粉煤灰制备硅——铝气凝胶的研究
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一
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图 １ 实 验 用 粉 煤 灰 粒 径 分 布 图
１ ． ２ 试 验 表 征 方 法
本试 验大体上分为 以下 几个 工序 ： 烧结反应工序 、酸溶工 序 、改性及 干燥 工序 、性能测试分析工序 。各 阶段 对 一定的温度 、时 间、配 比下 烧出的 物料 进行 Ｘ Ｒ Ｄ测试 和分解率 的测定 ，判 断 比较 ，并综合 考虑 能耗等 问题 ，确定 出最佳烧 结温度 、时间 、配 比 ；
ｌ ５ １ ． ２ １ ３ｌ １ ９ ． １ ７ ９ ｌ １ ４ ． ６ ９ ３ Ｉ ５ ． ３ ７ ０ｌ ５ ． ０ ５ １ １ ０ ． ５ ８ ２ ｌ ２ ． ４ ４ ６ ｌ Ｏ ． ３ ６ ４１ ０ ． ２ ６ ６ １ ０ ． １ ３ ４ｌ ０ ． １ ３ ８ ｌ
（ ２）酸溶工序 ： 对溶解 、过滤后 的滤渣烘 干并 且称量 ，比 较各 组烧结 物 的溶解 率 ； 并将 滤渣进 行 Ｘ Ｒ Ｄ测试 ，分析 滤渣 中所 含的成分 ； 对老化后形成 的湿凝胶进 行观察分析 ，颜色透 明且 弹性 较好的 比较好 。综合 以上各 因素确定 出最佳硝酸酸加
入 量 、水 加入 量 ；
建 材 发 展 导 向
粉煤灰制备硅
— —
铝 气 凝 胶 的 研 究
鲲 陈 宁 李 斌
４ ０ ０ ０ ６ ３ ）
蒲
（ 重庆 华西易通建设 股份 有 限公 司，重庆
摘 要 ：粉煤灰 较 高的 比表 面积 ，较好的 热稳 定性而备 受学术界 关注 ，本 文主要研 究 内容 为通过试验探 索 出一种廉价 的粉 煤灰制 得 同时含有氧化 铝和氧化硅 的气凝胶的方 法。试验的主要 步骤 为 ：研 究粉 煤灰烧结反应 的影响 因素 、水 的加 入量对铝硅 共沉淀的 影 响、所制得 气凝胶 的相关测试性 能 。试验 结果表 明 ：粉 煤灰制备 铝一 硅 气凝胶 是 可行 的 ；在粉煤灰 与氢氧化钠 烧结 实验 中 ，确 定 了最佳烧 结制 度为反应 温度４ ５ ０ ￣ （ ２ ，反应 时 间９ ０ ｍｉ ｎ ，粉 煤灰与 氢氧化钠 的质量 比＝１ ： ０ ． ９ 。在常压干燥过程 中，确定 了较优 改性 处理方 法是 ｔ ￣ ， ５ ％ Ｔ Ｍｃｓ 正丁醇溶液为 改性 剂 ，其 中干燥 的具体方 法是将 改性处理后的 湿凝胶 置于干燥箱 中 ，先于４ ０ ￣ ５ ０ ￣ Ｃ干燥３ 小 时 ，５ ０ ￣ ６ ０ ℃干燥４ 小时 ，１ ０ ５ ｏ Ｃ干燥８ 小时，取 出后将样 品置于蒸馏 水 中浸泡１ ｈ ，倒掉 蒸馏水 ，置 于烘 箱中在 １ ０ ５ ￣ （ ２ 下干燥。 关键词 ：硅 铝气凝胶 ；碱熔融 法；正交烧 结 ；表 面改性 ；常压干燥 气凝胶是世 界上最轻 的固体之一 。尽管 现在气凝胶被归类 为 固体 ， 但其 中的物质都 是气体 】 ，针对 氧化硅 、氧 化铝气凝 胶 的研 发 ，国 内外 都有 不少 学者对 其进 行 了研究 。 国外 早在 １ ９ ３ １ 年Ｓ ｉ Ｏ ２气 凝 胶 问世 ，它首 先 由斯 坦 福大 学 的 ｓ ． Ｓ ． Ｋ ｉ ｓ ｔ ｌ ｅ ｒ 利 用水 解水玻璃 的方法及超 临界干燥技术制得 。近年来 ，气凝 胶 的研 究主要集 中在德 国的 Ｂ Ａ Ｓ Ｆ 、Ｂ Ｅ Ｓ Ｙ等公 司 【 ２ 】 ，美 国的洛 斯 阿拉莫斯 国家 实验 室 （ Ｉ Ｊ Ａ Ｎ Ｌ） ，桑地 亚国家实验室 ，法 国的 蒙 比利埃材料研究 中心等 。国 内的研究 比较 晚，气凝胶 的研究 最 早见 于 １ ９ ９ ５年 的同济大 学 的玻 耳固体物 理研究所 ，建立 了 套气 凝胶制备及若 干性 质测 量的设备 ，并和德 国维尔兹堡 大 学 物理所合作开展气凝胶 材料 的系统研究后来华南理工大 学材 料 学 院的刘世 明 ，曾令 可等人 也对 Ｓ ｉ ０ ２气凝 胶 的常 压干燥 制 备及 陛能做 了分析探讨 。但总的来说 ，这些试验研究所 获得的 气凝胶 的成本较 高 ，不能进行大规模生产 ，因而本文 以廉 价的 粉煤灰作为试验仪器 ，对氧化硅 、氧化铝气凝胶 的研 发进行进 步的深入和探讨 。 １ 试验原理及其仪器 介绍
１ ． ３ 试 验 仪 器 设 备
ｌ Ｓ ｉ Ｏ ２ ｌ Ａ １ ２ ０ ３ Ｉ Ｆ ｅ ２ ０ ３ ｌ Ｋ ２ ｏ Ｃ ｌ ａ Ｏ ｌ Ｍ ｇ ｏ ｌ Ｔ ｉ ０ ２ ｌ Ｓ Ｏ ３ Ｐ ｌ ２ ０ ５ ｌ Ｂ ａ Ｏ ｌ Ｚ ｒ Ｏ ２ ｌ
Ｓ ｉ ０ ２和 Ａ １ ２ ０ ３二 者 总 含 量 在 ７ ０ ％ 以上 。
表 １ 粉煤灰的化学成分分析结果 （ ％）
Ｓ ｉ Ｏ ２ 和Ａ １ ２ ０ ３； 采用智能傅立 叶变换 红外光谱仪对制成 的气凝 胶的 比表面积 、吸水性 以及相关 的官能团进行分析 ； 采用 高速 自动 比表 面及孔 隙度分析仪 对气凝胶 的平均孔 径 、总孔 体积 、 吸附 一脱 附等 温线 进行 测试 ，分析气凝胶样 品的内部结构 ； 采 用综合热分析仪研究气凝胶 的热失重变化情况 。
（ ３ ）常压干燥工序 ： 观察凝胶的外观是否 变形 ，以及在凝
胶在 烘箱 中干燥后是否开裂 、开裂程 度如何 、是否生成絮状物 质等来判断表面改性制度和干燥制度是否合适 ；
１ ． １ 试验原理分析
（ ４）性 能 测试工 序 ： 采 用 ｘ射线 荧光 光谱 分析 仪对 最后
制成的气凝胶进行化学成分分析 ，验证试 验凝 胶 中是否包含有
粉 煤灰是煤经高温煅烧后 的残 留物 。高温下煤 中的矿 物除 少部分稳定且耐 高温者能残存下来并进入粉煤灰外 ，其它部分 都很 难保 留下 来 ； 煤 中以层状 结构 为主 的粘 土矿物 ，在 电厂 锅炉 的高温下绝 大部 分被熔解形成硅铝玻璃体 ，约 占粉煤灰总 体积 的 ９ ０ ％左右 。试验 用粉煤灰原料 的 Ｘ Ｒ Ｆ测试结果见 表 １ ，
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图 １ 实 验 用 粉 煤 灰 粒 径 分 布 图
１ ． ２ 试 验 表 征 方 法
本试 验大体上分为 以下 几个 工序 ： 烧结反应工序 、酸溶工 序 、改性及 干燥 工序 、性能测试分析工序 。各 阶段 对 一定的温度 、时 间、配 比下 烧出的 物料 进行 Ｘ Ｒ Ｄ测试 和分解率 的测定 ，判 断 比较 ，并综合 考虑 能耗等 问题 ，确定 出最佳烧 结温度 、时间 、配 比 ；
ｌ ５ １ ． ２ １ ３ｌ １ ９ ． １ ７ ９ ｌ １ ４ ． ６ ９ ３ Ｉ ５ ． ３ ７ ０ｌ ５ ． ０ ５ １ １ ０ ． ５ ８ ２ ｌ ２ ． ４ ４ ６ ｌ Ｏ ． ３ ６ ４１ ０ ． ２ ６ ６ １ ０ ． １ ３ ４ｌ ０ ． １ ３ ８ ｌ
（ ２）酸溶工序 ： 对溶解 、过滤后 的滤渣烘 干并 且称量 ，比 较各 组烧结 物 的溶解 率 ； 并将 滤渣进 行 Ｘ Ｒ Ｄ测试 ，分析 滤渣 中所 含的成分 ； 对老化后形成 的湿凝胶进 行观察分析 ，颜色透 明且 弹性 较好的 比较好 。综合 以上各 因素确定 出最佳硝酸酸加
入 量 、水 加入 量 ；
建 材 发 展 导 向
粉煤灰制备硅
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铝 气 凝 胶 的 研 究
鲲 陈 宁 李 斌
４ ０ ０ ０ ６ ３ ）
蒲
（ 重庆 华西易通建设 股份 有 限公 司，重庆
摘 要 ：粉煤灰 较 高的 比表 面积 ，较好的 热稳 定性而备 受学术界 关注 ，本 文主要研 究 内容 为通过试验探 索 出一种廉价 的粉 煤灰制 得 同时含有氧化 铝和氧化硅 的气凝胶的方 法。试验的主要 步骤 为 ：研 究粉 煤灰烧结反应 的影响 因素 、水 的加 入量对铝硅 共沉淀的 影 响、所制得 气凝胶 的相关测试性 能 。试验 结果表 明 ：粉 煤灰制备 铝一 硅 气凝胶 是 可行 的 ；在粉煤灰 与氢氧化钠 烧结 实验 中 ，确 定 了最佳烧 结制 度为反应 温度４ ５ ０ ￣ （ ２ ，反应 时 间９ ０ ｍｉ ｎ ，粉 煤灰与 氢氧化钠 的质量 比＝１ ： ０ ． ９ 。在常压干燥过程 中，确定 了较优 改性 处理方 法是 ｔ ￣ ， ５ ％ Ｔ Ｍｃｓ 正丁醇溶液为 改性 剂 ，其 中干燥 的具体方 法是将 改性处理后的 湿凝胶 置于干燥箱 中 ，先于４ ０ ￣ ５ ０ ￣ Ｃ干燥３ 小 时 ，５ ０ ￣ ６ ０ ℃干燥４ 小时 ，１ ０ ５ ｏ Ｃ干燥８ 小时，取 出后将样 品置于蒸馏 水 中浸泡１ ｈ ，倒掉 蒸馏水 ，置 于烘 箱中在 １ ０ ５ ￣ （ ２ 下干燥。 关键词 ：硅 铝气凝胶 ；碱熔融 法；正交烧 结 ；表 面改性 ；常压干燥 气凝胶是世 界上最轻 的固体之一 。尽管 现在气凝胶被归类 为 固体 ， 但其 中的物质都 是气体 】 ，针对 氧化硅 、氧 化铝气凝 胶 的研 发 ，国 内外 都有 不少 学者对 其进 行 了研究 。 国外 早在 １ ９ ３ １ 年Ｓ ｉ Ｏ ２气 凝 胶 问世 ，它首 先 由斯 坦 福大 学 的 ｓ ． Ｓ ． Ｋ ｉ ｓ ｔ ｌ ｅ ｒ 利 用水 解水玻璃 的方法及超 临界干燥技术制得 。近年来 ，气凝 胶 的研 究主要集 中在德 国的 Ｂ Ａ Ｓ Ｆ 、Ｂ Ｅ Ｓ Ｙ等公 司 【 ２ 】 ，美 国的洛 斯 阿拉莫斯 国家 实验 室 （ Ｉ Ｊ Ａ Ｎ Ｌ） ，桑地 亚国家实验室 ，法 国的 蒙 比利埃材料研究 中心等 。国 内的研究 比较 晚，气凝胶 的研究 最 早见 于 １ ９ ９ ５年 的同济大 学 的玻 耳固体物 理研究所 ，建立 了 套气 凝胶制备及若 干性 质测 量的设备 ，并和德 国维尔兹堡 大 学 物理所合作开展气凝胶 材料 的系统研究后来华南理工大 学材 料 学 院的刘世 明 ，曾令 可等人 也对 Ｓ ｉ ０ ２气凝 胶 的常 压干燥 制 备及 陛能做 了分析探讨 。但总的来说 ，这些试验研究所 获得的 气凝胶 的成本较 高 ，不能进行大规模生产 ，因而本文 以廉 价的 粉煤灰作为试验仪器 ，对氧化硅 、氧化铝气凝胶 的研 发进行进 步的深入和探讨 。 １ 试验原理及其仪器 介绍
１ ． ３ 试 验 仪 器 设 备
ｌ Ｓ ｉ Ｏ ２ ｌ Ａ １ ２ ０ ３ Ｉ Ｆ ｅ ２ ０ ３ ｌ Ｋ ２ ｏ Ｃ ｌ ａ Ｏ ｌ Ｍ ｇ ｏ ｌ Ｔ ｉ ０ ２ ｌ Ｓ Ｏ ３ Ｐ ｌ ２ ０ ５ ｌ Ｂ ａ Ｏ ｌ Ｚ ｒ Ｏ ２ ｌ
Ｓ ｉ ０ ２和 Ａ １ ２ ０ ３二 者 总 含 量 在 ７ ０ ％ 以上 。
表 １ 粉煤灰的化学成分分析结果 （ ％）
Ｓ ｉ Ｏ ２ 和Ａ １ ２ ０ ３； 采用智能傅立 叶变换 红外光谱仪对制成 的气凝 胶的 比表面积 、吸水性 以及相关 的官能团进行分析 ； 采用 高速 自动 比表 面及孔 隙度分析仪 对气凝胶 的平均孔 径 、总孔 体积 、 吸附 一脱 附等 温线 进行 测试 ，分析气凝胶样 品的内部结构 ； 采 用综合热分析仪研究气凝胶 的热失重变化情况 。
（ ３ ）常压干燥工序 ： 观察凝胶的外观是否 变形 ，以及在凝
胶在 烘箱 中干燥后是否开裂 、开裂程 度如何 、是否生成絮状物 质等来判断表面改性制度和干燥制度是否合适 ；
１ ． １ 试验原理分析
（ ４）性 能 测试工 序 ： 采 用 ｘ射线 荧光 光谱 分析 仪对 最后
制成的气凝胶进行化学成分分析 ，验证试 验凝 胶 中是否包含有
粉 煤灰是煤经高温煅烧后 的残 留物 。高温下煤 中的矿 物除 少部分稳定且耐 高温者能残存下来并进入粉煤灰外 ，其它部分 都很 难保 留下 来 ； 煤 中以层状 结构 为主 的粘 土矿物 ，在 电厂 锅炉 的高温下绝 大部 分被熔解形成硅铝玻璃体 ，约 占粉煤灰总 体积 的 ９ ０ ％左右 。试验 用粉煤灰原料 的 Ｘ Ｒ Ｆ测试结果见 表 １ ，