稀土氟化物对高岭石相变动力学和地聚合物力学性能的影响

摘要

高岭土主要成分是高岭石，广泛地应用到化工、造纸、陶瓷、涂料和国防行业，是一种非常具有价值且可以作为合成绿色胶凝材料地聚物原料的天然矿物材料。因稀土元素的特殊电子层，使得它拥有独特的催化及协同作用，应用领域十分广泛。
　　本文采用综合热分析技术对高岭石和高岭石中掺入稀土氟化物ErF3、LaF3、NdF3、PrF3及YF3的量为n(Al)/n(Re)=100的相变过程进行动力学分析，研究了稀土氟化物对其相变过程的影响，利用Coats-Redfern以及Achar方程分析脱羟基过程得到动力学参数，用Kissinger方程、Ozawa方程以及Johnson-Mehl-Avrami(JMA)修正方程(Ⅰ)来计算高温相变过程的动力学参数，用XRD和FTIR研究高岭石和掺入不同稀土氟化物的高岭石的物相、结构以及化学键的变化，测得制备得到地聚物的抗压强度，探究不同稀土氟化物以及掺量对地聚物力学性能的影响，得到以下结论：
　　（1）高岭石热分解反应过程符合化学反应模型F3机理，掺入稀土氟化物的高岭石热分解过程均符合F2机理，脱羟基过程中达到最大速率时的温度大小顺序为：掺入ErF3>掺入PrF3>掺入NdF3>掺入LaF3>掺入YF3>掺入ErF3>高岭石。空白高岭石热分解过程的活化能Ea和指前因子lnA平均值分别为281.64KJ/mol和44.2531，掺入ErF3的高岭石分别为：219.49KJ/mol和32.7281；掺入LaF3的高岭石分别为：203.57 KJ/mol和30.5123；掺入NdF3的高岭石分别为：201.33KJ/mol和30.1208；掺入PrF3的高岭石分别为：209.20 KJ/mol和31.2811；掺入YF3的高岭石分别为：199.40KJ/mol和29.854。说明稀土氟化物明显有助于降低高岭石热分解反应的活化能和指前因子，有利于脱羟基反应的进行。
　　（2）采用Kissinger方程、Ozawa方程以及JMA修正方程(Ⅰ)计算出高岭石高温相变活化能分别为677.32KJ·mol-1、698.72 KJ·mol-1以及688.02KJ·mol-1，高岭石的频率因子lnυ为62.6299，而掺入稀土氟化物的高岭石的高温相变活化能及频率因子lnυ都有较大程度的升高，表明稀土氟化物使得高岭石的相变活化能与频率因子增大，掺入YF3的高岭石的相变活化能增大幅度最小，掺入LaF3的高岭石相变活化能增加的幅度最大。
　　（3）利用正交试验找出用偏高岭石制得地聚物的最佳试验条件为：NaOH浓度为10 mol/L，液固比为1.0，水玻璃占液体百分比为55％，制备地聚物，分别测得养护不同周期的抗压强度，发现不同稀土氟化物以及掺量会改变地聚物的抗压强度且掺入稀土氟化物所有的地聚物强度较空白偏高岭石基地聚物要低。

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第一章 绪论

1.1 高岭石与偏高岭石应用研究进展

1.2 热分析技术及热相变动力学研究

1.3 地聚合物

1.4 稀土应用进展

1.5 选题目的、意义及研究内容

第二章 试验原料、设备与研究方法

2.1 试验原料

2.2 试验仪器及药剂

2.3 试验研究方法

2.4 试样表征方法

第三章 稀土氟化物对高岭石热分解动力学的影响

3.1热分析实验结果

3.2 动力学参数的处理方法

3.3 不同升温速率下稀土氟化物对高岭石热分解过程的影响

3.4 高岭石脱羟基过程中的活化能和指前因子计算

3.5 稀土氟化物对偏高岭石结构的影响

3.6 本章小结

第四章 稀土氟化物对高岭石高温相变动力学的影响

4.1 热分析实验结果

4.2 稀土氟化物对DTA曲线放热峰的影响

4.3 高温相变动力学分析

4.4 X射线衍射(XRD)分析

4.5 本章小结

第五章 稀土氟化物对地聚合物力学性能的影响

5.1 正交试验

5.2 强度试验

5.3 地聚物的X衍射分析

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录