具有生物活性的功能梯度多孔地质聚合物复合材料的制备

摘要

地质聚合物(Geopolymer)是近年来国际上研究非常活跃的一种新型无机胶凝材料。它的基本结构是由硅氧四面体([SiO4]4-)和铝氧四面体([AlO4]5-)通过共用氧原子相互交联聚合形成 Si-O-Al-O三维网络骨架结构。地质聚合物有很多优点，如强度高，耐酸腐蚀，耐久性优良，耐高温等，而且它的原料丰富廉价，制备工艺简单，能耗低，因此在生物材料、建筑结构材料、防火材料及涂层材料等领域具有广阔应用前景。本论文以偏高岭土为原材料，研究地质聚合物的制备条件、力学性能改善途径及生物活性多孔材料的制备工艺，主要工作如下：
　　（1）以组成及结构较单一的偏高岭土为原料，以液体水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂，以三聚磷酸铝为促进剂制备了增强的促进剂/地质聚合物。对增强的地质聚合物进行了 X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热失重分析(TGA-DSC)、抗压强度等表征，研究促进剂对地质聚合物结构和抗压强度的影响。结果表明：促进剂参与了聚合反应，并且进入到了地质聚合物的结构中，使地质聚合物的凝胶相向颗粒状转变；而且，促进剂的加入显著提高了地质聚合物的抗压强度。与未加促进剂的地质聚合物的77 MPa抗压强度相比，当添加0.5wt.%（相对于偏高岭土）促进剂，增强的地质聚合物的抗压强度为156 MPa，增加了102.6%。
　　（2）以偏高岭土为原料，以液体水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂，以碳化硅作为增强材料制备了碳化硅/地质聚合物复合材料。对复合材料进行了X-射线衍射、扫描电子显微镜、抗压强度等表征，研究碳化硅增强材料对地质聚合物结构和力学性能的影响。结果表明：碳化硅颗粒(SiCp)在地质聚合物中的紧密堆积使 SiCp/地质聚合物复合材料具有较高的表观密度和较低的孔隙率。而碳化硅晶须(SiCw)的桥架效应使 SiCw/地质聚合物复合材料具有较低的密度和较高的孔隙率。具有较高表观密度和较低孔隙率的SiCp/地质聚合物复合材料的抗压强度高于纯地质聚合物及 SiCw/地质聚合物复合材料。但是晶须的增强增韧机制使SiCw/地质聚合物复合材料的抗弯强度优于 SiCp/地质聚合物复合材料。加入10 wt.% SiCp时，SiCp/地质聚合物复合材料的抗压强度为155 MPa，与纯地质聚合物的77 MPa相比，增加了101.3%。加入5 wt.% SiCw时，SiCw/地质聚合物复合材料的抗弯强度为6.8 MPa，与纯地质聚合物的4.4 MPa相比，增加了54.5%。
　　（3）以偏高岭土为原料，以液体水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂，以羟基磷灰石(HA)粉末作为活性填料，以十二烷基苯磺酸钠和过氧化氢作为混合发泡剂，制备了多孔地质聚合物/HA复合材料，并且，利用叠层浇铸法制备了梯度多孔地质聚合物/HA复合材料。对地质聚合物多孔材料进行 X-射线衍射、扫描电子显微镜、抗压强度等表征，研究混合发泡剂对地质聚合物结构和力学性能的影响。结果表明：随发泡成分含量增多，多孔材料的表观密度下降、孔隙率增大。抗压强度也随发泡剂含量的变化而发生变化：采用含发泡成分最少的混合发泡剂制备的多孔地质聚合物/HA复合材料的抗压强度为15.41 MPa，孔隙率为9.16%；而采用发泡成分最多的混合发泡剂制备的多孔地质聚合物/HA复合材料的抗压强度为8.93 MPa，孔隙率为49.07%。通过层叠浇铸法制备了抗压强度为12.24 MPa、孔隙率为28.38%梯度多孔地质聚合物/HA复合材料。

目录

声明

第1章文献综述

1.1地质聚合简介

1.2地质聚合物性能的影响因素

1.3地质聚合物复合材料

1.4多孔材料

1.5梯度材料

1.6生物活性材料

1.7课题意义及研究内容

第2章促进剂增强地质聚合物的制备与性能

2.1前言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第3章碳化硅增强地质聚合物的制备与性能

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第4章地质聚合物梯度多孔材料的制备

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第5章全文总结及展望

1.全文总结

2.展望

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢