方兴未艾的地聚合物材料

摘要：地聚合物是一类新型的高性能无机聚合物材料，是碱激活胶凝材料[1]中最具前途的一类。由于其特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构，使得地聚合物材料在众多的方面具有比高分子材料、水泥、陶瓷和金属更高的高温性能和机械性能；另一方面，地聚合物材料制造过程中的能耗和三废排放量都很低，材料对环境友好并且可以很好的被回收再利用，是一种可持续发展的“绿色环保材料”。本文论述了地聚合物材料的发展历史、地聚合物材料的性能、地聚合物材料的研究意义及地聚合物材料的研究现状。

关键词：地聚合物；新材料；环保；绿色胶凝材料

1.地聚合物的发展历史

地聚合物是英文Geopolymer的意译名。Geopolymer这个单词最早是由法国科学家Joseph Davidovits于1985年在美国专利[2]中提出来的，现在已经被广泛引用。

地聚合物材料的性能独特，用途广泛，在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料、和高温材料等方面均显示出巨大的应用前景。地聚合物的大部分普遍应用领域与水泥、陶瓷相同，但是与水泥和陶瓷比较起来，地聚合物材料具有很大的优势：一方面，制造地聚合物材料不需要高温煅烧或烧结，地聚反应在常温到150度就可以完成，而且生产过程中几乎没有NOx、SOx、和CO产生，CO2的排放量也非常低；另一方面，地聚合物材料的大部分性能优于水泥或等同于特殊陶瓷；在高级应用领域（如航空、航天等），地聚合物因可以用来制备高性能低重量的器材而更不能被高分子、金属材料所替代。因此地聚合物材料已经越来越引起了材料工作者们的广泛关注。在国外，有关地聚合物材料方面的专利、论文数量每年都有大幅度的增加，研究的内容已经进入了实用化的研究阶段。但国内的这一领域起步较晚，本文结合我国的国情和发展力争比较全面的对地聚合物这类材料进行总结，为后续的研究工作提供一个有利的借鉴。

2.地聚合物材料的研究意义

我国发展地聚物水泥有特别重要的环保意义。硅酸盐水泥是一种高污染、高能耗及消耗大量资源的胶凝材料，1997年我国生产5.1亿吨水泥，其中熟料3.5亿吨。据初步规划，2010年我国水泥产量将为8亿吨。每生产1吨熟料所排放的CO2总量约为l吨，今后10余年内，地球大气层将因我国的水泥生产而增加CO2积累量近75亿吨之多。这是一个十分惊人的数字[3]。大气CO2积存量增加是导致地球温室效应的主要原因。此外，水泥生产过程还排出大量有害气体NOx、SO2和粉尘。仅从环保角度考虑，我国就应该积极开发应用地聚物水泥，地聚物水泥的主要组成是烧粘土（偏高岭土）及碱激发剂，偏高岭土的煅烧温度低（700～900℃），能耗低并且不排出有害气体（CO2、NOx、SO2），是一种“绿色胶凝材料”。

我国研究及开发应用地聚物材料有丰富的原材料。我国高岭土资源十分丰富，泥质高岭土1996年探明储量为14.32亿吨，主要集中于广东、福建、广西、江西、湖南和江苏；含煤高岭土（简称煤系高岭土）是我国特有的非金属矿，属于硬质矿石型，主要分布在我国北方的华北、东北、西北的石炭）二叠纪煤系中，以煤层中夹矸、顶底扳或单独形成矿层等形式存在，已探明各级储量16.7亿吨[4]。此外，我国还储存有大量沸腾炉渣，沸腾炉渣是一种烧粘土火山灰材料，是制备地聚物材料的廉价原材料，充分利用沸腾炉渣还具有极大的环境效益。

地聚物基纤维复合材料具有较好的力学性能，制备工艺又比较简单，在土木工程可部分替代木材或金属作为建筑结构材料；还可利用其阻燃、耐高温等特性用作新型建筑装饰材料或耐火保温材料。所以，地聚物基材料在我国土木工程中有广泛的应用前景。

3.地聚合物材料的研究现状

进入21世纪，可持续发展已成为全人类共同关注的话题，如何开发新能源和新材料、减少已有能源与材料的消耗是其中一个重要方面，多孔陶瓷材料应运而生。文献表明，大多数多孔陶瓷体的获得都要经过1000℃甚至更高温度的焙烧。与传统多孔陶瓷制备工艺相比，地聚合物多孔材料具有成本低、工艺简单的优势；特别是地聚合物材料可以在较低温度下反应获得较高强度，免除了高温烧结工艺，而且能制造复杂形状制品，因而具有明显的技术优势。

在努力提高材料强度的同时，材料的耐久性越来越得到人们的关注。这是因为世界各地大型混凝土工程的破坏状况非常严重，每年各国都需要花费巨额的维修费用。如加拿大每年仅用于铁路路枕的维修费用即达3400万加元（合人民币1153亿元）[5]。同时由于科技的不断发展，对于常规胶凝材料提出了更为苛刻的要求，如核电站核防护外壳要求材料在水热条件及大剂量辐射下不致破坏，核废料固封材料要求材料具有低渗透性及耐腐蚀性。Malinouski[6]、Roy.R[7]等通过对至今仍保存完好的古罗马建筑、希腊古Cister混凝土墙以及以色列Roliea温泉古浴池等成功的耐久性实例进行考察，提出地聚合物特有的方沸石或类沸石结构可能是上述古混凝土具有出众耐久性的原因。

4.结束语

随着时间的摊移，地聚合物在原料来源、生产能耗、强度及耐久性方面的诸多优点，越来越得到人们的重视。这也是各国大力开展地聚合物材料的原因。在可持续发展的道路上我国更应该大力研究与发展地聚合物材料。

参考文献：

[1]张书政，龚克成.[J].材料科学与工程学报，2003，21（3）：430-436.

[2]J.Davidovits. Early higlr strength mineral polymer [p].USP.No.4，509，985，April 9，1985

[3]吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土.北京：中国铁道出版社，1999.18.

[4]吴铁轮.我国高岭土行业现状及发展前景.非金属矿，2000，23（2）：5-7.

[5]唐明述.硅酸盐通报，1992，1：29.

[6]Nawaba YoshiKatsu， Mori Toshio J. Vac. Sci.Tecknol.1985，A3（2）：319.

[7] Mori Toshio，Namba Yoshikatsu.ibid，1983，Al（1）：23.