礦物復合材料

緒論1

第一節(jié)礦物復合材料的定義與特點1

一、礦物復合材料的定義1

二、礦物復合材料的特點2

第二節(jié)礦物復合材料的分類與應用2

一、納米礦物復合材料2

二、礦物/有機復合材料5

三、礦物/無機復合材料7

參考文獻8

第一章礦物復合材料的組成9

第一節(jié)常用的層狀硅酸鹽礦物9

一、蒙脫石9

二、高嶺石10

三、蛭石12

四、云母13

五、滑石15

六、葉蠟石16

七、累托石17

第二節(jié)典型鏈狀硅酸鹽礦物20

一、凹凸棒石20

二、海泡石23

三、硅灰石26

第三節(jié)多孔結構礦物30

一、沸石30

二、硅藻土31

三、珍珠巖32

第四節(jié)其他礦物33

一、石墨33

二、碳酸鈣35

三、水鎂石37

四、重晶石40

第五節(jié)礦物纖維41

一、玄武巖纖維41

二、巖棉纖維47

三、陶瓷纖維49

第六節(jié)固體工業(yè)廢棄物53

一、赤泥53

二、粉煤灰55

三、煤矸石57

四、微硅粉59

第七節(jié)礦物復合材料基體63

一、有機聚合物基體63

二、無機材料基體64

參考文獻66

第二章礦物改性與復合工藝68

第一節(jié)礦物填料制備68

一、礦物粉碎與分級68

二、提純與分類69

三、煅燒70

第二節(jié)礦物改性71

一、礦物表面化學改性71

二、礦物表面物理改性73

三、礦物插層與柱撐改性74

第三節(jié)礦物復合工藝75

一、礦物力化學包覆復合工藝76

二、礦物吸附與負載復合工藝78

三、礦物燒結復合工藝80

四、礦物插層復合工藝85

五、礦物共混擠出復合工藝88

六、礦物混煉復合工藝89

參考文獻93

第三章層狀礦物插層復合材料95

第一節(jié)蒙脫石插層復合材料95

一、蒙脫石插層復合材料簡介95

二、聚合物/蒙脫石復合材料的類型及

結構特征95

三、聚合物/蒙脫石復合材料的制備

方法96

四、聚合物/蒙脫石復合材料的性能及

發(fā)展前景98

第二節(jié)蒙脫石柱撐復合材料98

一、柱撐蒙脫石的簡介98

二、柱撐蒙脫石的結構99

三、柱撐蒙脫石的性質99

四、柱撐蒙脫石的應用100

第三節(jié)高嶺石插層復合材料101

一、高嶺石有機插層復合材料的發(fā)展

歷程101

二、高嶺石插層聚合物復合材料102

三、應用前景103

第四節(jié)蛭石插層復合材料104

一、蛭石有機插層改性研究104

二、蛭石插層復合材料106

三、聚合物/蛭石復合材料的研究前景107

第五節(jié)云母插層復合材料107

一、云母插層改性107

二、云母插層復合材料108

第六節(jié)累托石復合材料109

一、累托石光催化材料109

二、累托石抗菌復合材料110

三、酚醛樹脂基累托石復合材料110

四、環(huán)氧樹脂110

五、不飽和聚酯樹脂111

六、聚氨酯111

七、聚丙烯112

八、橡膠基112

參考文獻112

第四章典型鏈狀硅酸鹽礦物復合

材料115

第一節(jié)凹凸棒石礦物復合材料115

一、凹凸棒石增強樹脂基復合材料115

二、凹凸棒黏土增強橡膠基復合材料119

三、凹凸棒改性無機復合材料120

四、凹凸棒石改性復合材料的發(fā)展

前景122

第二節(jié)海泡石礦物復合材料122

一、海泡石改性聚丙烯復合材料122

二、海泡石改性尼龍6復合材料123

三、海泡石改性熱固性樹脂復合材料123

四、海泡石改性吸水劑復合材料124

五、海泡石負載復合材料124

六、海泡石改性瀝青、涂料復合材料126

第三節(jié)硅灰石礦物復合材料127

一、硅灰石改性聚丙烯復合材料127

二、硅灰石改性聚乙烯復合材料128

三、硅灰石改性尼龍復合材料130

四、硅灰石改性其他聚合物復合材料130

五、硅灰石改性橡膠基復合材料131

六、硅灰石改性生物醫(yī)用復合材料132

七、硅灰石改性復合材料的發(fā)展前景132

參考文獻132

第五章多孔礦物復合材料136

第一節(jié)硅藻土礦物復合材料136

一、硅藻土負載光催化復合材料136

二、硅藻土負載抗菌復合材料138

第二節(jié)沸石礦物復合材料140

一、沸石負載催化材料140

二、沸石負載抗菌材料145

第三節(jié)膨脹珍珠巖礦物復合材料148

一、膨脹珍珠巖保溫隔熱材料148

二、膨脹珍珠巖吸聲復合材料150

參考文獻151

第六章石墨礦物復合材料154

第一節(jié)石墨復合材料的制備154

一、插層石墨復合材料154

二、共混石墨復合材料156

三、石墨層間化合物158

第二節(jié)功能性石墨復合材料161

一、膨脹石墨導電復合材料161

二、可膨脹石墨防火復合材料163

三、石墨介電復合材料165

四、其他功能性石墨復合材料168

第三節(jié)石墨烯復合材料169

一、石墨烯的制備169

二、石墨烯/有機復合材料171

三、石墨烯/無機復合材料172

參考文獻173

第七章其他礦物復合材料177

第一節(jié)碳酸鈣改性復合材料177

一、碳酸鈣改性聚丙烯復合材料177

二、碳酸鈣改性聚氯乙烯復合材料181

三、碳酸鈣改性聚乙烯復合材料185

四、碳酸鈣改性其他復合材料188

第二節(jié)水鎂石礦物復合材料190

一、水鎂石改性聚丙烯復合材料190

二、水鎂石改性聚乙烯復合材料191

三、水鎂石改性EVA復合材料191

四、水鎂石改性其他復合材料191

第三節(jié)重晶石礦物復合材料192

參考文獻193

第八章礦物纖維復合材料196

第一節(jié)玄武巖纖維增強復合材料196

一、玄武巖纖維增強熱固性樹脂復合

材料196

二、玄武巖纖維增強熱塑性樹脂復合

材料197

三、玄武巖纖維增強水泥基復合材料197

第二節(jié)巖棉纖維增強復合材料199

一、巖棉纖維增強礦物保溫復合材料199

二、巖棉纖維增強聚合物基復合材料199

第三節(jié)硅酸鋁纖維增強復合材料200

一、陶瓷纖維增強樹脂基復合材料200

二、陶瓷纖維增強陶瓷基復合材料201

三、陶瓷纖維增強氧化硅氣凝膠隔熱

復合材料201

四、陶瓷纖維增強鋁基及水泥基復合

材料201

第四節(jié)水鎂石纖維202

一、水鎂石纖維水泥基復合材料202

二、水鎂石纖維在造紙生產中的應用203

三、水鎂石纖維在阻燃保溫材料中

的應用204

第五節(jié)纖維硅灰石205

一、纖維硅灰石橡膠復合材料205

二、纖維硅灰石塑料復合材料206

三、造紙用纖維硅灰石209

參考文獻211第九章固體工業(yè)廢棄物復合材料214

第一節(jié)赤泥改性復合材料214

一、赤泥改性聚氯乙烯復合材料215

二、赤泥改性聚丙烯復合材料216

三、赤泥改性聚乙烯復合材料217

四、赤泥改性其他聚合物復合材料217

第二節(jié)粉煤灰改性復合材料219

一、粉煤灰改性聚氯乙烯復合材料220

二、粉煤灰改性聚丙烯復合材料221

三、粉煤灰改性聚乙烯復合材料221

四、粉煤灰改性橡膠復合材料222

五、粉煤灰改性聚酰胺復合材料222

六、其他粉煤灰改性復合材料224

第三節(jié)煤矸石改性復合材料224

一、煤矸石改性聚丙烯復合材料225

二、煤矸石改性橡膠復合材料225

三、其他煤矸石改性復合材料227

第四節(jié)微硅粉改性復合材料227

第五節(jié)礦物聚合復合材料231

一、礦物聚合材料的結構231

二、礦物聚合物性能特點232

三、礦聚物復合材料234

四、礦聚物及其復合材料的應用235

參考文獻238

在漫漫的歷史長河中，材料是人類社會和科學技術發(fā)展的物質基礎，是人類文明程度的象征。伴隨著材料的不斷發(fā)展，人類對材料的應用歷史也從遠古的石器時代、青銅器時代，到當前的復合材料時代一路走來。當今材料的發(fā)展日新月異，21世紀將是一個新材料的世紀。作為與能源、信息及生物技術并稱為現(xiàn)代科技四大支柱的材料技術，其快速發(fā)展將把人類物質文明推向一個更高更新的階段。新技術的發(fā)展與材料的發(fā)展密切相關，社會發(fā)展需求的不斷提升，使得傳統(tǒng)的單一材料無法滿足要求，材料的復合化、功能化、智能化、生態(tài)化已成為材料發(fā)展的必然趨勢，這也使得復合材料成為繼陶瓷、金屬、聚合物之后的第四大材料。另一方面，經(jīng)濟的快速發(fā)展帶來了生態(tài)和環(huán)保問題，因而對基于天然礦物高效綜合利用和固體廢棄物循環(huán)利用的礦物復合材料需求迫切。

復合材料是指兩種或兩種以上物理或化學性質不用的物質組合而成的一種多相固體物質。復合材料在人類歷史中的出現(xiàn)遠在幾千年之前:先民用植物莖桿混合黏土作為建筑材料即可視為復合材料的濫觴;發(fā)展到如今，高樓大廈、橋梁堤壩中大規(guī)模應用的鋼筋混凝土則是不折不扣的多相復合材料。在當今大力提倡生態(tài)環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟以及礦產和土地資源節(jié)約與綜合利用的背景下，為大力發(fā)展基于天然礦物和固體廢棄物綜合利用制備礦物復合材料提供了契機。復合材料本身由多相組成，如果其中一相或多相為礦物材料則可稱之為礦物復合材料。礦物復合材料具有諸多優(yōu)點:首先，礦物來自于自然，人與自然和諧發(fā)展理應倡導天地人合一，在此基礎上發(fā)展的礦物復合材料符合材料生態(tài)化的趨勢;其二，礦物來源豐富，對降低復合材料成本有明顯優(yōu)勢;其三，有部分礦物尤其是尾礦屬于廢棄物，而工業(yè)固體廢棄物的堆存是環(huán)保問題之一，通過研發(fā)以此為原料制備復合材料則可以達到變廢為寶的目的。以碳酸鈣和黏土礦物為填料的聚合物基復合材料就是礦物復合材料的典型。目前關于復合材料方面的書籍眾多，但鮮有從礦物角度出發(fā)，系統(tǒng)闡述天然礦物及工業(yè)固體廢棄物資源化綜合利用制備礦物復合材料，及其在礦物利用、尾礦與固廢處理、改性、制備及應用方面的書籍。

作者長期以來從事復合材料的研究、開發(fā)和教學，尤其是近十余年來致力于礦物復合材料的研究和教學，依托地質過程與礦產資源國家重點實驗室、巖石礦物材料開發(fā)應用國家專業(yè)實驗室、礦物與固廢資源綜合利用行業(yè)工程實驗室(籌)等科研平臺，將礦物資源的高效利用、尾礦及工業(yè)固體廢棄物的環(huán)境污染治理與資源化綜合利用制備新材料結合起來，在地球科學、材料科學與工程、環(huán)境科學與工程等領域進行了一些交叉創(chuàng)新和有益的嘗試。本書是在總結凝練研究工作的基礎上，以本研究團隊多年來的研究成果為主，參考國內外該領域的最新文獻資料，結合教育部科學研究重點課題、863重大項目子課題、中國地質調查局綜合利用項目等課題中有關礦物復合材料科研的最新進展進行編著的。

本書以礦物及其復合材料為主線，首先介紹了礦物復合材料的組成、改性、復合和成型工藝，然后分述了層狀礦物、鏈狀礦物、多孔礦物和纖維狀礦物等不同種類礦物的結構特征及其復合材料的相關性能、應用和發(fā)展概況。既兼顧了復合材料的共性知識，也體現(xiàn)了礦物復合材料的特色;重點闡述了礦物/高分子納米復合材料、礦物負載納米復合材料的研究成果，還介紹了近些年來發(fā)展起來的尾礦及工業(yè)固體廢棄物資源化利用制備礦物復合材料技術以及國外礦物復合材料的最新研究進展。本書還從礦物角度探討礦物復合材料的多層次結構形成的物理化學條件及其規(guī)律、結構與性能的關系，為材料科學與工程、復合材料、高分子材料、材料化學、材料物理、礦物材料、礦物加工等專業(yè)的學生以及該領域的科研工作者在多尺度下認識礦物復合材料的形貌、界面，了解結構與性能的關系提供了一條新思路;為進一步開發(fā)高性能礦物復合材料的新品種、提升傳統(tǒng)材料的性能并擴大其工程化應用范圍提供一定的理論基礎。另外，從應用角度還介紹了多種可用于復合材料的礦物體系，其中大部分是作者及其研究團隊在該領域所做的研究工作的總結。希望本書能起到拋磚引玉的作用，書中所涉及的礦物復合材料制備技術、結構表征、界面改性及性能研究等內容對研究其他復合材料的結構、制備及性能具有一定的參考作用。本書將有助于讀者了解礦物復合材料的基本知識、研究進展、應用及其發(fā)展趨勢，促進礦物復合材料的發(fā)展以及與材料學科、巖石礦物材料學科、環(huán)境工程等學科的交叉創(chuàng)新研究。

本書由張以河負責編著，設計了大綱并負責撰寫各章及全書統(tǒng)稿。沈博協(xié)助統(tǒng)稿并負責全書的圖表和文字校對，參加本書資料收集和圖表文獻整理、校對工作的還有:于春曉、張安振、張銳、余黎、孟祥海、尹玉霞、甄志超、王凡等。本書的撰寫和出版得到中國地質大學(北京)教務處教材出版基金的資助和有關部門的關心和大力支持。謹此致以誠摯的謝意。

礦物復合材料是符合循環(huán)經(jīng)濟、低碳環(huán)保、生態(tài)文明等國內外發(fā)展趨勢的一類新材料，雖然年輕但充滿活力和發(fā)展?jié)摿?。隨著科學技術和社會需求的發(fā)展，各種礦物復合材料不斷涌現(xiàn)，許多新品種還在不斷發(fā)展中，其應用領域日益廣泛，本書難以收集完全，其中遺漏、不妥之處敬請讀者指正和不吝賜教。本書在編寫過程中除了介紹作者研究團隊的科研成果之外，還參閱、引用了其他大量相關文獻。在此謹向所引用文獻的作者們表示衷心地感謝。

張以河2013年7月17日于北京

《礦物復合材料》可作為從事材料科學與工程、復合材料、高分子材料、無機非金屬材料、應用化學、巖石礦物材料、礦物加工、建筑材料、建筑設計、機械設計等相關專業(yè)研究、開發(fā)、教學、生產、銷售、投資的科研工作者、教師、工程設計人員、企業(yè)技術人員的參考書，同時適用于材料化學、材料科學與工程、復合材料、高分子材料、無機非金屬材料、應用化學、巖石礦物材料、礦物加工等專業(yè)的本科生教材以及相近專業(yè)研究生的參考教材。