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天然沸石在建材领域中的应用

发布时间:2019-07-30     浏览次数:6017

天然沸石是一种架状硅酸盐矿物,在地壳中分布非常广泛。目前世界上已有美国、日本及俄罗斯等40多个国家发现了沸石矿床,矿床的总数达1000多个,已发现的沸石有四十多种。在我国,沸石资源也相当丰富,且分布广泛,价格低廉,产地涉及浙江、河北、山东、河南、黑龙江、辽宁、吉林、内蒙等二十多个省区。我国已发现的沸石品种有大量的丝光沸石斜发沸石矿床,另外还有方沸石、毛沸石、片沸石、钠沸石、辉沸石及浊沸石等许多品种。由于沸石具有质轻易碎、硬度较低、空隙度高、比表面积大等特点以及良好的离子交换、吸附、催化、耐热、耐酸、耐辐射性能,目前已被广泛应用于建材工业、石油及化工、环境保护、农牧业、轻工业及尖端技术等诸多领域。本文主要论述天然沸石在水泥、混凝土、涂料、陶瓷、橡塑材料等建材工业中的应用研究进展。


天然沸石的结构与性能

天然沸石是一类硅铝酸盐多孔晶体材料,由SiO2、Al2O3、H2O、Na2O、K2O和CaO等主要成分组成,化学通式为:Ax/n(SiO2)(AlO2)x·mH2O,其中A为阳离子,x为阳离子个数,n为价态数,m为水分子数。硅氧四面体和铝氧四面体是构成沸石骨架的最基本的结构单元,其中铝氧四面体带有一个负电荷,使得沸石具有阴离子骨架结构,需要额外的阳离子来平衡。但是由于阳离子和骨架结合比较弱,因此极易与其他阳离子发生交换作用,这是沸石具有离子交换特性的原因。在沸石的骨架结构中排列着许多空穴和孔道,这些孔道允许一定大小的分子自由移动,阳离子和水分子便分布其中。当由于外在条件的改变使沸石内部的水分子脱除后,沸石的骨架结构不会遭到破坏,而是形成空旷的空腔,可以用来吸附大量分子,使其具有吸附特性。

天然沸石在建材领域中的应用研究

沸石的主要应用领域是建材工业,世界上超过四成的沸石资源用于水泥及其制品中。最初为了降低水泥生产成本,提高混凝土的强度、抗渗性与抗冻性,人们将沸石用于水泥或混凝土工业,而随着科技的进步与发展,沸石的应用越来越广泛,在建材领域中还涉及到涂料、陶瓷乃至橡塑材料等。

3.1在水泥、混凝土中的应用研究

沸石作为水泥掺料可以降低成本、提高标号、改善产品性能等。早在1912年,美国就将掺有沸石的水泥用于建筑之中。前苏联于1913年利用克里木丝光沸石(当时称凝灰岩)作为水泥混合材生产水泥,大大降低了成本。1978年以来,我国在利用天然沸石作为混凝土掺合料的研究方面也取得了重要进展,天然沸石成为近几年来推广应用最广的一种新型混凝土掺合料。

利用沸石的离子交换特性,可以通过加入沸石抑制混凝土碱-骨料反应。清华大学的冯乃谦在这方面做了很多研究,并提出了天然沸石通过离子交换作用抑制碱-骨料反应的机理。研究了天然沸石的加入对水泥中可溶性碱和有效碱的影响,并对沸石抑制碱-骨料反应的机理进行了分析,发现沸石通过离子交换降低可溶性碱量,通过离子交换和提高C-S-H凝胶对Na+和K+的吸收能力降低有效碱量,而沸石本身含有的碱量并不影响其对碱-骨料反应的抑制作用。基于沸石的离子交换特性,掺加沸石的水泥材料用于氨氮及重金属离子的去除也有很多报道。利用天然沸石和泥炭作为原材料,水泥作为粘结剂研制的合成材料对氨氮和总磷有很好的去除效果,对初始浓度为10mg·L-1的NH4+-N溶液的吸附量为131mg·kg-1,对初始浓度为1mg·L-1的总磷溶液的吸附量为31mg·kg-1。发明了一种可吸附重金属离子的透水砖,由于沸石的离子交换特性和较大的比表面积,使加入沸石的透水砖在保证其原有性能的基础上,提高了对Zn2+、Pb2+等重金属离子的吸附。研究了放射性废物水泥固化体Cs+的浸出行为,发现沸石对Cs+有强烈的吸附作用,掺加80%沸石的固化体Cs+浸出率比不加沸石的固化体Cs+浸出率小一个数量级,沸石对Cs+的选择性吸附和沸石表面被水泥水化产物包覆是导致固化体对Cs+有持留作用的主要原因。另外,掺加沸石的水泥砂浆有很好的防氡和防辐射效果,制备的含沸石水泥砂浆,防氡率可达到60%,对辐射的屏蔽率为45%,说明沸石可以用作防氡材料。

利用沸石的吸附性能,可以将其用来制备多孔混凝土。开展了天然斜发沸石作为集料和引气剂制备蒸压加气混凝土的研究,发现,不加铝粉的加气混凝土耐压强度为4.6MPa,容重为0.930kg/dm3,较之掺加铝粉的加气混凝土强度更高,容重偏大。用天然沸石作为气体载体制备多孔混凝土,干容重最低可达720kg/m3,抗冻性和隔音性能良好。沸石具有调湿功能,这是因为沸石有多孔、比表面积大和吸附能力强的特点,因此可以将沸石与水泥或灰浆混合制成板材用于调节空气湿度。日本鹿岛公司和新东北化学工业公司将天然沸石、混凝土、维尼纶纤维和水混合,压制成型开发出沸石调湿护墙板,其吸湿性约达到木材的3倍,适合于需要严格控制湿度的建筑物。这种板材已用于日本新开馆的日黑雅叙园美术馆工程中。以天然沸石为基材,加入水泥、石膏等制成调湿材料可使容器内湿度稳定在60%~70%之间,而作参照的没有放置调湿材料样品的容器内部湿度在50%~90%之间浮动。

此外,沸石还可以作为流化剂载体,用以控制混凝土塌落度的损失,改善混凝土的流动性和施工性能;制备沸石抗菌剂,用于砂浆或混凝土中,使其具有一定的抑制或杀灭细菌的能力;制备低碱高强水泥和无碱防冻早强水泥等。

3.2在涂料中的应用研究

涂料生产中,将沸石磨细制粉,混合乳化漆与沸石粉,可制备一种特殊水性涂料,能够吸附空气中的水分和有害气体;利用沸石和珍珠岩生产的一种可避免建筑物水份结露的室内吸水性涂料,可以涂在室内墙壁和胶合板上。用沸石生产的特殊抗腐蚀涂料,可以有效抵制海水腐蚀,特别适用于造船业。干燥的沸石细粉还可用于生产防火涂料,含水沸石可用于生产不燃性涂料。此外,聚氨酯木地板涂料中掺加沸石成份,可大大提高其存放时间,稳定其使用性能。

沸石在涂料中的应用除了以上方面以外,还被大量用于抗菌涂料的研制。用天然沸石作为抗菌剂的载体制成的涂料不仅具有良好的抗菌广谱性、持效性和稳定性,同时具有吸附除味功能。发现载银抗菌沸石的加入不仅不会对涂料的流变性能产生负面影响,而且可以降低涂料的稠度系数和表观黏度。由于沸石的可调湿性,也可将其用于调湿涂料的研制。用氯化钙组装多孔沸石硅藻土制成的沸石复合型调湿乳胶涂料吸湿能力达到10%,放湿能力达到9%。将沸石、硅藻土、凹凸棒土和海泡石组合起来制成的涂料在结构上实现了大、中、微孔的复合,吸湿量可达6%以上,放湿量达到5%以上。沸石还可用于制备远红外特种涂料。用天然沸石经脱泥、筛选等工艺处理后得到的丝光沸石精矿制成的远红外涂料在远红外区有较强的辐射特性,同时具有良好的选择性。还有报道称在沸石细粉中掺入载色树脂和草酸盐生产的涂料可对建筑物墙壁起保护和装饰作用。

3.3在陶瓷材料中的应用研究

天然沸石在现代陶瓷工业中的应用也非常广泛。首先,沸石可以用来生产瓷砖。认为用天然沸石生产陶瓷内墙砖是可行的,但由于沸石结构中的气孔容易引起收缩,因此沸石掺量不宜超过20%~25%。发明的轻质泡沫陶瓷面砖通过加入沸石解决了在烧成过程中的膨胀变形问题,此面砖具有生坯强度高、破损率低、重量轻等优点,可进行大规模工业化生产。沸石还以用于抗菌陶瓷材料的研制。用载银沸石或载铜沸石作为抗菌剂制备的陶瓷面砖具有优良的杀菌效果,杀菌率达95%。用沸石载银抗菌剂复合光触媒抗菌剂TiO2制备的陶瓷面砖具有很好的抗菌效果和良好的抗菌耐久性。公开了一种用红辉沸石制备抗菌陶瓷的方法,用这种方法制备的抗菌陶瓷抗菌效果可达95%以上,同时具有防霉、净化空气及远红外效应等功能。在国外,沸石还用于泡沫微晶玻璃的研制,并已实现工业化。当含沸石矿物具有低的熔化温度和形成熔体的适宜粘度时就可以用于制备泡沫微晶玻璃。利用沸石的阳离子置换性能,可将沸石用于制备陶瓷颜料。此外,沸石还可以用来制备日用陶瓷和乌釉陶器。

3.4在橡塑材料中的应用研究

天然沸石在橡塑工业中的应用研究处于初级阶段,一方面是制备抗菌塑料的研究,另一方面是改善橡胶产品的性能。发达国家对抗菌塑料的研究较早,现在已进入实用化阶段,我国起步较晚,目前也取得一定进展。用银锌复合沸石抗菌剂制备的抗菌塑料对大肠杆菌的抗菌率大于99%,对金黄色葡萄球菌的抗菌率达98%,力学性能和白度也达到应用要求。用铜锌复合沸石抗菌剂制备的聚丙烯抗菌塑料抗菌性较只掺铜型抗菌沸石和锌型抗菌沸石的塑料抗菌性好,其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为99.8%和99.1%。在橡胶制品中加入适宜量沸石可以防止橡胶老化,延长橡胶寿命。但是沸石的掺量不宜过多,否则会降低橡胶制品的拉伸强度和断裂伸长率等力学性能。沸石可以作为一种橡胶补强剂,同时可改善橡胶制品的耐磨性,用于胶鞋生产中可替代部分白炭黑,用于海绵中底具有防臭、防霉的功效。在胶带、胶布、皮辊、皮圈等橡胶制品中的应用也有良好效果。

3.5在其他建材中的应用研究

沸石粉可用于粉状沥青的制备,可作为道路、桥梁等所用沥青的填料,也可用作改善沥青建筑材料性能的填料;可以制备沸石多孔轻质玻璃制品,提高玻璃的耐化学性和抗划性;利用抗菌沸石制成具有抗菌防臭、保健、紫外线遮断等性能的功能纤维。

天然沸石在建材领域中的应用非常广泛而且发展迅速,已凸显出良好的社会经济效益和环境效益。但是沸石在建材领域中的应用还存在一些不足:如沸石用作水泥混合材时,会因沸石的吸水性导致水泥的需水量大大提高,影响水泥与混凝土外加剂的适应性;再如沸石用于橡胶材料,会导致其力学性能下降。我国应该加强沸石在这些方面的研究和成果推广,推动沸石应用的产业化进程。此外,在建材领域中应用较多的是斜发沸石和丝光沸石,对其他沸石的研究比较少,因此,我国还应加强其他种类沸石的应用研究,以充分利用沸石这种丰富又廉价的矿产资源。可以预见,天然沸石在建材领域中的应用范围将更加广泛,前景会更加广阔。

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