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合成水化硅酸盐纳米粉体胶凝材料研究

彭小芹  
【摘要】:硅酸盐材料、金属材料、高分子材料是现代三大类人造材料。传统的水热合成水化硅酸盐材料主要追求结晶良好的矿物组分,如硬硅钙石、托贝莫来石、水石榴石等,不仅能耗高,而且产品的功能有限。本论文将着眼点放在结晶度很低、比表面积极大、粒径尺寸数十纳米的水化硅酸盐材料上,研究其制备工艺和应用,能耗低、可利用工业废渣、污染小,符合节约能源和资源及可持续发展的战略方向。对于拓宽合成水化硅酸盐的应用领域,很有理论意义,同时,对于改造传统的硅酸盐工业生产工艺,调整产品结构,具有实用价值。 本论文采用常见的动态水热合成工艺,分别以硅藻土和粉煤灰为硅质材料,石灰为钙质材料,在一定的蒸压制度下制备出结晶不良、比表面积极大、颗粒尺度40nm左右的水化硅酸盐粉体材料。研究了原材料种类、C/S、蒸压制度对产物性能的影响,采用XRD、N2吸附法、SEM、TEM、DSC-TG等一系列现代测试技术对制得的水化硅酸盐粉体材料进行了形貌、粒度等性质的分析研究;根据非稳定结构矿物质具有接触硬化性能的原理,将制得的纳米水化硅酸盐粉体压制成立即具有强度和耐水性的块体材料,研究了成型压力、持荷时间对块体材料力学性能和耐水性的影响;用制得的纳米水化硅酸盐粉体材料取代常规涂料中的惰性填料,配制出性能优异的水溶性外墙涂料,并对其改性机理进行了初步分析。 本论文的研究结论及成果如下: 1.水化硅酸盐纳米粉体材料制备研究 (1) 分别以低硅硅藻土和粉煤灰为硅质原料,石灰为钙质原料,采用动态水热合成工艺方法,选用一定的配合比和蒸压制度,制得了结晶不良、比表面积极大的水化硅酸盐纳米粉体材料。在透射电镜下可观察到粉体材料是由许多粒径为40nm左右的小颗粒连接、堆砌、团聚而成。其制备工序主要包括:原材料预处理、配料、水热合成、过滤、干燥。工艺较简单,便于操作和工业化生产推广。 (2) 采用多种现代测试手段对不同C/S、蒸压制度下的产物进行了研究,发现C/S为1,恒温温度(120±5)℃,恒温时间7h时所得到的纳米粉体材料比表面积最大,可达57.5m2/g(硅藻土原料)和104.7 m2/g(粉煤灰原料),孔容积最大,可达0.20ml/g和0.30ml/g,最可几孔半径为0.85nm和0.87nm;恒温10h时,由SME和TEM测试结果发现水热反应最为完全,所得产物颗粒最为均匀,结合其力学性能,得出C/S为1时最佳的蒸压制度为恒温温度120℃,恒温时间为7~10h。 (3) 结合各种微观测试结果分析,得出硅质原料和钙质原料的水热合成反应机理主要为溶解—沉淀反应。其主要产物水化硅(铝)酸钙,无定形态、结晶较差的居多,有的局部结晶较好。组成较复杂,在C/S为1,恒温温度120℃,恒温时 WP=6 间10h时,以硅藻土为硅质原料的水化产物,其平均组成为Ca1.59SiAl0.298O1.088;以粉煤灰为硅质原料的水化产物,其平均组成为Ca0.271Mg0.140SiAl1.273Fe0.127O1.840。 2. 水化硅酸盐纳米粉体材料胶凝性能研究 (1) 根据非稳定结构物质具有接触硬化性能的原理,对所制得的结晶不良的水化硅酸盐纳米粉体采用压制成型的方式制成块体材料,不需要养护立即具有强度和耐水性,证实了这种粉体材料在压力作用下确实具有胶凝性。其微粒间的结合力与纳米粉体巨大的表面能有关,即结合能主要由表面能转化而来,另外还有粘附、机械啮合等物理作用。这一研究结果拓宽了传统胶凝材料的涵义。 (2) 研究了不同配合比、不同成型压力、不同持荷时间对块体材料强度和软化系数、表观密度的影响。强度和成型压力有直接关系,成型压力越高,试块强度越高,持荷时间有一定的影响。在成型压力80MPa,持荷时间为10min,制得了表观密度为1.38 g / cm3,立即抗压强度为40.6MPa,抗折强度为7.58 MPa,软化系数为0.72的块体材料。这一研究结果为制造生产墙体材料开辟了一条新的途径。 (3) 为改善块体材料的脆性和提高软化系数,分别加入纤维和聚合物或复合加入进行对比。结果表明单掺纤维或聚合物,对块体材料性能改善意义不大,相反,会对其他性能(如强度)有不利的影响,复合掺入纤维和聚合物,可提高块体材料的强度和耐水性,加入少量水泥,效果更好。 3. 水化硅酸钙纳米粉体应用于涂料的研究 (1) 采用常用的VAE、纯丙、苯丙等乳液作基料,以所制得的水化硅酸盐纳米粉体作填料,替代常用涂料中的碳酸钙等惰性填料,研究了不同配合比的涂料的各种性能,配制出各项性能指标优异的水溶性外墙涂料,其中最为突出的是耐洗刷次数达20900次,耐酸、耐碱、耐水均达648h以上,抗冻融循环25次以上,耐人工老化800h。 (2) 对水化硅酸盐纳米粉体的改性作用进行了初步分析,认为所制得的粉体在涂料中并不仅仅起惰性填料作用,其极大的比表面积使其与高分子聚合物乳液的结合更紧密均匀。另外,其主要成分是水化硅酸盐,与抹墙面的砂浆、混凝土基底属同类物质,其吸附性,相容性更好。


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