1、地質(zhì)聚合物基多孔材料的研究安徽建筑大學(xué)畢 業(yè) 論 文專 業(yè) 無機(jī)非金屬材料工程 班 級 09無機(jī)非1班 學(xué)生姓名 胡柯華 學(xué) 號 09206010101 課 題 地質(zhì)聚合物基多孔材料的研究 指導(dǎo)教師 王愛國 2013年6月10日35摘 要本論文通過高溫煅燒煤系高嶺土制得偏高嶺土為主要原料，改性水玻璃為堿激發(fā)劑制備地質(zhì)聚合物。實驗先通過響應(yīng)曲面法對實驗因素高嶺土煅燒溫度、水玻璃模數(shù)和摻量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而探討了基體強(qiáng)度最優(yōu)的條件參數(shù)。然后，實驗在最優(yōu)基體的條件參數(shù)上，研究了發(fā)泡劑種類、摻量和細(xì)度對多孔材料強(qiáng)度和孔隙率的影響。研究表明：（1）煤系高嶺土經(jīng)850下煅燒保溫2h，所得到的偏高嶺土經(jīng)模數(shù)

2、為1.2，摻量為21%的改性水玻璃激發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)制備出的地質(zhì)聚合物強(qiáng)度最優(yōu)；（2）鋁粉發(fā)泡制備多孔材料，隨著鋁粉摻量的增加多孔材料的強(qiáng)度降低，孔隙率增大；同摻量下，細(xì)鋁粉發(fā)泡的孔隙率高于粗鋁粉發(fā)泡的，而強(qiáng)度恰好相反；（3）H2O2發(fā)泡制備的多孔材料的強(qiáng)度優(yōu)于鋁粉發(fā)泡的，但孔隙率非常低，且孔結(jié)構(gòu)分布不均勻，可見H2O2作發(fā)泡劑效果不理想。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物；偏高嶺土；堿激發(fā)劑；多孔材料；發(fā)泡劑AbstractThe papers use the metakaolin that coal- kaolin calcined through the high temperature as the

3、main raw material, the modified sodium silicate as alkali excitation agent to make geopolymeric. First the experiment through the response surface method to the experiment factors of the calcining temperature of kaolin, modulus and dosage of sodium silicate optimize design, and discusses the matrix

4、strength optimal conditions parameters. Then, the experiment studied the types, dosage and fineness of the foaming agent influencing on strength and porosity of the porous materials under the condition parameters of the optimal matrix. The results show: (1) The geopolymeric with optimal strength can

5、 be prepared as the coal-kaolin is calcined at 850 and holds about 2h, and then the metakaolin is activated by sodium silicate whose modulus and dosage are 1.2 and 21%, respectively, and cured under the standard conditions. (2) Aluminum powder foaming preparation of porous materials, with the increa

6、se of dosage of aluminum powder the porous material porosity increase, strength reduce; Under the same dosage, its pore rate that fine aluminum powder foam is higher than that of coarse aluminum powder foam, and strength, to the contrary; (3) The strength of the porous materials that are foamed by H

7、2O2 is better than that of aluminum powder foamed, but the porosity is very low, and uneven distribution of pore structure, so I think H2O2 as a foaming agent is not ideal.Key words: geopolymeric; metakaolin; alkali-activator; porous materials; foaming agent目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 緒論11.1 研究的目的與意義

8、11.2 地質(zhì)聚合物概述21.2.1 地質(zhì)聚合物的概念21.2.2 地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機(jī)理21.2.3 地質(zhì)聚合物的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3 多孔材料71.3.1 多孔材料的定義和分類71.3.2 多孔陶瓷概述81.3.3 多孔陶瓷分類81.3.4 多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)101.3.5 多孔陶瓷的制備工藝101.4 本文研究的主要內(nèi)容和技術(shù)路線121.4.1 主要內(nèi)容121.4.2 技術(shù)路線131.5 擬解決問題13第二章 實驗部分142.1 實驗原材料142.2 實驗主要試劑142.3 實驗設(shè)備及模具142.3.1 實驗設(shè)備142.3.2 實驗?zāi)＞?52.4 實驗原材料的準(zhǔn)備及預(yù)處理152.4.1

9、 偏高嶺土的制備152.4.2 不同模數(shù)改性水玻璃的調(diào)制152.4.2 實驗所需組數(shù)及條件參數(shù)182.5 實驗方法192.5.1 試塊制備192.5.2 抗壓強(qiáng)度測定192.5.3 響應(yīng)曲面法優(yōu)化設(shè)計19第三章 結(jié)果與討論213.1 地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的研究213.1.1 水玻璃模數(shù)和偏高嶺土煅燒溫度對抗壓強(qiáng)度的影響213.1.2 水玻璃模數(shù)和摻量對抗壓強(qiáng)度的影響223.1.3 水玻璃摻量和偏高嶺土煅燒溫度對抗壓強(qiáng)度的影響233.2 多孔材料強(qiáng)度的研究243.2.1 粗鋁粉作發(fā)泡劑對多孔材料強(qiáng)度的影響253.2.2 細(xì)鋁粉作發(fā)泡劑對多孔材料強(qiáng)度的影253.2.3 H2O2作發(fā)泡劑對多孔材料強(qiáng)度的影

10、響263.3 多孔材料孔隙率的研究273.3.1 發(fā)泡劑種類對多孔材料孔隙率的影響273.3.2 發(fā)泡劑摻量對多孔材料孔隙率的影響283.3.3 鋁粉細(xì)度對多孔材料孔隙率的影響30第四章 結(jié)論與展望314.1 結(jié)論314.2 展望31致 謝32參考文獻(xiàn)33第一章 緒論1.1 研究的目的與意義近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球?qū)δ茉吹男枨笠踩找嬖黾印Ｔ诓粩嘣龃蟮目偰芎闹校ㄖ芎脑谌鐣偰芎闹械谋戎爻^1/3。面對能源問題的日益緊張，開發(fā)新能源、新材料，減少能源和材料的消耗成為各國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)關(guān)注的焦點。地質(zhì)聚合物（Geopolymer）是近年來國際上研究非常活躍的非金屬材料之一，也被認(rèn)為是21世紀(jì)

11、一種綠色膠凝材料1。地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)類似于有機(jī)高聚物，呈現(xiàn)出鏈狀結(jié)構(gòu)，而且基本結(jié)構(gòu)單元又類似于無機(jī)結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)硅氧四面體和鋁氧四面體。其終產(chǎn)物以離子鍵及共價鍵為主，范德瓦爾斯鍵以及氫鍵為輔，因此該材料不僅兼有有機(jī)高聚物、陶瓷、水泥的特點，但又不同于上述材料，表現(xiàn)在高強(qiáng)度、快硬固化性、耐高溫、隔熱、耐酸抗侵蝕、吸附有毒物等方面，同時又具有原材料資源豐富廉價、工藝簡單、節(jié)約能源等優(yōu)點，可以分別應(yīng)用在冶金、礦山、航空航天、化工、建材和環(huán)保領(lǐng)域，前景十分廣闊。另外，多孔材料也是節(jié)能減排新材料研發(fā)的一個重要方面。其最一般的共同特點是密度小、質(zhì)量輕、比表面積大、比力學(xué)性能高、阻尼性能好。多孔材料因其優(yōu)異的物

12、理、力學(xué)性能可用在分離、過濾、布?xì)狻⑾簟⑽瘛b、屏蔽、隔熱、熱交換，生物移植、電化學(xué)過程等諸多場合。隨著科技的發(fā)展和研究的深入，人們通過選擇原材料、控制制備和加工工藝，已經(jīng)研究出不同孔隙率的多孔材料，應(yīng)用于不同的場合。現(xiàn)在多孔材料研究較熱的主要是多孔陶瓷等。多孔陶瓷制備所需材料主要是耐高溫的氧化物、碳化物或氮化物陶瓷等，其高氣孔率大都采用有機(jī)泡沫浸漬制備工藝或者添加造孔劑制備工藝來實現(xiàn)的。但是制備成多孔陶瓷大都要經(jīng)過1000以上高溫?zé)Y(jié)才能實現(xiàn)，大量消耗了能源和資源。由于地質(zhì)聚合物材料是在較低溫度（小于100）就能硬化獲得不錯強(qiáng)度的材料，如果將地質(zhì)聚合物用于多孔材料制備，必將節(jié)省大量能源

13、和資源。基于以上事實，本課題以地質(zhì)聚合物材料為基體材料，利用低溫發(fā)泡技術(shù)制備出了高強(qiáng)度、高氣孔率的多孔材料，并嘗試將其應(yīng)用于吸附、保溫等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的多孔陶瓷材料制備工藝相比，本研究在100以下即可制備出與多孔陶瓷性能相近的地質(zhì)聚合物多孔材料，不需要高溫?zé)Y(jié)，因而工藝簡單，能耗低，成本低，非常有應(yīng)用前景。1.2 地質(zhì)聚合物概述1.2.1 地質(zhì)聚合物的概念地質(zhì)聚合物（Geopolymer）是由法國化學(xué)家J.Davidovits教授于上世紀(jì)七十年代末發(fā)現(xiàn)并命名，并于1985年在其一項美國專利中第一次使用了該定義2，當(dāng)時亦稱為聚鋁硅酸鹽。國內(nèi)又稱為：地聚合物、土聚水泥、礦物鍵合材料、礦物聚合材料3-

14、6。它是以具有火山灰活性的硅鋁原料，如：偏高嶺土、火山灰、礦物廢渣、粉煤灰、粘土等，在較低溫度下，經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に囂幚淼玫降囊活愋滦蜔o機(jī)聚合物材料7。地質(zhì)聚合物材料具有原材料豐富、工藝簡單、價格低廉、節(jié)約能源等優(yōu)點，同時又具有耐酸堿、耐高溫、強(qiáng)度高等獨特性能3，應(yīng)用開發(fā)前途廣泛。其研究與開發(fā)得到各國材料工作者的普遍關(guān)注，在國外已經(jīng)用于新型建筑裝飾材料、耐火保溫材料、早強(qiáng)膠凝材料，替代金屬、陶瓷的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域4。1.2.2 地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機(jī)理地質(zhì)聚合物是一類通過橋氧鍵相連接的具有硅氧四面體和鋁氧四面體的類沸石三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型水硬性膠凝材料8。地質(zhì)聚合物以無機(jī)Si-O四面體和Al-O四

15、面體為基本結(jié)構(gòu)。由于氧橋的連接，基本四面體結(jié)構(gòu)單元相互連接成三維骨架的孔穴籠或空腔，從而成為一種穩(wěn)固的且鍵合很強(qiáng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)J Davidovits教授1994年提出的理論9,按照硅鋁比(Si/Al)，地質(zhì)聚合物的長鏈結(jié)構(gòu)可以分為三種類型：PS(硅鋁長鏈-Si-O-Al-O-)，PSS(雙硅鋁長鏈-Si-O-Al-O-Si-O-)，PSDS(三硅鋁長鏈-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-),如表1.1。表1.1 1994年前地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)分類表Si/AlNameAbbreviationsStructure units1Poly(sialate)PS2Poly(sialate-silo

16、xo)PSS3Poly(sialate-disiloxo)PSDS在三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空腔中必須存在陽離子(Na+，K+，Li+，Ca2+，Ba2+，NH+，H3O+)以平衡配位的Al3+的負(fù)電荷。如果以NaOH或KOH為激發(fā)劑，所得地質(zhì)聚合物的分子式表達(dá)如下3： Mx-(Si-O2)z-Al-O-n·wH2O （式1.1）式中，“M”表示堿金屬元素，“x”堿金屬離子數(shù)目，“-”表示化學(xué)鍵，“z”表示硅鋁比，“n”表示縮聚度，“w”表示化學(xué)結(jié)合水的數(shù)目(w=04)。不同的重金屬離子影響聚合反應(yīng)形成的基體相的物相組成和結(jié)構(gòu)狀態(tài)。對于相同的初始物質(zhì)，最終樣品受金屬離子的影響，將表現(xiàn)出不同的物

17、理特征、不盡相同的化學(xué)成分和空間衍射值(TEM電子衍射分析)。關(guān)于地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)理，國內(nèi)外研究者大多引用J.Davidovits10教授提出的“解聚-縮聚”原理。他認(rèn)為在堿性條件的催化作用下，地質(zhì)聚合物中的Si-O鍵和Al-O鍵發(fā)生斷裂-重組反應(yīng)，如圖1.1。圖1.1 地質(zhì)聚合物反應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型地質(zhì)聚合物的具體形成過程：以氫氧化鈉/氫氧化鉀激發(fā)偏高嶺土制備地質(zhì)聚合物來講，它的聚合機(jī)理不同于硅酸鹽水泥的水化，和有機(jī)高分子聚合物的聚合機(jī)理也有所差別。高嶺土經(jīng)較低溫度煅燒(500900)，發(fā)生如下反應(yīng)： 2nSi2O5，Al2 (OH)42(Si2O5， Al2O2)n+4nH2O （式1.2）該

18、反應(yīng)使Al的配位數(shù)從6配位轉(zhuǎn)化為4或5配位，高嶺石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為偏高嶺土結(jié)構(gòu)，偏高嶺土結(jié)構(gòu)為無定形結(jié)構(gòu)，有較高的火山灰活性。在堿性催化劑的作用下硅氧鏈的解聚，在堿性環(huán)境中再聚合形成一系列的低聚硅（鋁）四面體單元，聚合后除了少量水則以結(jié)構(gòu)水的形式取代SiO4中一個O的位置，大部分的水被排出，結(jié)構(gòu)最終以-Si-O-Al-n的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在。地質(zhì)聚合物反應(yīng)過程的化學(xué)式4表述如下：從上述化學(xué)反應(yīng)式可以看出，地質(zhì)聚合物的聚合反應(yīng)完全不同于硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)；與高分子聚合物相比，地質(zhì)聚合物反應(yīng)前不存在絕對意義上的單體。一般條件下，地質(zhì)聚合物反應(yīng)后的生產(chǎn)物是一種無定形的硅鋁酸鹽化合物，在較高的溫度下，可生成

19、類沸石型的微晶體結(jié)構(gòu)。1.2.3 地質(zhì)聚合物的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）國外研究現(xiàn)狀地質(zhì)聚合物屬于堿激發(fā)膠凝材料。20世紀(jì)30年代，美國的Purdon11在研究了普通硅酸鹽水泥的硬化機(jī)理時發(fā)現(xiàn)，少量的NaOH催化了水泥的硬化。水泥中的硅、鋁化合物比較容易溶解而形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉，再與Ca(OH)2反應(yīng)形成硅酸鈉和鋁酸鈣礦物，使水泥硬化并且重新生成NaOH，用來催化下一輪反應(yīng)，不斷循環(huán)。因此他提出了所謂的“堿激發(fā)”理論。20世紀(jì)5060年代，前蘇聯(lián)主要對堿激活材料的研究投入了大量的人力、物力。研究表明，除了氫氧化鈉以外，很多堿性物質(zhì)如堿金屬的氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、氟化物、硅酸鹽和鋁硅酸鹽

20、等都可以作為反應(yīng)的激活劑，較大程度豐富了堿激活劑的種類，并于60年代就把這種“新型”膠凝材料應(yīng)用于建筑工業(yè)，同時提出了“堿液反應(yīng)機(jī)理”12。20世紀(jì)70年代，法國科學(xué)家J Davidovits教授在研究古代建筑材料的過程中受到啟發(fā)，研制出了地聚合物材料，并于1972年申請了第一篇關(guān)于地質(zhì)聚合物材料的專利通過堿激發(fā)反應(yīng)用高嶺土制備建筑板材；1976年，J.Davidovits教授在國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)大分子會議上提議對堿激發(fā)材料進(jìn)行統(tǒng)一命名，經(jīng)過討論確定了“聚鋁硅酸鹽(Polysialate)”這個名稱，應(yīng)該說這個名稱是比較貼切的，明確地體現(xiàn)出了這類材料的元素組成；之后，他又引

21、用了“地質(zhì)聚合物(Geopolymer)”一詞代替“聚鋁硅酸鹽(Polysialate)”來表示堿激活類材料，并于1985年在其的美國專利2中正式提出“地質(zhì)聚合物(Geopolymer)”這個名稱，隨后，地質(zhì)聚合物這個名稱被大家廣泛引用，一直沿用到現(xiàn)在。20世紀(jì)90年代以后，越來越多的學(xué)者、研究小組參與到地質(zhì)聚合物這類材料的研究行列。澳大利亞墨爾本大學(xué)的X.Hua和J.S.J.Van Deventer利用從架狀到島狀的16種不同天然硅酸鹽礦物制備了不同類型的地質(zhì)聚合物，研究發(fā)現(xiàn)：每種礦物都會發(fā)生不同程度的聚合反應(yīng)，生成不同強(qiáng)度的地質(zhì)聚合物，其中輝沸石的聚合反應(yīng)活性最高，具有架狀和島狀結(jié)構(gòu)，且含

22、鈣量較高的礦物制備的地質(zhì)聚合物抗彎強(qiáng)度最高13；西班牙Eduardo Torroja學(xué)院的Palomo課題組的研究表明以粉煤灰做主要原料合成的地質(zhì)聚合物性能在很大程度上優(yōu)于水泥，生產(chǎn)能耗只是正常水泥能耗的10%20%14；Foder A J等人通過慘加碳纖維提高了地質(zhì)聚合物材料的各項性能，其最高抗拉強(qiáng)度可達(dá)327Mpa，抗彎強(qiáng)度可達(dá)245MPa，于800的高溫下仍可保持原始抗彎強(qiáng)度的63%15。目前，世界上比較有名的研究地質(zhì)聚合物材料及其相關(guān)復(fù)合材料的科研機(jī)構(gòu)主要有法國的“Geopolymer Institute”，美國的“Waterway Experiment Station”等。（2）國內(nèi)

23、研究現(xiàn)狀我國對地質(zhì)聚合物材料的研究起步較晚，大多為探索性的研究，應(yīng)用研究極少。現(xiàn)在，在國家大力推廣綠色環(huán)保材料和節(jié)能低耗材料的大背景下，國內(nèi)對地質(zhì)聚合物這種綠色膠凝材料的研究火熱了起來。張書政等3結(jié)合其研究室在地聚合物改性方面的工作，比較全面地論述了地聚合物材料的發(fā)展歷史、反應(yīng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系、生產(chǎn)工藝及其特點、理化性能及其應(yīng)用和性能缺點及其改性等方面的基礎(chǔ)理論和最新研究進(jìn)展。袁鴻昌等7綜述了地聚合物的發(fā)展過程，目前各國的發(fā)展概況，以及在我國開展地聚合物材料理論研究及應(yīng)用開發(fā)的意義，還研究了地聚合物材料的制備、性能和應(yīng)用，并利用該材料導(dǎo)熱系數(shù)低而強(qiáng)度高的特征，制成內(nèi)燃機(jī)排氣管外包陶瓷管套。

24、翁履謙等綜述了地質(zhì)聚合物材料研究的現(xiàn)狀、推廣應(yīng)用的情況及亟需解決的問題16。另外，他還研究了地質(zhì)聚合物合成中鋁酸鹽組分的作用機(jī)制，研究表明：鋁組分對地質(zhì)聚合物的合成中縮聚反應(yīng)有顯著的促進(jìn)作用，因而在合成地質(zhì)聚合物時原料中鋁組分的溶解性至關(guān)重要。實驗結(jié)果表明：由具有較小顆粒度的煅燒高嶺土為原料合成的地質(zhì)聚合物具有較短的固化時間，更均勻的顯微結(jié)構(gòu)和更高的機(jī)械強(qiáng)度17。鄭娟榮等18,19提出了一種地質(zhì)聚合物合成中偏高嶺土活性的快速檢測方法，用該方法測定一個樣品只需4h，試驗結(jié)果表明：產(chǎn)地相同的高嶺土經(jīng)不同溫度活化，其活性大小不同，在800煅燒6h，其活性達(dá)到最大值；產(chǎn)地不同的高嶺土經(jīng)相同溫度活化，其

25、活性大小相差很大；用該方法所測定的偏高嶺土的活性Al2O3和SiO2總量的大小與其地質(zhì)聚合物硬化體的抗壓強(qiáng)度和NH+交換容量有相關(guān)性。在此后不久，她又研究了由不同產(chǎn)地的高嶺土經(jīng)不同煅燒條件所得的偏高嶺土、水玻璃類型和模數(shù)、堿含量及養(yǎng)護(hù)條件等對地質(zhì)聚合物合成的影響規(guī)律。結(jié)構(gòu)表明：某種蘇州高嶺土經(jīng)800煅燒6h活性最好，即在堿液中硅鋁溶出率最大；當(dāng)水玻璃模數(shù)為1.4，堿含量為10%時，制得的地聚合物在20（相對濕度大于90%）的條件下養(yǎng)護(hù)28d，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到82.5MPa。合成地質(zhì)聚合物中的偏高嶺土的活性、水玻璃模數(shù)、堿含量和養(yǎng)護(hù)條件達(dá)到最佳匹配條件時，其抗壓強(qiáng)度最大。王愛國等20討論了高嶺土的

26、煅燒溫度和保溫時間、偏高嶺土的細(xì)度、堿性激活劑的種類、工業(yè)水玻璃的摻量和模數(shù)以及養(yǎng)護(hù)條件對土聚水泥強(qiáng)度的影響。研究表明：煤系高嶺土經(jīng)750850煅燒-保溫2h，所得的無定性狀態(tài)的偏高嶺土經(jīng)模數(shù)為1.0，摻量為8%Na2OnSiO2溶液的激發(fā)，在自然條件下制備出具有早強(qiáng)、高強(qiáng)性能的新型膠凝材料。李建平等21采用鋼渣和粉煤灰作為原料，加入一定量的堿激發(fā)劑，制備出了一種較高強(qiáng)度的地質(zhì)聚合物膠凝材料。當(dāng)鋼渣與粉煤灰比值為1:1時，加入10%、模數(shù)為1的水玻璃，3d強(qiáng)度為29.20MPa，28d強(qiáng)度可達(dá)53.71MPa。并以其作為膠凝材料，以鐵礦尾礦粉作為骨料，試制了一種鋼渣粉煤灰基地質(zhì)聚合物膠凝尾礦免

27、燒制品。段瑜芳等22初步研究了堿激發(fā)高嶺土膠凝材料水化硬化機(jī)理。堿激發(fā)偏高嶺土膠凝材料的水化過程可以分為初始期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期和穩(wěn)定期，但是各個時期的反應(yīng)過程和機(jī)理與硅酸鹽水泥完全不同；堿激發(fā)偏高嶺土膠凝材料水化后，其水化產(chǎn)物由硅鋁凝膠和硅鋁網(wǎng)絡(luò)組成，不存在任何的晶體結(jié)構(gòu)。曹德光等23對低模數(shù)硅酸鈉溶液的結(jié)構(gòu)及其鍵合反應(yīng)特性進(jìn)行了研究，并在硅酸鈉激發(fā)劑的性質(zhì)上做了比較研究。楊南如24,25研究了堿激發(fā)膠凝材料的物理化學(xué)基礎(chǔ)。以土壤聚合水泥制成混凝土與硅酸鹽水泥混凝土在12h內(nèi)的強(qiáng)度發(fā)展對比，結(jié)果表明：土壤聚合物水泥具有很好的建筑性能。同時又對堿膠凝材料的水化產(chǎn)物和水化機(jī)理進(jìn)行了分析。另

28、外，代新祥4、蘇達(dá)根5、馬鴻文6等也發(fā)表了一些關(guān)于地質(zhì)聚合物材料的綜述。1.3 多孔材料1.3.1 多孔材料的定義和分類多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構(gòu)成。典型的孔結(jié)構(gòu)有：一種是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結(jié)構(gòu)；由于其形狀類似于蜂房的六邊形結(jié)構(gòu)而被稱為“蜂窩”材料； 更為普遍的是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結(jié)構(gòu)， 通常稱之為“泡沫”材料。如果構(gòu)成孔洞的固體只存在于孔洞的邊界（即孔洞之間是相通的），則稱為開孔；如果孔洞表面也是實心的，即每個孔洞與周圍孔洞完全隔開， 則稱為閉孔； 而有些孔洞則是半開孔半閉孔的。另外，按照國

29、際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的定義，依據(jù)材料孔徑多孔材料也可以分為三類：微孔（小于2nm）；介孔（2-5nm）；大孔（大于50nm），有時也將小于0.7nm的微孔稱為超微孔26。它包括多孔無機(jī)材料（如泡沫金屬、泡沫玻璃和多孔陶瓷等）和多孔有機(jī)材料（如泡沫塑料）和有機(jī)-無機(jī)介孔材料等。現(xiàn)在多孔材料研究較多的主要有多孔無機(jī)材料。多孔無機(jī)材料具有優(yōu)良的性能：氣孔率高、氣孔可控、孔分布均勻性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、耐熱性好等27。無機(jī)多孔材料現(xiàn)在研究較多的主要包括多孔陶瓷和多孔玻璃。本研究主要借鑒多孔陶瓷的制備方法，因此下面重點介紹多孔陶瓷的發(fā)展?fàn)顩r。1.3.2 多孔陶瓷概述多孔陶瓷是一種經(jīng)

30、高溫?zé)伞?nèi)部具有大量彼此相通并于材料表面也相貫通的孔道結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。多孔陶瓷的發(fā)展開始于19世紀(jì)70年代，初期用于鈾提純和作為細(xì)菌過濾材料使用。多孔陶瓷不僅具有陶瓷的優(yōu)良性能，而且還具有高的比表面積，大量的氣孔，可以調(diào)節(jié)的孔徑分布。配合基體材料的光，電，熱，磁等物理性能，使得在化工，環(huán)保，能源，冶金，電子等領(lǐng)域，多孔陶瓷作為催化劑載體，過濾材料，保溫隔熱材料，吸收材料，紅外燃燒器，生物材料等得到了廣泛的應(yīng)用。由于其優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用，多孔陶瓷引起了材料科學(xué)學(xué)界的極大興趣，近年來得到了迅速的發(fā)展。1.3.3 多孔陶瓷分類根據(jù)多孔陶瓷材料的相組成，可將其分為碳化硅多孔陶瓷、氧化鋁多孔陶瓷、

31、莫來石多孔陶瓷、氧化鋯多孔陶瓷、羥基磷灰石多孔陶瓷等，還包括復(fù)相多孔陶瓷，如Al2O3-ZrO2多孔陶瓷。根據(jù)多孔陶瓷材料的維度可分為：1）零維度多孔陶瓷材料，即陶瓷空心球，如氧化鋁空心球；2）一維多孔陶瓷材料，即陶瓷管，如SiC納米管；3）二維多孔陶瓷材料，即多孔陶瓷膜；4）三維多孔陶瓷，即多孔陶瓷塊體，如氧化鋁多孔陶瓷（如圖1.2）。圖1.2 不同維度多孔陶瓷材料：(a)氧化鋁空心球的宏觀照片；(b)SiC納米管的HRTEM照片；(c)多孔陶瓷膜的SEM照片；(d)多孔氧化鋁陶瓷的微觀照片及宏觀照片根據(jù)多孔陶瓷材料的孔徑大小可將其分為：微孔多孔陶瓷（孔徑<2nm）、介孔多孔陶瓷材料（

32、孔徑在2050nm）和宏觀孔多孔陶瓷（孔徑>50nm）。根據(jù)多孔陶瓷材料中孔的形貌可將其分為閉孔多孔陶瓷和開孔多孔陶瓷材料（如圖1.3）。圖1.3 不同孔形貌的多孔陶瓷：(a)閉孔陶瓷；(b)開孔陶瓷根據(jù)多孔陶瓷材料中孔的接觸和連通結(jié)構(gòu)，可將其分為泡沫陶瓷、蜂窩陶瓷、交聯(lián)棒狀多孔陶瓷、生物結(jié)構(gòu)多孔陶瓷和球狀空洞型多孔陶瓷等（如圖1.4）。圖1.4 孔接觸和連通結(jié)構(gòu)不同的多孔陶瓷：(a)泡沫陶瓷；(b)蜂窩陶瓷；(c)交聯(lián)棒狀多孔陶瓷；(d)生物結(jié)構(gòu)多孔陶瓷；(c)球狀空洞型多孔陶瓷1.3.4 多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)多孔陶瓷一般由骨料（50%90%）、結(jié)合劑（10%50%）、和增孔劑（0%20%）

33、構(gòu)成，如圖1.5所示。圖1.5 多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)1.3.5 多孔陶瓷的制備工藝傳統(tǒng)的制備方法主要有添加造孔劑法、發(fā)泡工藝法、有機(jī)泡沫浸漬法、擠壓成型法、顆粒堆積法、溶膠膠凝法等，近年來隨著研究的深入，將自蔓延高溫合成法、三維編織法、冷凍干燥法等技術(shù)引入多孔陶瓷的制備工藝方法中，從而形成了一系列新型制備多孔陶瓷的制備工藝方法。（1）添加造孔劑法：添加造孔劑工藝是通過在陶瓷配料中添加一定量的造孔劑，利用造孔劑在坯體中經(jīng)過燒結(jié)后離開基體而成氣孔來制備多孔陶瓷。添加造孔劑工藝主要包括混料、成形和燒結(jié)三個工藝，可以使燒結(jié)的多孔陶瓷既具有高的氣孔率，又具有很好的強(qiáng)度。造孔劑種類繁多，目前主要為無機(jī)材料和有機(jī)

34、材料兩大類。無機(jī)造孔劑如無機(jī)物碳酸氫銨、碳酸銨、氯化銨等，是通過這些無機(jī)物遇熱分解產(chǎn)生大量氣體，冷卻后在基體中保留下來成為氣孔；還有一些無機(jī)鹽造孔劑熔點較高，但可溶于水、酸或堿溶液如Na2SO4、CaSO4、NaCl等，是待陶瓷基體燒結(jié)后，用水、酸或堿溶液浸出這些無機(jī)鹽造孔劑而保留下來成為空洞；有機(jī)造孔劑如淀粉等一些天然纖維、高分子聚合物，是在壓制成型的過程中造孔劑本身占有一定尺寸的空間，在燒結(jié)的高溫條件下氧化（燃燒），從而形成一定氣孔率的氣孔。GregorovÀ等28利用有機(jī)造孔劑（罌粟種子和馬鈴薯淀粉）制備出了具有孔梯度結(jié)構(gòu)的Al2O3多孔陶瓷;曹慧等29采用添加造孔劑法制備出了

35、高強(qiáng)度的多孔陶瓷，系統(tǒng)研究了不同造孔劑、粘結(jié)劑含量和燒結(jié)制度等對多孔陶瓷的影響規(guī)律，并通過控制鈉長石含量來達(dá)到控制孔徑的大小;梁小英等30采用添加造孔劑法成功制備了氣孔率大于70%、平均抗彎強(qiáng)度大于8MPa的多孔氮化硅陶瓷，而且性能優(yōu)良;華南理工大學(xué)的尚俊玲等31綜合采用真空燒結(jié)法和添加造孔劑法成功制備了碳化硅多孔陶瓷，并研究來了不同助燒結(jié)劑Al2O3-Y2O3以及不同造孔劑丙烯酰胺聚合物、羧甲基纖維素（CMC）對SiC多孔陶瓷形貌和氣孔率的影響，同時得出了如下結(jié)論：與Si相比較，Al2O3-Y2O3更有利于促進(jìn)SiC的燒結(jié)；以Al2O3-Y2O3為助燒結(jié)劑的試樣比以Si為助燒結(jié)劑的試樣具有較

36、高的氣孔率。（2）發(fā)泡工藝法：發(fā)泡工藝是向陶瓷組分中添加有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)，在處理期間形成揮發(fā)性氣體，產(chǎn)生泡沫，經(jīng)干燥和燒成制得多孔陶瓷，這種多孔陶瓷包括網(wǎng)眼型和泡沫型兩種。Sunderma32等用碳化鈣、氫氧化鈣、硫酸鋁和雙氧水作發(fā)泡劑，于1973年發(fā)明了發(fā)泡工藝，此法可以制得一定形狀、組成和密度的多孔陶瓷，而且可以制備出小孔徑和閉氣孔的多孔陶瓷；Fuji等33將堇青石粉料與高分子化合物發(fā)泡劑的混合料制備成漿料，在氮氣的氛圍中，他們采用機(jī)械攪拌的方法使其發(fā)泡，并制坯成型。在干燥燒結(jié)后獲得了汽車尾氣過濾器使用的多孔陶瓷；陳艷林等34采用發(fā)泡法，選用石英粉等普通陶瓷原料粉為主要原料，選用玻璃作為粘結(jié)

37、劑，選用淀粉做造孔劑，選用高溫活性劑，采用半干壓 成形然后常規(guī)燒成，成功制備出了顯氣孔率高達(dá)47.7%、抗壓強(qiáng)度高達(dá)21.6MPa、孔徑小于1mm的多孔陶瓷，同時分析了其工藝參數(shù)的影響規(guī)律。（3）有機(jī)泡沫浸漬法：有機(jī)泡沫浸漬法是Schwartzwalder在1963年發(fā)明的，其獨特之處在于它憑借有機(jī)泡沫體所具有的開孔三維網(wǎng)狀骨架的特殊結(jié)構(gòu)，將制備好的料漿均勻地涂覆在有機(jī)泡沫網(wǎng)狀體上，干燥后燒掉有機(jī)泡沫體而獲得一種網(wǎng)眼多孔陶瓷。（4）擠壓成型法：擠出成型法是制造多孔陶瓷采用最多的方法之一。它的工藝流程為：原料合成混合擠出成型干燥燒成成品。該工藝制成的多孔陶瓷體氣孔尺寸、形狀、孔隙率均勻，適宜批量

38、生產(chǎn)，但難以制造小孔徑制品是這項工藝的缺點。在生產(chǎn)過程中，擠出成型模具的制作是核心技術(shù)。目前，我國生產(chǎn)使用的蜂窩陶瓷擠出成型模具達(dá)到了400孔/in2的規(guī)格。而美國、日本已開發(fā)出600900孔/in2的高密度、超薄型蜂窩陶瓷模具。（5）顆粒堆積法顆粒堆積法是在骨料中加入相同組分的微細(xì)顆粒，利用微細(xì)顆粒易于燒結(jié)的特點，在高溫下液化，從而使骨料連接起來。骨料粒徑越大，形成的多孔陶瓷平均孔徑就越大，并呈線性關(guān)系。骨料顆粒尺寸越均勻，產(chǎn)生的氣孔分布也越均勻，孔徑分布也越小。另外，添加劑的含量和種類，以及燒成溫度對微孔體的分布和孔徑大小也直接關(guān)系。如Yang35等用Yb2O3作為助劑制備了多孔氮化硅陶瓷

39、，通過加入Yb2O3后，使氮化硅微孔陶瓷孔的分布更加均勻，經(jīng)燒結(jié)后使孔隙率達(dá)到很好的要求。（6）溶膠膠凝法溶膠膠凝法(Sol-Gel)制備納米級的微孔陶瓷，它是利用凝膠化過程中膠體粒子的堆積以及凝膠處理、熱處理過程中留下小氣孔，形成可控的多孔材料。基本過程是將金屬醇鹽溶于低級醇中，緩慢地滴入水進(jìn)行水解反應(yīng)，得到相應(yīng)金屬氧化物的溶膠，調(diào)節(jié)該溶膠的pH值，nm尺度的金屬氧化物顆粒就會產(chǎn)生聚集。自從Leenaars等人1984年提出用Sol-Gel法制備微孔薄膜以來，溶膠膠凝法主要用來制備微孔陶瓷材料，特別是微孔陶瓷薄膜。這是非常被研究者重視的一個領(lǐng)域，薛明俊等36使用羥鋁土加入適量的造孔劑控制溫度

40、，采用溶膠膠凝法制備Al2O3多孔陶瓷，并分析了多孔陶瓷的氣孔率、氣孔分布。1.4 本文研究的主要內(nèi)容和技術(shù)路線1.4.1 主要內(nèi)容（1）考察不同因素對地質(zhì)聚合物基性能的影響，其中包括：高嶺土煅燒溫度、水玻璃模數(shù)、水玻璃摻量等；（2）優(yōu)選基體，考察不同種類發(fā)泡劑、發(fā)泡劑摻量對多孔材料性能的影響；（3）地質(zhì)聚合物基多孔材料性能的表征；（4）展望地質(zhì)聚合物基多孔材料的前景。1.4.2 技術(shù)路線1.5 擬解決問題（1）研究原材料（水玻璃模數(shù)、水玻璃含量、高嶺土煅燒溫度等）對地質(zhì)聚合物基體性能的影響，優(yōu)選基體強(qiáng)度及粘度；（2）優(yōu)選發(fā)泡劑和發(fā)泡工藝：找到一種在低溫（3040）下能正常揮發(fā)或反應(yīng)的發(fā)泡劑；

41、探索出適合低溫發(fā)泡的成型工藝。第二章 實驗部分2.1 實驗原材料（1）煤系高嶺土：本實驗選用淮北金巖高嶺土開發(fā)有限責(zé)任公司的超細(xì)煅燒高嶺土；（2）工業(yè)水玻璃：市購，模數(shù)M=3.3；（3）NaOH：天津市津北精細(xì)化工有限公司；（4）鋁粉：市購，有粗細(xì)兩種；（5）H2O2：市購。2.2 實驗主要試劑本實驗所用的主要試劑如表2.1所示。表2.1 主要化學(xué)試劑藥品名稱化學(xué)式純度生產(chǎn)廠家氫氧化鈉NaOH分析純天津市津北精細(xì)化工有限公司鹽酸HCl分析純上海博河精細(xì)化學(xué)品有限公司氟化鈉NaF分析純無錫市展望化工試劑有限公司甲基紅C15H15N3O2分析純天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所2.3 實驗設(shè)備及模具2.3.

42、1 實驗設(shè)備本實驗所用的主要儀器及設(shè)備如表2.2所示。表2.2 實驗主要設(shè)備序號儀器及設(shè)備廠家1TD21001電子天平余姚市金諾天平儀器有限公司2KSL-1400X高溫爐合肥科晶材料技術(shù)有限公司3JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)無錫建儀儀器機(jī)械有限公司4NYL-600型壓力試驗機(jī)無錫市建筑材料儀器廠5WEW-600C型液壓萬能試驗機(jī)濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司6比長儀無錫市建筑材料儀器廠2.3.2 實驗?zāi)＞呷?lián)模 ：40 mm×40 mm×160 mm；40mm×40mm×40mm模具；自制發(fā)泡模具（如圖2.1）。圖2.1 自制發(fā)泡模具2.4 實驗原材料的準(zhǔn)備及預(yù)處理2

43、.4.1 偏高嶺土的制備本研究使用KSL-1400X高溫爐煅燒高嶺土制備偏高嶺土，煅燒溫度分別是：800，850，900；然后在相應(yīng)的溫度下保溫2h后，急冷到室溫，用干凈的袋子密封裝好，以備后面實驗使用。2.4.2 不同模數(shù)改性水玻璃的調(diào)制（1）工業(yè)水玻璃模數(shù)的測定水玻璃模數(shù)的測定方法參照中華人民共和國國家工業(yè)硅酸鈉標(biāo)準(zhǔn)（GB /T 42092008）。水玻璃模數(shù)是指溶液中氧化硅與氧化鈉的摩爾比。（a）氧化鈉含量的測定液體硅酸鈉試驗溶液的制備：稱取約5g試樣，精確至0.0002g，移入250ml容量瓶中，用水溶解，稀釋至刻度，搖勻，此溶液為試驗溶液C。用移液管移取50ml試驗溶液C置于300m

44、l錐形瓶內(nèi)，加10滴甲基紅指示液，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定至溶液由黃色變微紅色即為終點。滴定后的溶液為試驗溶液E，保留此溶液供測定二氧化硅的含量： （式2.1）式中：V滴定所消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積的數(shù)值，單位為毫升(mL)；c鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度的準(zhǔn)確數(shù)值，單位為摩爾每升(mol/L)；m試料質(zhì)量的數(shù)值，單位為克(g)；M氧化鈉(1/2Na2O)摩爾質(zhì)量的數(shù)值，單位為克每摩爾(g/mol)(M=30.99)。取平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值為測定結(jié)果，三次平行測定結(jié)果的絕對差值不大于0.1%。（b）二氧化硅含量測定在測定氧化鈉含量后的試驗溶液E中，加入3±0.1g氟化鈉，搖動使其溶解，此時溶液又

45、變成黃色，立即用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至紅色不變，再過量23mL，準(zhǔn)確記錄鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的總體積。然后用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至黃色為終點。同時做空白試驗，在250mL錐形瓶中，加入50mL水，10滴甲基紅指示液，加入3±0.1g氟化鈉，立即用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至紅色不變，再過量23mL，準(zhǔn)確記錄鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的總體積。然后用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至黃色為終點，二氧化硅含量為： （式2.2）式中：c1鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度的準(zhǔn)確數(shù)值，單位為摩爾每升(mol/L)；c2氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度的準(zhǔn)確數(shù)值，單位為摩爾每升(mol/L)；V1滴定中所消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積的數(shù)值，

46、單位為毫升(mL)；V2滴定中所消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積的數(shù)值，單位為毫升(mL)；V3空白試驗消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積的數(shù)值，單位為毫升(mL)；V4空白試驗消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積的數(shù)值，單位為毫升(mL)；M二氧化硅(1/4SiO2)摩爾質(zhì)量的數(shù)值，單位為克每摩爾(g/mol)(M=15.02)；m（1）中試料質(zhì)量的數(shù)值，單位為克(g)。取平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值為測定結(jié)果，三次平行測定結(jié)果的絕對差值不大于0.2%。（c）模數(shù)（M）的計算 模數(shù) （式2.3）式中：氧化鈉(Na2O)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，數(shù)值以%表示；二氧化硅(SiO2)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，數(shù)值以%表示；1.032氧化鈉相對分

47、子質(zhì)量與二氧化硅相對分子質(zhì)量的比值。（d）測定結(jié)果Na2O=7.8%，SiO2=25.17%，模數(shù)M=3.33（2）不同模數(shù)改性水玻璃的配制配制不同的模數(shù)的方法是通過改變其氧化鈉的含量，通過加入氫氧化鈉改變水玻璃中氧化鈉的含量。假設(shè)取100g水玻璃，配制模數(shù)為1.1的改性水玻璃溶液，則需加入NaOH g，則有： 2NaOH61.99 2×40 式中：61.99Na2O的分子量；40.00NaOH的分子量。因為 1.1=所以 所以配制100g此模數(shù)的水玻璃需要加入的NaOH量為20.1g。同理可以求得模數(shù)1.2、1.3的溶液中加入NaOH量分別為：17.56g，15.37g。2.4.2

48、 實驗所需組數(shù)及條件參數(shù)本研究使用響應(yīng)曲面法優(yōu)化實驗方案，在滿足研究需要的前提下，大大減少了實驗組數(shù)，節(jié)省了人力和物力。（1）基體性能研究所需實驗組數(shù)及條件參數(shù)（如表2.3）表2.3 基體性能研究所需實驗組數(shù)與條件參數(shù)組數(shù)模數(shù)溫度/摻量/%11.108002821.308002831.109002841.309002851.108502661.308502671.108503081.308503091.2080026101.2090026111.2080030121.2090030131.2085028141.2085028151.2085028161.2085028171.2085028（2

49、）多孔材料性能研究所需實驗組數(shù)及條件參數(shù)（如表2.4）表2.4 多孔材料性能研究實驗所需組數(shù)和條件參數(shù)分組模數(shù)M溫度T/Na2O摻量%Al、H2O2/%A11.28500.211.3A21.28500.211.5A31.28500.211.7A41.28500.211.9C11.28500.211.3C21.28500.211.5C31.28500.211.7C41.28500.211.9水11.28500.2115水21.28500.2120水31.28500.2125水41.28500.2130注：其中A表示粗顆粒鋁粉，C表示細(xì)顆粒鋁粉，水表示H2O2。2.5 實驗方法2.5.1 試塊制備

50、（1）基體性能研究試塊制備基體試塊的制備是將偏高嶺土和不同模數(shù)的改性水玻璃倒入攪拌鍋內(nèi)，然后在攪拌機(jī)上攪拌成黏稠度合適的漿體，將漿體分別澆筑成型六聯(lián)模、三聯(lián)模以及40mm×40mm×40mm模具。在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h后拆模，并在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至所需齡期，測試其強(qiáng)度。（2）多孔材料制備兩種發(fā)泡劑的制備方法不太一樣：鋁粉作發(fā)泡劑首先將鋁粉和偏高嶺土混合均勻，然后和改性水玻璃一起倒入攪拌鍋內(nèi)攪拌成粘度合適的漿體，將漿體澆筑到自制的發(fā)泡模具內(nèi)成型；H2O2作發(fā)泡劑首先將H2O2和改性水玻璃攪拌混合均勻，然后和偏高嶺土一起倒入攪拌鍋內(nèi)攪拌成粘度合適的漿體，將漿體澆筑到自制的發(fā)泡模具內(nèi)成

51、型。將澆注成型的試塊在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h后拆模，在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至所需齡期。2.5.2 抗壓強(qiáng)度測定本實驗所做的基體強(qiáng)度試塊力學(xué)性能的測試參照水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法，采用檢驗水泥膠砂試體抗壓夾具在壓力機(jī)上測定其抗壓強(qiáng)度。所用試模是40mm×40mm×40mm，壓力機(jī)為無錫市建筑材料儀器廠生產(chǎn)的NYL-600型液壓試驗機(jī)，加壓平均速率1.5kN/s。多孔材料的強(qiáng)度試塊力學(xué)性能測試大體同上，但它不使用抗壓夾具，試塊受壓面積另外測量計算。2.5.3 響應(yīng)曲面法優(yōu)化設(shè)計響應(yīng)曲面法(Response surface methodology，RSM)是利用合理的試驗設(shè)計，采用多元二次回歸方

52、程擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)條件參數(shù)，解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法。這類試驗設(shè)計問題需要尋找試驗指標(biāo)與各因子間的定量規(guī)律，而不是判斷因子的顯著性，找出各因子水平的最佳組合。利用響應(yīng)曲面法可以對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，擬合曲線，建立數(shù)學(xué)模型，還可以提供不同因素的二維等高線圖形預(yù)測試驗結(jié)果，也可以提供三維立體圖形以觀察響應(yīng)曲面，進(jìn)一步求得試驗的最佳化。 響應(yīng)曲面法分為中心復(fù)合試驗和Box-Behnken Design（簡稱BBD）試驗兩種。本試驗中所用的方法為BBD試驗設(shè)計。BBD試驗設(shè)計是將各試驗點取在立方體棱的中點上，如圖2.2所示。圖2.2 三因素BBD實驗

53、設(shè)計實驗點分布分布情況第三章 結(jié)果與討論3.1 地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的研究地質(zhì)聚合物的7d抗壓強(qiáng)度值如表3.1。通過將變量和對應(yīng)的結(jié)果作曲面圖，找出圖形的一般規(guī)律，從而研究偏高嶺土煅燒溫度、水玻璃摻量和模數(shù)對地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的影響規(guī)律。表3.1 地質(zhì)聚合物的7d抗壓強(qiáng)度組數(shù)模數(shù)溫度/摻量/%強(qiáng)度/MPa11.108002830.6821.308002829.6131.109002821.5041.309002843.5351.108502627.8361.308502640.5271.108503027.5281.308503029.7191.208002642.18101.209002637.711

54、11.208003036.34121.209003035.59131.208502844.85141.208502839.82151.208502840.09161.208502838.38171.208502840.783.1.1 水玻璃模數(shù)和偏高嶺土煅燒溫度對抗壓強(qiáng)度的影響圖3.1是水玻璃模數(shù)和偏高嶺土煅燒溫度對地質(zhì)聚合物7d抗壓強(qiáng)度的影響。由圖可知，當(dāng)水玻璃模數(shù)小于1.2時，抗壓強(qiáng)度隨著煅燒溫度的升高而逐漸變小；當(dāng)水玻璃模數(shù)大于1.2時，抗壓強(qiáng)度隨著煅燒溫度的升高而逐漸變大；分析可知，偏高嶺土煅燒溫度850，水玻璃模數(shù)1.201.25時，地質(zhì)聚合物的7d抗壓強(qiáng)度最佳。（a）三維圖（b）投影圖圖3.1 水玻璃模數(shù)和偏高嶺土煅燒溫度對地質(zhì)聚合物7d抗壓強(qiáng)度影響3.1.2 水玻璃模數(shù)和摻量對抗壓強(qiáng)度的影響圖3.2是水玻璃模數(shù)和摻量對地質(zhì)聚合物7d抗壓強(qiáng)度的影響。由圖可知，當(dāng)摻量不變時，抗壓強(qiáng)度隨著模數(shù)的增加先變大后變小；當(dāng)模數(shù)不變時，抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增大而變小。分析可知，水玻璃摻量21%