地聚合物化学及应用PDF电子书下载

第Ⅰ部分 聚合物和地聚合物 3

第1章 引言 3

1.1 地聚合物技术 3

1.2 本书的范围 6

1.3 早期认识 6

1.4 磷酸盐基地聚合物 8

1.4.1 磷酸盐地聚合物 8

1.4.2 硅磷酸盐地聚合物 8

1.5 有机—矿物地聚合物 8

1.5.1 硅氧烷 8

1.5.2 腐植酸基：油母质地聚合物 9

参考文献 10

第2章 矿物聚合物概念：硅氧化物和地聚合物 12

2.1 硅酮的聚合物特征 12

2.2 有关硅酸盐中离子键和共价键的争议 13

2.3 铝硅酸盐和硅铝酸盐中的共价键 16

2.4 四配位铝还是四价铝 16

2.5 术语 17

2.5.1 聚硅氧／聚硅氧化合物／聚硅烷醇 17

2.5.2 聚硅铝化合物 17

2.6 地聚合物的聚合物特点：地聚合物凝胶 21

参考文献 22

第3章 天然硅酸盐和铝硅酸盐的大分子结构 24

3.1 硅酸盐离子型和共价型结构表述 24

3.2 正硅酸盐，1［SiO4］，正硅氧化合物，锆石［ZrSiO4］ 25

3.3 二硅酸盐2［SiO4］，二-硅氧化合物，绿帘石CaFeAl2OOH［Si2O7］［SiO4］ 26

3.4 三硅酸盐3［SiO4］，三-硅氧化合物，环状硅酸盐，蓝锥矿BaTi［Si3O9］ 27

3.5 四硅酸盐，4［SiO4］，环状硅酸盐［Si4O12］ 27

3.6 六硅酸盐，6［SiO4］，六-硅氧化合物，环状硅酸盐，绿宝石Be3Al2［Si6O18］ 27

3.7 线型聚硅酸盐，［SiO3］n，聚硅氧化合物，链硅酸盐，辉石（Mg，Fe2＋）［SiO3］n，硅灰白［CaSiO3］n 28

3.8 支化聚硅酸盐，聚硅氧化合物，带状结构，闪石［Si4O11］n 29

3.9 片状硅酸盐，［Si2O5］n，二维聚硅氧，复合片层 29

3.9.1 高岭土Al2（OH）4［Si2O5］，硅氧—铝羟基聚合物 30

3.9.2 叶蜡石Al4（OH）4［Si8O20］，聚硅氧—内硅铝合成物 31

3.9.3 白云母K2Al4［Si6Al2O20］（OH）4，聚硅氧—内硅铝合成物 31

3.10 其他片状硅酸盐，黄长石，钙铝黄长石，镁黄长石和五边形排列 32

3.11 网构硅酸盐，石英，鳞石英，SiO2 32

3.11.1 石英的结构 32

3.11.2 鳞石英的结构 33

3.12 网构硅酸盐，霞石Na［AlSiO4］和六方钾霞石K［AlSiO4］ 34

3.13 网构硅酸盐，白榴石K［AlSi2O6］ 35

3.14 网构硅酸盐，长石，双曲柄链［（Si，Al）4O8］n 35

3.14.1 钙长石Ca［Al2Si2O8］ 35

3.14.2 透长石K［AlSi3O8］ 35

3.15 网构硅酸盐，似长石，方钠石Na［SiAlO4］ 36

3.16 网构硅酸盐，沸石基团（Na2，K2，Ca，Ba）［（Al，Si）O2］n·xH2O 37

参考文献 38

第Ⅱ部分 铝—硅酸盐矿物地聚合物的合成 41

第4章 科学分析方法——XRD、FTIR和NMR 41

4.1 X射线衍射分析 41

4.2 红外光谱学 44

4.3 魔角旋转核磁共振光谱学 45

4.3.1 27Al魔角旋转核磁共振光谱学 45

4.3.2 29Si魔角旋转核磁共振光谱学 47

参考文献 50

第5章 聚硅氧化合物和聚硅酸盐，可溶性硅酸盐，Si∶Al＝1∶0 52

5.1 可溶性硅酸盐的历史 52

5.2 可溶性硅酸盐的化学组成 53

5.3 可溶性聚硅氧（钠，钾）化合物，可溶性硅酸盐的生产 53

5.3.1 熔炉工艺 54

5.3.2 实验路线 54

5.3.3 水化热工艺 56

5.4 固态聚硅氧盐，硅酸（钠，钾）玻璃的结构 56

5.4.1 聚硅氧盐、碱型硅酸盐玻璃的分子结构 57

5.4.2 聚硅氧盐、鳞石英玻璃的分子结构 58

5.5 聚硅氧盐的溶解，固态硅酸盐的水解和解聚 62

5.6 聚硅氧盐溶液，可溶性碱型硅酸盐的结构 63

5.6.1 早期研究 63

5.6.2 核磁共振光谱学：可溶组分的鉴定 63

5.6.3 聚硅氧化合物碱型玻璃水化为可溶于水的分子 64

5.7 密度、比重 68

5.8 黏度 68

5.9 pH值和碱硅酸盐溶液的稳定性 69

5.10 粉末状聚硅氧化合物，可溶性水合硅酸碱粉末 69

5.11 聚硅氧化合物MR＝1，偏硅酸钠盐 70

5.12 粉末状等价物替代聚硅氧化合物溶液 71

参考文献 72

第6章 低聚硅酸（钠，钾）盐化学：含水铝硅凝胶和沸石 73

6.1 沸石的合成 73

6.2 假定的和真实的低聚硅酸盐：聚硅酸盐的聚合机理 75

6.3 （硅铝—多硅氧体）聚合物胶体的例子 77

6.3.1 （硅铝化合物—二硅氧体）聚合物胶体 77

6.3.2 （硅氧化合物—内硅氧体）聚合物胶体 78

参考文献 80

第7章 高岭土／水化方钠石基地聚合物（Si∶Al＝1∶1的硅铝聚合物） 82

7.1 基于离子键合概念的高岭土地基聚合机理 82

7.2 水化方钠石、钠—硅铝聚合物中高岭土的超快速原位地聚合过程 84

7.3 基于共价键合概念的高岭土地聚合机理 88

7.4 用煅烧的高岭土制备水化方钠石——钠—硅铝聚合物和沸石A 89

参考文献 91

第8章 偏高岭土MK-750基地聚合物（Si∶Al＝1∶1的硅铝—硅氧聚合物） 94

8.1 硅铝—硅氧（钠—钾）聚合物 94

8.2 铝—硅氧化物：脱羟基化的高岭土MK-750 97

8.2.1 高岭土和脱羟基化的高岭土的特点 98

8.2.2 脱羟基化的高岭土中Al与第Ⅳ族元素作用的早期研究 98

8.2.3 脱羟基化的高岭土的MAS-NMR光谱学分析 99

8.2.4 高岭土的脱羟基化机理 102

8.2.5 MK-750的反应活性，地聚合为硅铝—硅氧（钠，钾）聚合物的过程 104

8.2.6 放热地聚合过程 104

8.2.7 Al（V）含量对硅铝—硅氧聚合物地聚合过程的影响 106

8.2.8 SiO2∶M2O的MR对硅铝—硅氧聚合物的地聚合过程的影响 107

8.2.9 固化温度对硅铝—硅氧聚合物的地聚合过程的影响 108

8.3 正—硅铝盐（OH）2—Si—O—Al—（OH）3形成的化学机理 108

8.3.1 与铝氧体Al（V）—Al—O反应的化学机理 109

8.3.2 Al—O—Al—OH地聚合的化学机理 109

8.4 化学侵蚀的动力学 110

8.5 Na基硅铝盐（硅铝盐聚合物，硅铝—硅氧聚合物，硅铝—二硅氧聚合物）形成的化学机理 111

8.5.1 霞石中Si∶Al＝1的钠—硅铝聚合物网状结构 111

8.5.2 含Q1二硅氧盐的钠长石中Si∶Al＝3的钠—（硅铝—二硅氧）聚合物网状结构 111

8.5.3 含Q0硅氧盐的钙十字沸石中Si∶Al＝2的钠—（硅铝—二硅氧）聚合物网状结构 112

8.6 K基硅铝盐（硅铝盐聚合物，硅铝—硅氧聚合物）形成的化学机理 112

8.6.1 六方钾霞石中Si∶Al＝1的钾—硅铝聚合物网状结构 114

8.6.2 含Q0硅氧盐的白榴石中Si∶Al＝2的钾—（硅铝—硅氧）聚合物网状结构 115

8.7 （Na，K）基地聚合物的简化结构模型 115

8.8 地聚合物中Al—O—Al键合的形成过程 120

参考文献 121

第9章 钙基地聚合物（（Ca，K，Na）硅铝盐，Si∶Al＝1，2，3） 124

9.1 钙—（硅铝—硅氧）聚合物，钙铝黄长石水合物（Ca2Al2SiO7·H2O） 124

9.1.1 古罗马灰泥 124

9.1.2 用MK-750合成钙—硅铝—硅氧聚合物钙铝黄长石 124

9.2 钙—（硅铝—硅氧）聚合物＋（钠，钾）硅铝盐聚合物 127

9.3 钙—（硅铝—硅氧）聚合物，钙铝黄长石基鼓风炉渣 128

9.3.1 铁基高炉矿渣玻璃的制备 128

9.3.2 钙铝黄长石基矿渣的化学组成和矿物组分 129

9.4 用NaOH和KOH对钙—（硅铝—硅氧）聚合物玻璃态矿渣进行碱激发 130

9.4.1 用MAS-NMR光谱学研究碱激发机理 130

9.4.2 碱激发矿渣 133

9.5 MK-750／矿渣基地聚合物 133

9.5.1 Davidovits J．/Sawyer J．L．美国专利4509985（1984年2月授权，1985年批准）的摘录 133

9.5.2 MK-750／炉渣地聚合物中的化学反应 136

9.5.3 可溶性二硅酸钙的形成 137

9.6 MK-750／矿渣的钙基地聚合物中基体的化学原理 141

9.6.1 MAS-NMR光谱学分析 141

9.6.2 电子显微分析 142

9.6.3 化学原理，钙基地聚合物基体固体的溶解 144

9.6.4 钙基地聚合物基体的结构分子模型 146

参考文献 148

第10章 岩石基地聚合物，硅铝—多硅氧聚合物，1＜Si∶Al＜5 151

10.1 成岩矿物材料的碱化和溶解 151

10.1.1 协同溶解和离子键的概念 152

10.1.2 非协同溶解和共价键合的概念 152

10.2 岩石基地聚合反应的（钠，钾）—硅铝聚合物基体 154

10.3 岩石基地聚合的（钾，钙）—（硅铝—多硅氧）聚合物基体 156

参考文献 159

第11章 二氧化硅基地聚合物（硅氧聚合物中硅铝键接和硅氧键接，Si∶Al＞5） 162

11.1 一种有5000年历史的技术 162

11.2 硅石粉 164

11.3 纳米SiO2、微米SiO2和硅灰粉SiO2 164

11.3.1 烟硅粉／SiO2 164

11.3.2 硅粉／微硅粉 165

11.4 稻壳灰 165

11.5 二氧化硅纳米粒子的应用 166

11.6 聚硅氧化合物和聚硅铝酸盐的交联及纳米复合地聚合物 167

11.6.1 纳米聚硅氧地聚合物 167

11.6.2 纳米聚硅醇转化为聚硅氧的29Si的MAS-NMR研究 168

11.6.3 1H的MAS-NMR研究 169

11.6.4 纳米聚硅铝酸钾盐地聚合物复合材料 170

11.7 SiO2纳米粒子对健康的可能危害 171

参考文献 171

第12章 粉煤灰地聚合物 173

12.1 粉煤灰的生产 173

12.1.1 粉煤灰的分类和组成 174

12.1.2 形态学 175

12.2 碱化、溶解和沸石形成 176

12.3 高碱环境（腐蚀系统）中的地聚合 176

12.3.1 粉煤灰基水泥的首次生产 176

12.3.2 无可溶性硅酸盐的粉煤灰地聚合反应 178

12.3.3 添加可溶解硅酸盐的粉煤灰地聚合反应 179

12.4 低碱环境（用户友好型）中的地聚合反应 180

12.4.1 NMR光谱学分析 181

12.5 GEOASH研究项目 182

12.5.1 碱激发和地聚合过程 184

12.5.2 压缩强度 184

12.5.3 X射线衍射分析 186

12.5.4 浸出性能 187

12.5.5 钙钾基地聚合物基体：组成和结构 188

12.6 汽化炉矿渣技术的前景 189

参考文献 189

第13章 磷酸盐基地聚合物 192

13.1 一种有5000年历史的埃及技术 192

13.2 磷酸盐化学的简述 193

13.2.1 正磷酸、二磷酸、三磷酸和多磷酸 193

13.2.2 聚磷酸盐的线状链 194

13.3 低相对分子质量磷酸盐基地聚合物 195

13.4 硅铝—硅氧聚合物／磷酸盐复合材料 196

13.5 磷酸—硅氧地聚合物（—Si—O—P—O—Si—） 196

13.5.1 钙—磷硅酸盐 197

13.5.2 （钠，钾）磷硅铝—硅氧体（—P—O—Si—O—Al—O—Si—O—） 199

参考文献 199

第14章 有机—矿物地聚合物 201

14.1 聚有机硅氧烷／硅醇 201

14.1.1 地聚合物的鉴别 201

14.1.2 酸性和碱性条件下的两种聚合机理 202

14.1.3 解聚和裂解 203

14.1.4 工业级硅氧烷的性能 203

14.2 油质地聚合物 204

14.3 有机—地聚合物混合体 206

14.3.1 亲水性聚合物聚乙二醇的引入 206

14.3.2 与异氰酸酯R—N＝C＝O的反应 207

14.3.3 与聚丙烯酸R—C（＝O）—OH的反应 207

参考文献 207

第Ⅲ部分 性能 211

第15章 缩聚地聚合物的物理性能 211

15.1 密度和软化温度 211

15.2 热行为、收缩和热脱羟基化 211

15.2.1 脱水和脱羟基化中DTA-TGA及热收缩分析 211

15.2.2 高岭土转变为钠聚硅铝体（Na-PS）的产率大小 213

15.3 热膨胀系数及平均线性热膨胀系数 214

15.3.1 热膨胀系数 214

15.3.2 平均线性热膨胀系数和水泥填料的主要作用 215

15.4 吸湿性 216

15.5 电学性能：电阻和介电性能 216

15.6 黏结 217

15.6.1 用（Si：Al＝2）地聚合物对天然石头的黏结 217

15.6.2 用（Si：Al＝2）地聚合物对钢材和玻璃的黏结 218

15.6.3 用（Si：Al＞20）地聚合物对金属的黏结 218

15.7 具体的物理性能 219

参考文献 220

第16章 缩聚地聚合物的化学性能 221

16.1 耐酸性 222

16.1.1 酸对不完全缩聚的钠—硅铝—硅氧体的影响 223

16.1.2 地聚合物水泥对硫酸的耐酸性 223

16.1.3 地聚合物水泥对硫酸的抗酸性 225

16.2 碱—集料反应 225

16.3 金属体的腐蚀 226

16.4 实际的化学性能 227

16.4.1 pH值 227

16.4.2 （钾，钙）—硅铝—硅氧聚合物和（钾，钙）—聚硅铝—二硅氧体水泥 227

参考文献 227

第17章 长期耐久性，古代类似物和地质学分析 229

17.1 最古老的地聚合物制件：有25000年历史的陶瓷维纳斯（自Dolní Věstonice） 229

17.2 从工厂灰提取的化学品 230

17.3 埃及金字塔石头——公元前2700年重新集合的石灰石石头 231

17.3.1 中心区石块的化学组成 232

17.3.2 外层石头的化学组成 233

17.3.3 实验：制造14t的金字塔石头 234

17.4 古罗马水泥和混凝土 235

17.4.1 水泥和混凝土 235

17.4.2 含红宝石的次高性能罗马水泥 236

17.4.3 罗马水泥和现代地聚合物水泥的比较 236

17.5 地质类似物 239

参考文献 240

第Ⅳ部分 应用 245

第18章 质量控制 245

18.1 原材料 245

18.1.1 固态基本组成 245

18.1.2 原材料pH值测试 246

18.1.3 粒度 247

18.2 地聚合物反应活性的测定 247

18.3 工作时间（使用期），树脂和黏结剂 249

18.3.1 工作时间（使用期） 249

18.3.2 附加水的作用 250

18.3.3 硬化黏结剂穿透力的控制 250

18.4 压缩强度和拉伸强度 251

18.4.1 压缩强度 251

18.4.2 拉伸强度 252

18.5 硬化地聚合物的其他快速测试 253

18.5.1 沸水／蒸汽 253

18.5.2 冻—融／湿—干 253

18.5.3 热行为：在250℃的膨胀及膨胀测量法 254

参考文献 254

第19章 用户友好型体系的开发 256

19.1 定义 256

19.2 用户友好型体系的需求 256

19.3 土木工程师的地位 258

19.4 地聚合物的pH值 258

19.5 K＋和Na＋ 259

参考文献 260

第20章 可浇注地聚合物的工业和装饰应用 262

20.1 有5000年历史的埃及石头瓶 262

20.2 浇注工艺品用的钾—硅铝—硅氧聚合物 264

20.3 工具材料和技术 266

20.3.1 先进的地聚合物工装 266

20.3.2 使用说明 267

20.4 现代地聚合物石头制品 269

20.5 地板和墙面装饰石头砖 269

参考文献 270

第21章 纤维增强地聚合物基复合材料 271

21.1 耐热和防火性能的基本评价 272

21.1.1 赛车上耐热性应用 272

21.1.2 碳／地聚合物和其他陶瓷—陶瓷复合材料的概述 272

21.2 高性能地聚合物基体的开发 274

21.2.1 钾—硅铝酸盐聚合物（K-PS/K-PSS基体） 274

21.2.2 基体的改进：K-PSDS，（F，M）-PSDS，纳米K-PSS 275

21.3 地聚合物复合材料制造原理 276

21.3.1 手工铺放 276

21.3.2 真空袋成型 277

21.3.3 丝束缠绕 277

21.3.4 树脂传递模塑，注射成型 277

21.3.5 浸渗工艺 277

21.3.6 热压罐固化 277

21.4 地聚合物复合材料工装的制备 278

21.5 K-PS层合板的防火性 279

21.5.1 用于防火实验的K-纳米-PS基碳复合材料的制备 279

21.5.2 有机聚合物和地聚合物复合材料的可燃性 280

21.5.3 闪燃温度 281

21.5.4 经历火烧后的残余强度 282

21.6 纳米K-PS／碳复合材料的疲劳加载 282

21.7 纳米K-PS／碳／E玻璃复合材料 283

21.8 用于热障的地聚合物复合材料夹层板 284

21.9 用于强化混凝土结构的地聚合物复合材料 284

21.10 用于防火结构元件的地聚合物复合材料 286

参考文献 286

第22章 发泡地聚合物 289

22.1 地聚合物的发泡工艺 289

22.1.1 用高硼酸钠盐发泡 289

22.1.2 用双氧水发泡 290

22.1.3 地聚合物泡沫的绝缘值 290

22.2 高温绝热性 290

22.3 在热而干燥的气候中建筑的被动冷却 292

参考文献 293

第23章 陶瓷加工中的地聚合物 294

23.1 陶瓷的低温地聚合物基板LTGS 294

23.1.1 低于65℃的室温下地聚合物固化 294

23.1.2 在80℃～450℃的地聚合物固化 295

23.1.3 耐水性 295

23.2 古代陶瓷 295

23.2.1 古代陶瓷中LTGS的证据 295

23.2.2 公元600年至700年前Etruscan陶瓷（布凯罗黑陶内罗）的制备 296

23.2.3 在木材野营火中制备黑色或棕黑色表面陶瓷（温度低于500℃） 297

23.2.4 用户友好型LTGS 299

23.3 现代陶瓷的低能耗工艺和可持续发展 299

23.4 发泡黏土砖的制备 302

23.5 无黏土陶瓷可行吗？ 302

参考文献 303

第24章 地聚合物水泥的制备 305

24.1 发展低聚物水泥促进减缓温室效应CO2排放 305

24.1.1 发展中国家的CO2排放 306

24.1.2 CaO，Na2O，K2O水泥体系的比较 306

24.1.3 用地聚合物水泥减缓CO2排放的例子 308

24.2 原材料 308

24.2.1 用白云母基尾矿制备 309

24.2.2 高磷石页岩废品 309

24.2.3 煤废品尾矿 309

24.3 干混地聚合物水泥的需求 310

24.3.1 固体硅石与固体碱的应用 310

24.3.2 用MR（SiO2∶K2O）＜2粉状钾硅酸盐制备 310

24.3.3 地聚合物水泥批量生产还没有推广 311

24.4 用合成熔岩替代（Na，K）可溶性硅酸盐 311

24.4.1 合成熔岩的制备 311

24.4.2 合成熔岩的分子结构 313

24.4.3 熔岩基地聚合物水泥的分子结构 314

24.4.4 合成熔岩地聚合物水泥的批量生产 314

参考文献 316

第25章 地聚合物混凝土 318

25.1 粉煤灰地聚合物混凝土的混合比例 318

25.2 地聚合物混凝土的混合、浇注和密实化 319

25.3 地聚合物混凝土的固化 319

25.4 地聚合物混凝土混合物的设计 320

25.5 地聚合物混凝土的短期性能 321

25.5.1 受压缩响应 321

25.5.2 弱于地聚合物基体的集料压缩强度 322

25.5.3 间接拉伸强度 322

25.5.4 单位质量 323

25.6 地聚合物混凝土的长期性能 323

25.6.1 压缩强度 323

25.6.2 蠕变和干化收缩 324

25.7 增强型地聚合物混凝土梁和柱子 326

25.8 比波特兰水泥混凝土好吗？ 330

参考文献 330

第26章 用于有毒废弃物管理的地聚合物 332

26.1 带屏障的包覆 333

26.2 MK-750基地聚合物的废物固封 333

26.2.1 安全固封的结构形式 334

26.2.2 MK-750基地聚合物的安全化学键合 334

26.3 尾矿中的重金属 335

26.3.1 固化程序 335

26.3.2 渗滤试验 335

26.4 用于油漆污泥处理的地聚合物 337

26.4.1 实验 337

26.4.2 结果 337

26.5 含砷废物的处理 338

26.5.1 问题的性质 338

26.5.2 地聚合物的凝固 339

26.6 铀矿废物处理 339

26.6.1 铀矿固封的特殊性 340

26.6.2 铀废物污泥 340

26.6.3 两步固化技术 341

26.6.4 结果 341

26.6.5 中试实验 343

26.7 地聚合物在其他有毒—辐射废料管理中的应用 344

参考文献 345