偏高岭土地质聚合物仿瓷材料的试验研究

孙春晓 陆银平 李娇阳

(河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000)

偏高岭土地质聚合物仿瓷材料的试验研究

孙春晓 陆银平 李娇阳

(河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000)

以偏高岭土为原料，水玻璃为激发剂制备了地质聚合物材料，研究了激发剂的模数、掺量、水土比及养护方式对地质聚合物抗压强度的影响，确定了此类地质聚合物的最佳制备条件为水玻璃模数1.0，碱掺量10%，水土比0.25，自然条件下养护，并探讨了地质聚合物的开裂和气泡问题，从而制备了性能优良的地质聚合物仿瓷材料。

地质聚合物，偏高岭土，开裂，气泡

地质聚合物是法国的J.Davidovits在20世纪70年代开发的，并取名为Geopolymer。该词原意是指由地球化学作用或地质合成作用而形成的铝硅酸盐聚合物，这一概念发展到今天则包括了所有采用天然矿物或固体废弃物制备成的以硅氧四面体和铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体[1]。地质聚合物具有生产工艺简单、养护时间短，反应热低、体积稳定性好、早期强度高、耐酸碱、耐高温、界面结合力强等优良特性。本文利用硅酸盐原料研制了地质聚合物的基本配方，并重点针对陶瓷材料的特性和要求，研制了性能优良的仿瓷材料。

1 试验原料及步骤

偏高岭土是河南省焦作市煜坤矿业有限公司生产的1 250目偏高岭土，主要成分和性能见表1和表2。水玻璃是市场售的模数M=3.3的固体水玻璃，NaOH是天津市大陆化学试剂厂生产的化学纯试剂，水是城市普通自来水,HPMC、表面活性剂和磷酸三丁酯均是市场售的。

表1 偏高岭土的化学成分

表2 偏高岭土的理化性能

试验步骤如下：1)水玻璃溶液的配制。将一定量的水玻璃与一定量浓度的NaOH进行调配。2)地质聚合物材料的制备。称量偏高岭土与固体粉料，在容器中进行均匀混合，然后将其与配好的水玻璃溶液一起搅拌，搅拌均匀后将其装入40 mm×40 mm×40 mm的生铁模具中，24 h后脱模，不同养护方式养护3 d。3)测试样品的抗压强度。

2 地质聚合物材料性能的影响因素

2.1 原料配比对强度的影响

本试验选择了水玻璃模数、碱掺量、水土比三个因素进行正交试验，采用自然条件下养护3 d，测试其强度，试验设计和试验结果见表3。由表3我们可以看出：对地质聚合物强度的影响由大到小的次序依次是碱掺量、水玻璃模数和水土比。随着碱掺量的增大，地质聚合物的强度逐渐增大，但碱掺量达到一定值时随着掺量的增大地质聚合物泛碱现象较为严重，不具有研究价值，所以，我们把10%的碱掺量确定为最佳碱掺量。随着水玻璃模数的增大，地质聚合物强度逐渐减小，因为模数较大时碱的激发能力不足，有资料[2]显示：模数为0.8时，1 d强度较高，但3 d和7 d的强度均较小且调配溶液需要较多NaOH，且溶液短时间易固化，因此不宜应用，我们通过试验也得出了类似的结论。随着水的加入量的增大地质聚合物强度先增后减，因为随着水的引入量的增加地质聚合物反应更加完全，但加入到一定量时随着水的增加地质聚合物密实度降低导致强度降低，因此我们把水土比为0.25确定为最佳水土比。所以，确定的该类地质聚合物的最佳配比为：水玻璃模数1.0，碱掺量10%，水土比0.25。

表3 水玻璃模数、掺量、水土比的影响

2.2 养护方式对强度的影响

考虑到试验条件及施工的方便性，本试验采用自然养护、水中养护、养护箱养护、先养护箱再自然养护四种不同的养护方式进行养护，测定了1 d，3 d和7 d的抗压强度，试验测试结果见图1。

由图1可看出：自然条件下养护的地质聚合物早期强度较低，但是，3 d和7 d强度都较高。其他三种养护方式的早期强度都较高，但是，水中养护和养护箱养护的7 d强度都较低，只有先养护箱再自然养护的地质聚合物样品早期强度和后期强度均较高，应为最佳养护条件。考虑到工业化生产的操作难度，我们认为自然条件下养护较为适合，在生产对早期强度要求较高的产品时，可以考虑其他养护方式。

3 地质聚合物仿瓷材料常见缺陷及解决方法

1)开裂。地质聚合物仿瓷材料制备过程中经常会出现开裂现象。开裂问题的出现，导致材料不具有使用价值。本试验以上述配比为基础，试图通过模具改进及外加剂的使用解决开裂问题。我们采用的外加剂有羟丙基甲基纤维素(HPMC)、石英砂和纤维。试验结果表明：采用橡胶模，并添加羟丙基甲基纤维素(HPMC)效果最好。这是由于羟丙基甲基纤维素具有较好的保水增稠作用，使材料中的水分不易被蒸发，试样不易收缩变形，从而解决开裂问题。

2)气泡。地质聚合物仿瓷材料制备过程中经常会出现气泡，气泡除降低试样强度外，还严重影响仿瓷材料的外观，是必须解决的问题。我们采用添加消泡剂和界面剂的方法解决气泡问题，我们使用的消泡剂有二甲基硅油和磷酸三丁酯。试验结果表明：二甲基硅油的消泡效果不明显，界面剂的加入有利于降低地质聚合物材料的表面张力，使之与模具具有很好的结合能力，具有一定的消泡作用，磷酸三丁酯消泡效果最好。

4 结语

1)水玻璃模数1.0，碱掺量10%，水土比0.25和自然条件养护为该类地质聚合物的最佳制备条件。

2)用羟丙基甲基纤维素可以解决开裂问题，磷酸三丁酯可以解决气泡问题，从而制备了性能优良的地质聚合物仿瓷材料。

[1] 孙道胜，王爱国，胡普华.地质聚合物的研究与应用发展前景[J].材料导报,2009(4):61-65.

[2] 王爱国，孙道胜，胡普华，等.碱激发偏高岭土制备土聚水泥的试验研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),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

孙春晓(1988- )，女，在读硕士； 陆银平(1980- )，女，副教授； 李娇阳(1990- )，女，在读硕士

TU521

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