地聚物复合材料性能优化及开发利用

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地质聚合物由碱性激发剂溶液激发硅铝质物质(工业固废、尾矿等)制备而成,是一种应用广泛的新型胶凝材料,具有绿色环保的特点。本课题提出了纤维增强、氧化石墨烯增强多元复合地聚物的新方法,解决地聚物固有的脆性问题,有利于提升地聚物的机械强度和耐久性,从根本上延长地聚物的使用寿命;同时,为了扩展地聚物的功能性,促进地聚物多元化发展,提出调湿和吸附功能化改性技术、杀菌抗菌改性技术。在深入揭示性能调控及优化的微观机制基础上,拓展其在交通、室内墙体等领域的应用。主要结论为: (1)在增韧方面,基于有机-无机复合改性方式制备力学性能优越、抗腐蚀地聚物路面材料。PP纤维,耐碱玻璃纤维和木质素纤维均可降低地聚物的收缩率。减缩效果遵循以下顺序:PP纤维,耐碱玻璃纤维和木质素纤维。纤维不仅可以防止GHB与地聚物基体分层,还可以抑制裂缝的产生。基于微结构调控理论,论证无机矿物/有机纤维改性多元复合地聚物的协同作用机制,并揭示硫酸盐环境对纤维增强多元矿物基地聚物复合材料的力学性能与微结构的时间效应与机理。 (2)在力学性能方面,通过加入石墨烯、氧化石墨烯增强FA基地聚物。通过表面改性得到GO悬浮液使其在地聚物中均匀的分散,减少微裂纹的拓展,增强机械性能。氧化石墨烯的加入可以加速地聚物碱活化反应过程中的电子传递和传质,造成晶相转变。均匀分散后的氧化石墨烯利用高活性电子和含氧官能团促进地聚物的水化使其抗折强度提高了约25%。 (3)在吸附性能方面,开发具有优良的Pb2+吸附性能的海藻酸钠-壳聚糖地聚物复合材料。通过配合比优化设计实现物理成孔,通过表面活性剂实现化学成孔,通过大分子杂化手段实现重金属离子吸附功能。用准二阶动力学模型和Freundlich模型较好地描述了动力学过程。另外,以地聚物为胶凝材料,调整浆骨比,制备出一种透水-净水路面砖,实现优良透水能力的同时兼具对重金属离子的吸附,提高净水能力,有利于保护水资源,实现国家的可持续发展。 (4)在调湿、保温性能方面,提出一种复合地聚物轻质调湿保温材料的制备新方法。以地聚物为胶凝材料,聚苯颗粒为粗骨料并添加CaCl2改性硅藻土提升调湿性能,同时改变材料孔隙结构,制备兼具调湿与保温功能的地聚物复合墙体材料。样品饱和吸湿比达到13%以上,完全放湿比达到4.5%以上,高于传统调湿墙体材料。 (5)在抗菌杀菌性能方面,利用石墨烯改性、光催化技术设计了一种绿色杀菌剂,并将其应用于墙体涂料。在地聚物吸湿保温墙体材料表面涂覆一种经石墨烯改性后的绿色涂料,其可以在太阳光、室内灯光的照射下有效释放负氧离子,提高墙体的杀菌抗菌性能。经检测,室内负氧离子释放量可达60-150个/cm2,并能有效杀灭空气中常见的病毒和细菌,符合《负离子功能涂料》HG/T 4109-2009标准要求。 (6)地聚物产品成本低,功能丰富,具有很强的市场竞争力。目前,上述部分研究成果已有应用。有机/无机纤维改性、GO改性地聚物应用于重载路面相对市场上C60水泥混凝土成本可降低11%;吸附性能优良的地聚物复合材料应用于透水-净水路面砖以提升路面材料的水质净化能力,其成本相比水泥基透水砖可降低29%;调湿保温性能改性、空气净化功能化地聚物应用于兼具调湿、保温功能与杀菌抗菌功能的墙体材料相比离心高温玻璃棉墙体保温隔热板成本可降低60%。地聚物复合材料性能优化后拓展了其在路面材料,墙体材料等方面的应用,可实现其在交通领域及生活居住环境中的应用价值,具有明显的经济、社会、环境效益,市场前景较为广阔。