發泡劑對礦渣基地質聚合物氣孔結構及吸水性的影響

2020-08-12 08:08:04王立寧張增志

硅酸鹽通報 2020年7期

王立寧，陳振，張增志,2

(1.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,北京 100083;2.中國礦業大學(北京)生態功能材料研究所,北京 100083)

0 引言

地質聚合物是一種鋁硅酸鹽膠粘劑，通過在室溫或略高于室溫的條件下將含有氧化鋁和二氧化硅的前驅體材料進行堿活化而形成的。其中四面體硅酸鹽和鋁酸鹽單元通過共價鍵形成一個三維結構，而帶負電荷的四面體鋁則被堿離子平衡[1-2]。在過去幾十年里，地質聚合物材料已經成為混凝土膠粘劑中普通硅酸鹽水泥的關鍵替代品之一，它被認為是繼石灰和普通硅酸鹽水泥之后的第三代水泥。這類材料可以通過適當的原料選擇、正確的原料配比和加工工藝的優化來獲得不同的性能，以適應特定環境下的應用[3-4]。

與普通的硅酸鹽水泥相比，地質聚合物材料最大的優點之一是降低了能耗和二氧化碳排放量[5]。據報道，地質聚合物生產產生的二氧化碳排放量通常比水泥熟料少60%～80%[6]。另外，強度高、耐腐蝕、原料廣泛、制備工藝簡單、可塑性好等優點也使得地質聚合物受到了廣泛關注[7-9]。礦渣是高爐煉鐵過程中大量產生的副產品，由于其物理化學性質穩定等特性，成為目前地質聚合物材料的常用原料之一[10-11]。以礦渣為基體，通過發泡工藝，制成的具有較高強度、高氣孔率、低導熱率、低體積密度的多孔材料，在建筑材料、耐火涂料、水污染凈化、儲能蓄熱、消音隔聲等方面均有很好的應用前景[12-13]。黃競霖等[14]研究了多孔地質聚合物中發泡劑含量對材料吸水性和抗折強度的影響。劉瑞平等[15]分析比較了不同種類的發泡劑(過硼酸鈉、過氧化氫和鋁粉)對地質聚合物結構與性能的影響，研究表明，從材料的體積密度、氣孔分布均勻性考慮，過氧化氫的發泡效果更好，且過氧化氫的成本較低，發泡無殘留。因此本實驗主要研究的是過氧化氫作為發泡劑對礦渣基地質聚合物氣孔結構及吸水性的影響。

本文以高爐礦渣、水玻璃、去離子水為主要原料，分別摻雜粉煤灰、偏高嶺土，過氧化氫作為發泡劑，在低溫下(25～70 ℃)通過堿激發反應制備多孔地質聚合物材料，主要研究了發泡劑的含量和不同摻料對氣孔結構、孔隙率、平均孔徑以及吸水性、釋水性的影響，為其在調濕材料領域的應用奠定基礎。

1 實驗

1.1 試劑

本實驗所采用的主要試劑有：高爐礦渣(BFS)、粉煤灰、石英砂(鞏義市元亨凈水材料廠，平均粒徑15.4 μm)，具體化學成分見表1；偏高嶺土(MK,鞏義市元亨凈水材料廠，平均粒徑18 μm)；水玻璃(無錫市亞泰聯合化工有限公司,模數2.31，波美度50)；十二烷基磺酸鈉(上海展云化工有限公司,分析純AR)；30%過氧化氫(北京化工廠,分析純AR)；蒸餾水(實驗室自制)。

表1 原材料的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of the raw materials /%

1.2 實驗過程

用PL203電子天平按照表2中的配比稱取一定質量的高爐礦渣、摻料、十二烷基磺酸鈉(SDS)、石英砂和堿激發劑等。其中，十二烷基磺酸鈉為陰離子表面活性劑，在整個反應過程中起到穩泡的作用，石英砂對漿體的可塑性起調劑作用，防止泡孔塌陷。將上述材料混合成漿料，在室溫下用DJ1C-200電動攪拌器進行機械攪拌3 min后，利用針形注射器在漿體中注入一定量的過氧化氫發泡劑，再攪拌2 min。隨后將混合后的漿料注入到直徑為60 mm的模具中，放置在相對濕度為70%，溫度在70 ℃的恒溫恒濕箱中養護12 h，脫模在室溫下養護7 d，得到礦渣基地質聚合物多孔材料，制備工藝流程如圖1所示。

圖1 礦渣基地質聚合物式樣的制備工藝流程Fig.1 Preparation process of slag-based geopolymer

表2 礦渣基地質聚合物多孔材料的原料配比Table 2 Composition of raw materials of slag-based geopolymer porous materials

1.3 樣品表征

2 結果與討論

2.1 發泡劑含量對氣孔結構的影響

以高爐礦渣為基體材料，分別以粉煤灰、偏高嶺土為摻料，十二烷基磺酸鈉為穩泡劑，研究不同發泡劑含量對地質聚合物材料中氣孔結構的影響。在制備地質聚合物的過程中，分別添加不同含量的過氧化氫所形成的氣孔結構和大小如圖2和圖3所示。利用Image-Pro Plus圖像分析軟件對不同試樣斷面進行分析，得出所對應的孔徑分布如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，在原料相同的情況下，隨著發泡劑含量的增加，地質聚合物的平均孔徑越來越大，且氣孔分布不均勻，通孔率也在不斷增加。其中，圖2(d)和圖3(d)的平均氣孔直徑最大，分別約為0.35 mm和0.425 mm，且孔徑分布范圍較廣，通孔率最大。這是因為過氧化氫含量越高，在混合漿體中反應放出的氧氣越多，材料的平均氣孔直徑越大，氣孔之間碰撞接觸多導致通孔率高。綜合看來，摻料為偏高嶺土的礦渣基地質聚合物發泡效果均優于粉煤灰組，無論是氣孔分布均勻性、通孔率還是大孔孔徑，均優于摻料為粉煤灰的礦渣基地質聚合物。

圖2 粉煤灰摻料地質聚合物泡孔隨發泡劑含量變化Fig.2 Pore structure of fly ash admixture geopolymer varies with the content of foaming agent

圖3 偏高嶺土摻料地質聚合物泡孔隨發泡劑含量的變化Fig.3 Pore structure of metakaolin admixture geopolymer varies with the content of foaming agent

圖4 不同發泡劑用量的粉煤灰摻料地質聚合物的孔徑分布Fig.4 Pore size distribution of fly ash admixture geopolymer with different foaming agent content

圖5 不同發泡劑用量的偏高嶺土摻料地質聚合物的孔徑分布Fig.5 Pore size distribution of metakaolin admixture geopolymer with different foaming agent content

2.2 材料的孔徑對吸水率和釋水時間的影響

以高爐礦渣為基體，分別以粉煤灰、偏高嶺土為摻料，十二烷基磺酸鈉為穩泡劑，通過控制發泡劑含量制備出不同孔徑的地質聚合物試樣，研究泡孔孔徑對地質聚合物吸水率和釋水速率的影響。使用不同劑量發泡劑制備出的試樣所對應的吸水率和釋水速率曲線如圖6和圖7所示，其中圖6是摻料為粉煤灰的多孔地質聚合物材料，圖7是摻料為偏高嶺土的多孔地質聚合物材料。從圖中可以看出，無論摻料是粉煤灰還是偏高嶺土，材料的吸水率隨著發泡劑摻量的增加而增加，材料釋去單位質量的水所用時間則隨發泡劑用量的增加而減少。這是由于發泡劑用量越多導致地質聚合物的泡孔孔徑越大，使泡孔之間連接形成通孔，地質聚合物內部起蓄水作用的主要是這些通孔結構。在釋水環節，材料內部的水分也會經由通孔通道更加快速地釋放到空氣當中，而泡孔孔徑較小的閉孔則釋水速率相對很慢。圖6、圖7中吸水率曲線和釋水時間曲線的交點，則是使地質聚合物同時具有好的吸水性和釋水性的發泡劑用量點。從圖6中可以看出，以高爐礦渣為基體，粉煤灰為摻料的多孔地質聚合物，當其發泡劑用量為1.35 mL 時，材料的吸水率為0.62，釋去單位質量的水所需時間為1.575 h。圖7中，以偏高嶺土為摻料的多孔地質聚合物，當發泡劑用量為1.52 mL時，材料的吸水率為0.65，釋去單位質量的水所用時間為1.4 h，材料兼顧了吸水性和釋水性能。

圖7 偏高嶺土地質聚合物吸水性和釋水時間與發泡劑用量的關系Fig.7 Relationship between the water absorption and water release time of metakaolin admixture geopolymer and the content of foaming agent

圖6 粉煤灰摻料地質聚合物吸水性和釋水時間與發泡劑用量的關系Fig.6 Relationship between the water absorption and water release time of fly ash admixture geopolymer and the content of foaming agent

2.3 集水性能的測試

用以進行集水實驗的試樣為圓餅狀，如圖8所示，目的是增加材料與水蒸汽的接觸面積。將不同發泡劑含量所制備的試樣統一放在一定濕度的氣候箱中，6 h后記錄每個試樣前后質量變化，得出相對集水效率。兩種不同摻料的試樣集水效率曲線如圖9所示，從圖中可以看出，無論制備地質聚合物的摻料為偏高嶺土還是粉煤灰，其集水效率均隨發泡劑含量的增加而提高。這是因為發泡劑含量的增加，使得材料孔徑變大，孔與孔之間的連通性提高，更多的水蒸汽能夠進入到材料內部孔隙，在內部凹面負壓的作用下，凝結成液態水儲存在泡孔里。