CN101012111A - 一种新的制备地聚合物材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新的制备地聚合物材料的方法，涉及功能高分子材料领域。这种以制革废水污泥、粉煤灰及偏高岭土为主要原料，氢氧化钾为碱激活剂合成的地聚合物材料的制备方法，可连续化工业生产制备地聚合物材料，制备工艺简单，成本低，生产周期短，生产过程中不产生污染。因制革废水污泥、粉煤灰都是污染物，本发明方法不仅减少污染利于环保，有效的减少了土地资源的浪费，而且变废为宝，为绿色建筑材料增添了新的成员。本发明方法制备的地聚合物材料具备良好的抗压强度，且对重金属有良好的固化效果。

Description

一种新的制备地聚合物材料的方法
技术领域  本发明属于功能高分子材料领域。
背景技术  地聚合物材料(geopolymers)是法国科学家Davidovits J等人在20世纪70年代末发现的一类新型碱激发胶凝材料。它是利用粘土、粉煤灰、钢渣和矿渣等工业废渣(以铝硅酸盐为主要成分)与碱性硅酸盐溶液混合，在强碱激发下在20～120℃成型固化生成的一类新的无机聚合物材料。地聚合物材料的组成和沸石类似，但结构上呈非晶态或半晶态。特殊的结构使地聚合物材料具有许多传统材料不可比拟的优势，如高强、早强、耐酸碱、低渗透、低收缩、低膨胀、低导热、耐高温和耐久性好等优点。因此，地聚合物材料在绿色建筑材料、固封材料、密封材料和耐高温阻燃材料等方面已显示出巨大的应用前景。在以粉煤灰为主要原料制备地聚合物材料方面，制备方法各异。比如：齐齐哈尔大学材料科学与工程系郝德生等人采用高岭土矿物原料经过500～900℃煅烧，在一定细度下掺入适量粉煤灰，加入碱性激发剂，制备成粉煤灰地质聚合物试样；南昌大学建筑工程学院胡明玉等人以粉煤灰为主要原料，以沸石或膨润土为矿物掺合料，NaOH和生石灰粉为激发剂，在常温下合成粉煤灰地聚合物材料；河北大学化学与环境科学学院徐建中等人以粉煤灰为主要原材料，合成了一系列含有重金属的地聚合物，并根据固体废弃物的毒性溶出程序，检验了Cu(II)，Zn(II)，Pb(II)，Cd(II)，Cr(III)和Ni(II)在地聚合物中的固化效果；澳大利亚学者Hussain，M.等人采用高龄土、硅酸钾、氢氧化钾溶液与环氧树脂以不同比例混合得到无机-有机杂化地聚合物材料。另外，还有中国台湾学者Cheng，T.W.等人利用粒型顶吹高炉钢渣制备耐火地聚合物材料，研究发现地聚合物材料的固化时间和温度、氢氧化钾浓度、偏硅酸盐和硅酸纳溶液的加入量有关；新西兰IND RES LTD研制了一种可用于建筑材料及危险物质、放射性物质包埋材料的以粉煤灰为主要组分的新的地聚合物成型材料；比利时学者Lecomte I等人研究了由高岭土或白土和钢渣组成的无机聚合材料的合成。
然而，以制革废水污泥、粉煤灰及偏高岭土为主要原料，氢氧化钾为碱激活剂合成地聚合物材料在国内、外文献中未见报道。可见，以制革废水污泥、粉煤灰及偏离岭土为主要原料，氢氧化钾为碱激活剂合成一系列的地聚合物材料的制备方法，不仅对于有效消除污染物，达到环保目的具有积极意义，而且对有效减少土地资源浪费，批量生产新的绿色建筑材料具有重要的现实意义。
发明内容  本发明是以制革废水污泥、粉煤灰及偏高岭土为主要原料，氢氧化钾为碱激活剂合成一系列的地聚合物材料制备方法，同时通过抗压强度和重金属的溶出率对制备的地聚合物材料的力学性能及重金属的固化效果进行了研究。研究结果证明，本发明方法利用了制革废水污泥和粉煤灰两种工业固体废弃物制备的地聚合物材料方法正确，制备的地聚合物材料具有较高的抗压强度，重金属的溶出率低(避免了二次污染)，是一种有广泛用途的绿色建筑材料。
本发明的以制革废水污泥、粉煤灰及偏高岭土为主要原料，氢氧化钾为碱激活剂合成地聚合物材料的制备方法，具体步骤如下：
1、原料与试剂准备：粉煤灰(原灰)；高岭土(化学纯)；硅酸钾(工业级，液体，K2O/SiO2＝2.8-3.0)；制革废水污泥(粉状)；氢氧化钾(分析纯)；偏高岭土(由高岭土在650℃下煅烧8h制成)。
2、碱激活剂的配制：将硅酸钾与氢氧化钾溶于蒸馏水中制成碱溶液。
3、聚合反应制备：将按一定比例的偏高岭土，粉煤灰和制革废水污泥分别加入上述碱溶液中，在水泥搅拌机中搅拌，搅拌时间在0.5～4.0小时，使之发生聚合反应。
4、地聚合物材料成型：待聚合反应完全后，将生成物倒入三联模中，振荡5～10分钟使之均匀，然后以聚乙烯薄膜密封，最后在60℃下养护24小时脱模成型，恒重后得成品。
本发明方法的优点在于：
(1)可连续化工业生产制备地聚合物材料，制备工艺简单，成本低，生产周期短，生产过程中不产生污染。
(2)制革废水污泥、粉煤灰都是污染物，本发明方法不仅减少污染利于环保，有效的减少了土地资源的浪费，而且变废为宝，为绿色建筑材料增添了新的成员。
(3)本发明方法制备的地聚合物材料不仅具备良好的抗压强度，而且对重金属有良好的固化效果。
具体实施方式  通过本发明的制备方法分别生产了地聚合物材料，生产的主要原料制革废水污泥、粉煤灰组成见表1、表2，生产原料配比见表3，生产的合成工艺见表4，生产的地聚合物材料的基本性能见表5。
表1粉煤灰的组成(质量％)
  氧化物   质量％
  SiO2   47.42
  Al2O3   30.90
  CaO   1.88
  Fe2O3   5.38
  MgO   1.93
  TiO2   1.50
  SO3   0.78
  燃烧失重   7.8
表2制革废水污泥的化学组成(质量％)
 元素   Al   Si  Mg   K   Ca   Fe     S
 含量   5.57   11.43  3.25   2.86   60.53   9.90     1.62
表3生产的原料配比
   配料     批号1     批号2
   粉煤灰     70％     40％
   制革废水污泥     20％     50％
   偏高岭土     10％     10％
   碱激活剂(硅酸钾、氢氧化钾)     浴比约为1∶45     浴比约为1∶45
表4地聚合物材料制备的合成工艺时间过程
表5生产的地聚合物材料的基本性能
Figure A20071000340400061

Claims (4)

1、一种新的制备地聚合物材料方法，涉及可选用原料：
粉煤灰；高岭土；硅酸钾；制革废水污泥；氢氧化钾；偏高岭土。
并采用下述制备方法：
(1)、原料与试剂准备：粉煤灰(原灰)；高岭土(化学纯)；硅酸钾(工业级，液体，K2O/SiO2＝2.8-3.0)；制革废水污泥(粉状)；氢氧化钾(分析纯)；偏高岭土(由高岭土在650℃下煅烧8h制成)。
(2)、碱激活剂的配制：将硅酸钾与氢氧化钾溶于蒸馏水中制成碱溶液。
(3)、聚合反应制备：将按一定比例的偏高岭土，粉煤灰和制革废水污泥分别加入上述碱溶液中，在水泥搅拌机中搅拌，搅拌时间在0.5～4.0小时，使之发生聚合反应。
(4)、地聚合物材料成型：待聚合反应完全后，将生成物倒入三联模中，振荡5～10分钟使之均匀，然后以聚乙烯薄膜密封，最后在60℃下养护24小时脱模成型，恒重后得成品。
2、根据权利要求1所述制革废水污泥是强碱性的制革废水净化后形成的废水污泥。
3、根据权利要求1所述应用制革废水污泥和粉煤灰为主要原料是本发明的新型制备工艺特征。
4、本发明涉及的碱激活剂组成配方及其制备步骤，包括推荐的实施例在这里得到了详细的描述。该实例有助于理解本发明，但不能理解为限制本发明。应该对于那些精通本领域的人来说，根据本发明上述的方法，可以对本发明做出许多变化和/或改进，凡是应用制革废水污泥和粉煤灰为主要原料利用本发明方法制备生产地聚合物材料仍在本发明所规定的权利要求范围之内。
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