性能，大大地提高了水泥生產(chǎn)的效益。又如，機(jī)械力化學(xué)在陶瓷粉末制造中的應(yīng)用。利用機(jī)械力化學(xué)能夠快速制造出多種陶瓷粉末，不僅提高了生產(chǎn)效益，還提高了陶瓷制品的性能。一般情況下，陶瓷粉末的基礎(chǔ)原料La2O3（氧化鑭）、CaO（氧化鈣）、MnO2（二氧化錳）、Mn3O4（四氧化三錳）都比較穩(wěn)定，利用機(jī)械力化學(xué)使其破碎，表面積增大，能夠得到相應(yīng)的粉末，在球磨機(jī)作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其形成制作陶瓷所需的粉末，這一過(guò)程很大程度降低了陶瓷燒成的難度，提高了陶瓷制造的工藝，使更精美、性能更好的陶瓷制品出現(xiàn)在建材市場(chǎng)。再如，納米新型材料的制法，在不需要提供任何熱能的情況下，材料之間會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)，這樣就能通過(guò)機(jī)械力化學(xué)得到想要的納米材料。還有機(jī)械力化學(xué)在合金材料制造中的應(yīng)用也很廣泛，采用這種技術(shù)不僅能夠節(jié)省材料制造的成本，還使材料的熱穩(wěn)定性更好，比用常規(guī)的方法制造合金材料效率高得多，而且增加了材料的附加值，使材料的使用效益得到提高。總之，機(jī)械力化學(xué)在建筑材料制造中的應(yīng)用非常廣泛，并且有很廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前隨著建筑市場(chǎng)新型材料的不斷涌出，機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用越發(fā)的受到重視，這一現(xiàn)象也表明，機(jī)械力化學(xué)的研究成果，將會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的效益，為建筑業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更多的驚喜與挑戰(zhàn)。

（2）機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中應(yīng)用的問(wèn)題分析。機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中發(fā)揮了巨大作用，但也存在一些問(wèn)題。例如，一些建筑材料的合成還處于實(shí)驗(yàn)室完成階段，并不能應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，或?qū)嶋H生產(chǎn)當(dāng)中材料的性能與實(shí)驗(yàn)室合成材料的性能有所差別。這就要求我們要進(jìn)一步研究機(jī)械力化學(xué)的應(yīng)用，使其能夠更好地為人類生產(chǎn)、生活服務(wù)。而現(xiàn)階段，機(jī)械力化學(xué)的研究還沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論體系，其在建筑材料合成中的應(yīng)用與發(fā)展還需要更多研究者付出更多的心血。又如，機(jī)械力化學(xué)反應(yīng)的條件比較復(fù)雜，稍微的偏差都可能生成另一種物質(zhì)，而對(duì)于材料合成生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)條件的掌控不是很容易。以硅鈣石、雪硅鈣石為例，鈣、硅、水灰比及球磨時(shí)間決定了所得產(chǎn)物的差異，而兩種產(chǎn)品制造的材料、工藝基本相似。由此可見(jiàn)，機(jī)械力化學(xué)應(yīng)用中，產(chǎn)品制造的條件極為嚴(yán)格，且物質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、物理變化非常復(fù)雜，要控制整個(gè)過(guò)程使其生成預(yù)測(cè)的產(chǎn)品，就需要在產(chǎn)品制造過(guò)程中準(zhǔn)確掌控各種條件，這樣才能得到理想的材料。此外，污染問(wèn)題、廢液處理等問(wèn)題，也影響了機(jī)械力化學(xué)的發(fā)展和推廣，影響了其在建筑材料制造中優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。因此，應(yīng)用機(jī)械力化學(xué)制造建筑合成材料的過(guò)程中，不僅需要嚴(yán)格按照制作工藝要求進(jìn)行，還需要不斷地探索、研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐繼續(xù)提高和優(yōu)化建筑材料制造工藝。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械力化學(xué)在建筑材料合成中的應(yīng)用還不夠成熟，但是，即便是應(yīng)用的起步階段已經(jīng)給建筑材料合成行業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，其中蘊(yùn)含著巨大的開(kāi)發(fā)潛能。因此，對(duì)于機(jī)械力化學(xué)應(yīng)用研究中的各種困難、各種挫折我們要客觀分析、理性對(duì)待，依靠自己的智慧和經(jīng)驗(yàn)參考、實(shí)驗(yàn)研究等得到最真實(shí)、可靠的建筑材料合成工藝，使機(jī)械能化學(xué)的應(yīng)用能夠形成系統(tǒng)的、成熟的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以推動(dòng)現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展。

［1］徐林建，熊興泉.機(jī)械力化學(xué)在石墨烯材料原位制備中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程，2014，（6）:19-23.

［2］李強(qiáng)，師長(zhǎng)偉，代俊鵬，等.機(jī)械力與化學(xué)激發(fā)劑對(duì)水泥摻合料改性實(shí)驗(yàn)研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，（7）:729-733.

［3］樊磊，劉光焰，李龍姣，等.機(jī)械粉磨對(duì)玻璃粉物理性能的影響［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2016，（8）:194-194.

［4］馮剛，趙靜，李艷，等.機(jī)械力化學(xué)改性白云母增強(qiáng)聚丙烯符合材料［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2017，（5）:737-742.

劉偉偉（1995-），男，陜西延安人，大學(xué)本科，主要從事應(yīng)用化學(xué)方面的學(xué)習(xí)與研究工作。