How to get for the composite material containing a fiber-reinforced material, geopolymer matrix of aluminosilicate alkali, and the matrix |
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| 申请号 | JP52733796 | 申请日 | 1996-03-13 | 公开(公告)号 | JP4160114B2 | 公开(公告)日 | 2008-10-01 |
| 申请人 | ミッシェル ダヴィドヴィクス; ジョセフ ダヴィドヴィッツ; | 发明人 | ミッシェル ダヴィドヴィクス; ジョセフ ダヴィドヴィッツ; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | 脱水後に酸化物に関して表される組成がｙＭ 2 Ｏ:Ａｌ 2 Ｏ 3 :ｘＳｉＯ 2 （式中、ｘは6.5〜70の値であり、ｙは0.95〜9.50の値であり、ＭはＮａ、Ｋ、またはＮａとＫとの混合物である）である、繊維強化材を含んだ複合材料のためのアルミノケイ酸アルカリの ジオポリマーマトリックスであって、 ａ）１ミクロン未満 の直径を有するナノ球体で構成される第１の 球状シリカ含有相；およびｂ）少なくとも１つ又は幾つかのシアレートブリッジ（-Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ-Ｏ-）架橋部位を有するポリ（アルミノケイ酸）アルカリ で構成される第２のポリマー相 ［このとき前記架橋部位は、アルミノケイ酸アルカリにおいて、比（ＳｉＯ 2 ）：（ＡｌＯ 4 ）が3.5より大きくなるよ うＭ p Ｓｉ q ＡｌＯ r （式中、ｐは２〜４の値であり、ｑは２〜４の値であり、ｒは１０〜１６の値である）の実験式を有する ］ ； を含めた少なくとも２つの相を含むナノ複合材料で構成されており、 29 ＳｉのＭＡＳ-ＮＭＲスペクトルが３つの共鳴：-87±５ppm；-98±５ppm；および-107±５ppm；を示す、前記 ジオポリマーマトリックス。 前記第２のポリマー相において、シアレートブリッジ（-Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ-Ｏ-）架橋部位がＭ 4 Ｓｉ 2 ＡｌＯ 10に等しい実験式を有しており、70±５ppmでの 27 ＡｌのＭＡＳ-ＮＭＲスペクトルによって確認することができ、このことは、アルミニウムの配位が、 という分子式（ＭはＫである）を有するＡｌＱ 4 （2Ｓｉ）タイプのＡｌＯ 4であることを示しており、このとき ジオポリマーの用語法において、前記架橋部位はしたがってカリウムオリゴ（アルミネート-ジシロキソ）Ｋ 4 -（ Ａ２Ｓ ）またはＫ 4 :ＡｌＯ 4 :２ＳｉＯ 3である、請求の範囲第１項に記載の ジオポリマーマトリックス。 前記第２のポリマー相において、シアレートブリッジ（-Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ-Ｏ-）架橋部位がＭ 3 Ｓｉ 3 ＡｌＯ 13に等しい実験式を有しており、65±５ppmでの 27 ＡｌのＭＡＳ-ＮＭＲスペクトルによって確認することができ、このことは、アルミニウムの配位が、 という分子式（ＭはＫである）を有するＡｌＱ 4 （３Ｓｉ）タイプのＡｌＯ 4であることを示しており、このとき ジオポリマーの用語法において、前記架橋部位はしたがってカリウムオリゴ（アルミネート-トリロキソ）Ｋ 3 -（ Ａ３Ｓ ）またはＫ 3 :ＡｌＯ 4 :３ＳｉＯ 3である、請求の範囲第１項に記載の ジオポリマーマトリックス。 前記第２のポリマー相において、シアレートブリッジ（-Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ-Ｏ-）架橋部位がＭ 2 Ｓｉ 4 ＡｌＯ 16に等しい実験式を有しており、55±５ppmでの 27 ＡｌのＭＡＳ-ＮＭＲスペクトルによって確認することができ、このことは、アルミニウムの配位が、 という分子式（ＭはＫである）を有するＡｌＱ 4 （４Ｓｉ）タイプのＡｌＯ 4であることを示しており、このとき ジオポリマーの用語法において、前記架橋部位はしたがってカリウムオリゴ（アルミネート-テトラシロキソ）Ｋ 2 -（ Ａ４Ｓ ）またはＫ 2 :ＡｌＯ 4 :４ＳｉＯ 3である、請求の範囲第１項に記載の ジオポリマーマトリックス。 前記ナノ複合材料が、60〜95重量％の前記 球状シリカ含有相と５〜40重量部の前記ポリマー相を含む、請求の範囲第１項に記載の、複合材料のためのアルミノケイ酸アルカリの ジオポリマーマトリックス。 請求の範囲第１〜５項のいずれか一項に記載の ジオポリマーマトリックスと繊維強化材とを含む複合材料。 前記繊維強化材が炭素繊維またはグラファイトを含有し、前記複合材料が最高1000℃まで酸化に耐える、請求の範囲第６項に記載の複合材料。 ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が２：１から34：１の間である組成を有するアルミノシリケート酸化物と、ケイ酸アルカリの水溶液とで構成される反応混合物を、酸化物に関して表示される反応生成物のモル比がＫ 2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.08〜0.145 ＳｉＯ 2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 6.50〜70 Ｋ 2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 0.95〜9.50 となるように調製して静置する工程、およびケイ酸アルカリ水溶液を硬化させるのに使用されるいかなる物質も加えることなく60〜200℃の温度で硬化させる工程からなる、請求の範囲第１〜５項のいずれか一項に記載の ジオポリマーマトリックスの製造法。 前記アルミノシリケート酸化物が ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が24：１から34：１の間である組成を有するとき、100重量部の前記ケイ酸アルカリ水溶液と、０〜40重量部 のＡ ｌカチオンが配位した状態（ＡｌＯ 6 ）の水和アルミノシリケートを加える、請求の範囲第８項に記載の製造法。 強化用繊維および請求の範囲第１項に記載の ジオポリマーマトリックスで構成される耐熱性複合材料の製造法であって、 （ａ） ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が２：１から34：１の間である組成を有するアルミノ-シリケート酸化物を主として含有する粉末；および（ｂ）ケイ酸アルカリ水溶液； を酸化物に関して表示される反応生成物のモル比がＫ 2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.08〜0.145 ＳｉＯ 2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 6.50〜70 Ｋ 2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 0.95〜9.50 となるようにミキシングすることによって得られる反応混合物を前記強化用繊維に含浸させる工程、およびケイ酸アルカリ溶液を硬化させるのに使用されるいかなる物質も加えることなく、60〜200℃の温度でハイドロサーマルポリ縮合にてこの含浸物を処理する工程からなり、 このときポリ縮合後において、前記 ジオポリマーマトリックスの 27 Ａｌに関するＭＡＳ-ＮＭＲスペクトルにより、アルミニウムの配位がＡｌＱ 4 （２Ｓｉ）タイプおよび／またはＡｌＱ 4 （３Ｓｉ）タイプおよび／またはＡｌＱ 4 （４Ｓｉ）タイプのＡｌＯ 4であることがわかる、前記製造法。 強化用繊維および請求の範囲第１項に記載の ジオポリマーマトリックスで構成される耐熱性複合材料の製造法であって、 （ａ） ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が24：１から34：１の間である組成を有するアルミノ-シリケート酸化物を主として含有する粉末；および（ｂ）100重量部のケイ酸アルカリ水溶液と、０〜40重量部 のＡ ｌカチオンが配位した状態（ＡｌＯ 6 ）の水和アルミノ-シリケートとを加えることによって得られる液体； を酸化物に関して表示される反応生成物のモル比がＫ 2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.097〜0.11 ＳｉＯ 2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 10〜55 Ｋ 2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 0.97〜6.10 となるようにミキシングすることによって得られる反応混合物を前記強化用繊維に含浸させる工程、およびケイ酸アルカリ溶液を硬化させるのに使用されるいかなる物質も加えることなく、60〜200℃の温度でハイドロサーマルポリ縮合にてこの含浸物を処理する工程からなり、 このとき 29 ＳｉのＭＡＳ-ＮＭＲスペクトルが広がっていて、-87±５ppm、-98±５ppm、および-107±５ppmにおいて３つの主要な共鳴を示す、前記製造法。 |
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| 说明书全文 | 発明の背景 ジオポリマーマトリックスは、脱水後において、下記のように酸化物に関して表される組成を有する。
2 Ｏ：Ａｌ 2 Ｏ 3 ：ｘＳｉＯ 2
ジオポリマーマトリックスはナノ複合材料（nanocomposite）で構成されている。 ナノ複合材料は少なくとも２種の成分を含有した材料であり、その少なくとも１種の成分が顕微鏡で視認可能であって、数千ナノメートルのオーダーの寸法を有する。 本発明によるナノ複合材料は、下記の相を含む少なくとも２つの相を含有する。
球状シリカ含有相（nodular siliceous phase）。
で構成される第２のポリマー相、このとき前記架橋部位は、このポリ（アルミノケイ酸）アルカリにおいて、Ｓｉ（Ｏ 4 ）：Ａｌ（Ｏ 4 ）が＞3.5（好ましくは＞５）であるよう、 Ｍ p Ｓｉ q ＡｌＯ r （式中、ｐは２〜４の値であり、ｑは２〜４の値であり、ｒは１０〜１６の値である）の実験式を有する。 ジオポリマーは、一般にはＸ線に対して非晶質であり、Ｘ線回折法は、 ジオポリマーマトリックスを特性決定するのに使用することができない。 従来技術によれば、最良の方法は、核磁気共鳴分光分析法を 29 Ｓｉと 27 Ａｌの固相ＭＡＳ-ＮＭＲにおいて使用することである。 ジオポリマーマトリックスにおいては、 29 Ｓｉの核磁気共鳴スペクトルＭＡＳ-ＮＭＲは３つの共鳴ゾーンを有する。 すなわち、タイプＱ 2 （２Ｓｉ，２ＯＨ）のＳｉＯ 4 〔すなわち、直鎖状の水和ポリ（シリケート）〕に対応した、-87±５ppmにおける第１の共鳴ゾーン；タイプＱ 3 （３Ｓｉ，10Ｈ）のＳｉＯ 4 〔すなわち、水和した枝分かれポリ（シリケート）〕、およびさらにＱ 4 （３Ｓｉ，１Ａｌ）のＳｉＯ 4 〔すなわち、三次元ポリ（アルミノシリケート）〕に対応した、-98±５ppmにおける第２の共鳴ゾーン（この共鳴は、ナノ複合材料の第２のポリマー相に関係している）；ならびにタイプＱ 4 （４Ｓｉ）のＳｉＯ 4 〔すなわちポリケイ酸（ＳｉＯ 2 ） n 〕に対応した、-107±５ppmにおける第３の共鳴ゾーン（この共鳴は、ナノ複合材料の第１の 球状シリカ含有相に関係している）；である。
球状シリカ含有相のナノ球体の表面との間の結合部位と考えることができる。 シアレートブリッジ密度または架橋部位密度は、比Ｓｉ（Ｏ 4 ）：Ａｌ（Ｏ 4 ）で表すことができる。 後者が3.5未満であるときは、本発明の ジオポリマーマトリックスは従来技術のマトリックスと同様であると考えられる（本発明の範囲では、この比は3.5以上である）。 好ましい比は５以上であり、70に達することもある。 シアレートブリッジ架橋部位は、Ｍ 4 Ｓｉ 2 ＡｌＯ 10 、Ｍ 3 Ｓｉ 3 ＡｌＯ 13 、及びＭ 2 Ｓｉ 4 ＡｌＯ 16の間で変わる実験式を有する。 本発明の ジオポリマーマトリックスにおいては、 27 Ａｌの核磁気共鳴スペクトルは第２の相に帰属される。 これは、70±５ppm、65±５ppm、および55±５ppmの間で変わる共鳴を有し、アルミニウムの配位がそれぞれ、タイプＡｌＱ 4 （２Ｓｉ）、ＡｌＱ 4 （３Ｓｉ）、およびＡｌＱ 4 （４Ｓｉ）のＡｌＯ 4であることがわかる。 好ましい実施態様の説明
ジオポリマーマトリックスは、60〜95重量部の 球状シリカ含有相と５〜40重量部のポリ（アルミノシリケート）のポリマー相を含んだナノ複合材料である。
ジオポリマーマトリックスを使用することにより得られる極めて驚くべき結果は、本発明の ジオポリマーマトリックスが、最高1000℃までの空気中における酸化や分解に対して繊維を保護する、ということである。 さらに驚くべきことは、こうした特性を得るのに、炭素繊維またはグラファイトに特別な処理を施す必要ないという事実である。 本発明においては、酸化に対する炭素繊維の保護は２つの現象の結果であると仮定される。 第一に、300〜600℃の温度にて組成物中の残留水の放出のためにマトリックスが膨張し、したがって周囲酸素の浸透を防止する。 同時に、シリカ含有相が炭素繊維の表面と反応して、炭化ケイ素を含有した界面が形成されると共に、二酸化炭素ＣＯ 2が放出され、このことがさらに酸化を防止する、と仮定される。 膨張の程度が、ポリマー相中の架橋密度〔すなわち、ポリ（シリケート）鎖およびシリカ含有ナノ球体の表面と一緒に繋がっているシアレートブリッジ（-Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ-Ｏ-）の数〕の関数であることは明らかである。 しかしながら、ポリマー相の完全な架橋は避けなければならない。 なぜなら、従来技術から知られているように、 ジオポリマーが、Ｓｉ（Ｏ 4 ）：Ａｌ（Ｏ 4 ）＝3.5または＜3.5にて三次元的に完全に架橋しているときは、炭素繊維はもはや酸化に対して保護されないからである。 ジオポリマーマトリックスを造り上げているナノ複合材料は、直径が１ミクロン未満（好ましくは500nm未満）のナノ球体で構成された第１の 球状シリカ含有相からなる。 これらのナノ球体は、2000℃以上の温度で生成されるＳｉＯ蒸気とＡｌＯ蒸気を凝縮・冷却することによって得られる、非晶質のアルミノシリケート化合物である。 使用する原料と製造法によれば、アルミノシリケート酸化物粉末は、Ａｌ 2 Ｏ 3の非晶質構造とは全く異なった非晶質構造を有する酸化アルミニウムを幾分多い量にて含有する。 この特殊な構造を表示するのに、我々はアルミノシリケートの式を、たとえば（24ＳｉＯ 2 ,ＡｌＯ 2 ）のように書く。 本発明の ジオポリマーマトリックスを得るのに使用されるアルミノシリケートの１つの例は、従来技術において“サーマルシリカ”として知られているアルミノシリケートである。 このように、ヨーロッパ特許公開第0 518 980号公報の３ページの46〜53行（米国特許第5,342,595号明細書の第３欄22〜29行）には、「本発明の好ましい例においては、サーマルシリカヒューム（thermal silica fume）はジルコンサンドの電気融解（electro-fusion）によって製造される。得られるサーマルシリカヒュームは、多くとも10重量％のＡｌ 2 Ｏ 3及び少なくとも90重量％のＳｉＯ 2を含有する。サーマルシリカヒュームは、（13ＳｉＯ 2 ,ＡｌＯ 2 ）と（16ＳｉＯ 2 ,ＡｌＯ 2 ）との間で構成される実験式を有しており、これは、Ａｌが配位していて（IV）、さらなる非晶質シリカＳｉＯ 2を含んだ状態のアルミノシリケート酸化物を示している」と述べられている。 非晶質シリカをよりはっきりした形で考慮するために、我々は、 ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が24：１から34：１の間に存在する実験式をサーマルシリカヒューム中に含める。 アルミノシリケート酸化物の他の例は、シリカとアルミナを含有した粉末を2300〜2500℃で処理することによって得られるものである。 たとえば65重量％のＳｉＯ 2と23重量％のＡｌ 2 Ｏ 3を含有したアルミニウムシリケート粉末をプラズマトーチ炉中に噴射すると、高温にて粉末が揮発し、ＳｉＯ蒸気とＡｌＯ蒸気が、冷却された壁面に非晶質構造を有するナノ球体の形で凝縮する。 このとき実験式は、 ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が２：１から６：１の間にある。 シリカとアルミナの割合を変えることによって、 ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が２：１から34：１の間で変わる実験式を有する非晶質アルミノシリケートナノ球体を製造することができる。 電気融解またはプラズマトーチ炉によって製造されるナノ球体はいずれも、同じ特殊性を示す。 すなわち、これらのナノ球体をアルカリ溶液（たとえばＫＯＨ溶液）中に入れると、このアルカリ溶液はアルミニウム原子が多く存在するようになり、可溶性のアルミン酸カリウムが形成される。 しかしながら、溶解するＡｌＯ 2の量は、ナノ球体中に存在する量より少なくとも50％少ない。 ＡｌＯ 2の一部は依然としてナノ球体の内部に存在するか、あるいはナノ球体の表面に存在する可能性がより高い（したがって反応性が高い）。 本発明の反応混合物においては、反応性のアルミン酸カリウムは、ナノ球体中のＡｌＯ 2の初期濃度にしたがって、ナノ球体の表面あるいは既に溶液中に存在する。 シアレートブリッジ（-Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ-Ｏ-）と架橋部位がポリマー相中に造り出されるのは、このアルミン酸カリウムを介してである。
3 -Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ（ＯＨ） 3 ｝〕の微細分散溶液を加えるのが有利であることが多い。 アルカリオリゴ-シアレートは、ケイ酸アルカリの溶液中に水和アルミノシリケート〔たとえば、アルミニウムを配位状態にて（ＡｌＯ 6 ）含んだカオリナイト（２ＳｉＯ 2 ,Ａｌ 2 Ｏ 3 ,２Ｈ 2 Ｏ）〕を分散させることによって得られる。 従来技術による ジオポリマーの製造に使用されるアルミノシリケート酸化物〔たとえば、Ａｌカチオンが配位（IV-Ｖ）している（Ｓｉ 2 Ｏ 5 ,Ａｌ 2 Ｏ 2 ）〕は、本発明においては適切ではない。 この酸化物（Ｓｉ 2 Ｏ 5 ,Ａｌ 2 Ｏ 2 ）は、ナノ球体よりＡｌを２倍多く含有している。 さらに、ＫＯＨ溶液への従来の溶解試験においては、Ａｌのほとんど全てが溶解する。 したがって、極めて反応性が高いために殆ど直ちに反応する。 高温での酸化に対して炭素繊維を保護しないことから、本発明に関して記載の架橋部位とは全く異なる三次元網状構造が直ちに形成されている。 一方、本発明のアルカリオリゴ-シアレート溶液は、時間の経過に対して安定な懸濁液の形態をとっており、本発明の ジオポリマーマトリックスは酸化に対して炭素繊維を保護する。 ジオポリマーマトリックスを製造するための好ましい方法は、 ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が２：１から34：１の間である組成を有するアルミノシリケート酸化物と、ケイ酸アルカリ水溶液とで構成される反応混合物を、以下のように酸化物に関して表示される反応生成物のモル比で調製して静置すること、
2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.08〜0.145
2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 6.50〜70
2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 0.95〜9.50
ＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が24：１から34：１の間である組成を有するときは、100重量部の前記ケイ酸アルカリ水溶液に、０〜40重量部（好ましくは５〜30重量部）の、Ａｌカチオンが配位（ＡｌＯ 6 ）した状態の水和アルミノシリケートを、酸化物に関して表示される反応生成物のモル比が以下のようになるように加える。
2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.097〜0.11
2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 10〜55
2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 0.97〜6.1
ジオポリマーマトリックスは、脱水後においては、
2 Ｏ:Ａｌ 2 Ｏ 3 :ｘＳｉＯ 2
4 Ｓｉ 2 ＡｌＯ 10とＭ 3 Ｓｉ 3 ＡｌＯ 13とＭ 2 Ｓｉ 4 ＡｌＯ 16との間で変わる実験式を有する。 ジオポリマーマトリックスにおいては、 27 Ａｌの核磁気共鳴スペクトルＭＡＳ-ＮＭＲは第２の相に帰属される。
ジオポリマーに対する標準的な用語法にしたがって、実験式Ｍ 4 Ｓｉ 2 ＡｌＯ 10の架橋部位は、ＡｌＯ 4 :２ＳｉＯ 3 :Ｍ 4 〔すなわち、アルカリ（Ｍ 4 ）ジシロキソ−（２ＳｉＯ 3 ）アルミネート（ＡｌＯ 4 ）〕と書くことができる。 70±５ppmにて共鳴を示し、このことは、アルミニウムの配位がタイプＡｌＱ 4 （２Ｓｉ）のＡｌＯ 4であることを示している。 したがって、実験式がＭ 4 Ｓｉ 2 ＡｌＯ 10の化合物は、次のような構造（ＭがＫである）
4 -（ Ａ２Ｓ ）と略記する。
3 Ｓｉ 3 ＡｌＯ 13の架橋部位は、ＡｌＯ 4 :３ＳｉＯ 3 :Ｍ 3 〔すなわち、アルカリ（Ｍ 3 ）ジシロキソ−（３ＳｉＯ 3 ）アルミネート（ＡｌＯ 4 ）〕と書くことができる。 65±５ppmにて共鳴を示し、このことは、アルミニウムの配位がタイプＡｌＱ 4 （３Ｓｉ）のＡｌＯ 4であることを示している。 したがって、実験式がＭ 3 Ｓｉ 3 ＡｌＯ 13の化合物は、次のような構造（ＭがＫである）
3 -（ Ａ３Ｓ ）と略記する。
2 Ｓｉ 4 ＡｌＯ 16の架橋部位は、ＡｌＯ 4 :４ＳｉＯ 3 ：Ｍ 2 〔すなわち、アルカリ（Ｍ 2 ）ジシロキソ−（４ＳｉＯ 3 ）アルミネート（ＡｌＯ 4 ）〕と書くことができる。 55±５ppmにて共鳴を示し、このことは、アルミニウムの配位がタイプＡｌＱ 4 （32Ｓｉ）のＡｌＯ 4であることを示している。 したがって、実験式がＭ 2 Ｓｉ 4 ＡｌＯ 16の化合物は、次のような構造（ＭがＫである）
2 -（ Ａ４Ｓ ）と略記する。
実施例１：
2 Ｏ:3.5モル、Ｋ 2 Ｏ:0.276モル、ＳｉＯ 2 :2.509モル、及びＡｌ 2 Ｏ 3 :0.039モルを含有した245ｇの反応混合物を作製する。 Ａｌ 2 Ｏ 3は、天然アルミノシリケートの電気融解によって製造される非晶質アルミノシリケート酸化物から得られるものであり、その平均的な 組成はＳｉＯ 2 とＡｌＯ 2 のモル比が２：１から34：１との間にある。 ＳｉＯ 2は、アルミノシリケート酸化物とケイ酸カリウム溶液から得られるものであり、モル比Ｋ 2 Ｏ/ＳｉＯ 2は１に近い。 Ｋ 2 Ｏはケイ酸カリウムから得られるものである。 反応酸化物のモル比は次の通りである。
2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.11
2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 64.33
2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 7.07
ジオポリマーマトリックスの引張強さに適合させる。 後者も、温度が増大するにつれて減少する。 27 ＡｌのＮＭＲスペクトルは、55±５ppmにて共鳴を示す。 マトリックスのシアレートブリッジ架橋部位（-Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ-Ｏ-）はＫ 2 -（ Ａ４Ｓ ）タイプであり、Ｍ 2 Ｓｉ 4 ＡｌＯ 16という実験式を有する。 ジオポリマーマトリックスがほぼ50％も膨張するのは、ポリマー相のポリシリケート鎖がほとんど架橋しておらず、シアレートブリッジ架橋の大部分がナノ球体の表面に存在している、という事実によるものである。 このナノ複合材料は、70重量部の 球状シリカ含有相と30重量部のポリ（アルミノシリケート）ポリマー相を含む。 29 ＳｉのＭＡＳ-ＮＭＲスペクトルは３つの共鳴を示す：-87±５ppm, -98±５ppm，及び-107±５ppm 実施例２：
2 Ｏ:3.5モル;Ｋ 2 Ｏ:0.276モル；ＳｉＯ 2 :2.671モル；Ａｌ 2 Ｏ 3 :0.1207モル；を含有した266ｇの反応混合物を得る。
2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.103
2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 22.129
2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 2.286
27 ＡｌのＮＭＲスペクトルは、65±５ppmおよび55±５ppmにて共鳴を示す。
2 -（ Ａ４Ｓ ）およびＫ 3 -（ Ａ３Ｓ ）タイプであり、Ｍ 2 Ｓｉ 4 ＡｌＯ 16およびＭ 3 Ｓｉ 3 ＡｌＯ 13という実験式を有する。 ジオポリマーマトリックスが25％膨張するということは、ポリマー相のポリシリケート鎖が架橋しており、シアレートブリッジ架橋がナノ球体の表面に、そしてさらにポリ（シリケート）鎖間に存在していることを示している。 このナノ複合材料は、65重量部の 球状シリカ含有相と35重量部のポリ（アルミノシリケート）ポリマー相を含む。 29 ＳｉのＭＡＳ-ＮＭＲスペクトルは広がった３つの共鳴を示す：-87±５ppm, -98±５ppm，及び-107±５ppm 実施例３：
2 Ｏ:28.14モル；Ｋ 2 Ｏ:2.64モル；ＳｉＯ 2 :23.69モル；及びＡｌ 2 Ｏ 3 :0.67モルを含有した2259ｇの反応混合物を作製する。
2 Ｏ 3は、天然アルミノシリケートを使用して2400℃でのプラズマトーチによって製造される非晶質アルミノシリケート酸化物から得られるものであり、その平均的な式は（13ＳｉＯ 2 ,ＡｌＯ 2 ）と（16ＳｉＯ 2 ,ＡｌＯ 2 ）との間にある。 ＳｉＯ 2は、アルミノシリケート酸化物とケイ酸カリウム溶液から得られるものであり、モル比Ｋ 2 Ｏ/ＳｉＯ 2は１に近い。 Ｋ 2 Ｏはケイ酸カリウムから得られるものである。 反応酸化物のモル比は次の通りである。
2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.11
2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 35.35
2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 3.94
実施例４：
実施例５：
2 Ｏ:4.22モル；Ｋ 2 Ｏ:0.276モル；ＳｉＯ 2 :2.833モル；およびＡｌ 2 Ｏ 3 :0.2827モル；を含有する297ｇの反応混合物を得る。 反応酸化物のモル比は次の通りである。
2 Ｏ/ＳｉＯ 2 0.097
2 /Ａｌ 2 Ｏ 3 10.02
2 Ｏ/Ａｌ 2 Ｏ 3 0.976
27 ＡｌのＮＭＲスペクトルは、70±５ppm、65±５ppm、および-55±５ppmにて共鳴ピークを示す。 マトリックスのシアレートブリッジ架橋部位（-Ｓｉ-Ｏ-Ａｌ-Ｏ-）は、のＫ 2 -（ Ａ４Ｓ ）、Ｋ 3 -（ Ａ３Ｓ ）、およびＫ 4 -（ Ａ２Ｓ ）のタイプである。 ジオポリマーマトリックスの膨張が少ないということは、ポリマー相中のポリシリケート鎖が高度に架橋していて、シアレートブリッジ架橋が、ナノ球体の表面およびポリ（シリケート）鎖間に存在していることを示している。 このナノ複合材料は、60重量部の 球状シリカ含有相と40重量部のポリ（アルミノ-シリケート）ポリマー相を含有する。
ジオポリマー樹脂から造られている。
ジオポリマー複合材料の製造法の利点が容易に理解できよう。 従来技術の方法を使用して最高1000℃までの温度に対して安定な複合材料を得るためには、炭素繊維を気相付着法（炭化ケイ素蒸気又は窒化ケイ素蒸気）によって特殊処理しなければならなかったか、あるいはＳｉＣ繊維強化材（たとえば、ニカロンタイプのもの）を使用しなければならなかった。 現在、ＳｉＣ繊維と特殊処理には多くのコストがかかり、したがって利用が限定されている。 比較すると、同等の機械的特性を得ようとした場合、炭素繊維のコストはニカロンＳｉＣの20分の１である。 このように、本発明の方法の経済的利点は明らかである。 当然のことながら、本発明の ジオポリマーマトリックスは、他のあらゆる繊維強化材、および複合材料を製造するための他の多くの強化材と組み合わせて使用することもできる。 １つの例はマイカおよび類似の粒子であり、これらと組み合わせると、高温で安定な複合材料を製造することができる。
ジオポリマーマトリックスおよび方法に対する種々の変形を導き出すことができるが、これらも本発明の範囲内であることは言うまでもない。 |
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