矿物复合材料序言

在漫漫的历史长河中，材料是人类社会和科学技术发展的物质基础，是人类文明程度的象征。伴随着材料的不断发展，人类对材料的应用历史也从远古的石器时代、青铜器时代，到当前的复合材料时代一路走来。当今材料的发展日新月异，21世纪将是一个新材料的世纪。作为与能源、信息及生物技术并称为现代科技四大支柱的材料技术，其快速发展将把人类物质文明推向一个更高更新的阶段。新技术的发展与材料的发展密切相关，社会发展需求的不断提升，使得传统的单一材料无法满足要求，材料的复合化、功能化、智能化、生态化已成为材料发展的必然趋势，这也使得复合材料成为继陶瓷、金属、聚合物之后的第四大材料。另一方面，经济的快速发展带来了生态和环保问题，因而对基于天然矿物高效综合利用和固体废弃物循环利用的矿物复合材料需求迫切。

复合材料是指两种或两种以上物理或化学性质不用的物质组合而成的一种多相固体物质。复合材料在人类历史中的出现远在几千年之前:先民用植物茎杆混合黏土作为建筑材料即可视为复合材料的滥觞;发展到如今，高楼大厦、桥梁堤坝中大规模应用的钢筋混凝土则是不折不扣的多相复合材料。在当今大力提倡生态环保、循环经济以及矿产和土地资源节约与综合利用的背景下，为大力发展基于天然矿物和固体废弃物综合利用制备矿物复合材料提供了契机。复合材料本身由多相组成，如果其中一相或多相为矿物材料则可称之为矿物复合材料。矿物复合材料具有诸多优点:首先，矿物来自于自然，人与自然和谐发展理应倡导天地人合一，在此基础上发展的矿物复合材料符合材料生态化的趋势;其二，矿物来源丰富，对降低复合材料成本有明显优势;其三，有部分矿物尤其是尾矿属于废弃物，而工业固体废弃物的堆存是环保问题之一，通过研发以此为原料制备复合材料则可以达到变废为宝的目的。以碳酸钙和黏土矿物为填料的聚合物基复合材料就是矿物复合材料的典型。目前关于复合材料方面的书籍众多，但鲜有从矿物角度出发，系统阐述天然矿物及工业固体废弃物资源化综合利用制备矿物复合材料，及其在矿物利用、尾矿与固废处理、改性、制备及应用方面的书籍。

作者长期以来从事复合材料的研究、开发和教学，尤其是近十余年来致力于矿物复合材料的研究和教学，依托地质过程与矿产资源国家重点实验室、岩石矿物材料开发应用国家专业实验室、矿物与固废资源综合利用行业工程实验室(筹)等科研平台，将矿物资源的高效利用、尾矿及工业固体废弃物的环境污染治理与资源化综合利用制备新材料结合起来，在地球科学、材料科学与工程、环境科学与工程等领域进行了一些交叉创新和有益的尝试。本书是在总结凝练研究工作的基础上，以本研究团队多年来的研究成果为主，参考国内外该领域的最新文献资料，结合教育部科学研究重点课题、863重大项目子课题、中国地质调查局综合利用项目等课题中有关矿物复合材料科研的最新进展进行编著的。

本书以矿物及其复合材料为主线，首先介绍了矿物复合材料的组成、改性、复合和成型工艺，然后分述了层状矿物、链状矿物、多孔矿物和纤维状矿物等不同种类矿物的结构特征及其复合材料的相关性能、应用和发展概况。既兼顾了复合材料的共性知识，也体现了矿物复合材料的特色;重点阐述了矿物/高分子纳米复合材料、矿物负载纳米复合材料的研究成果，还介绍了近些年来发展起来的尾矿及工业固体废弃物资源化利用制备矿物复合材料技术以及国外矿物复合材料的最新研究进展。本书还从矿物角度探讨矿物复合材料的多层次结构形成的物理化学条件及其规律、结构与性能的关系，为材料科学与工程、复合材料、高分子材料、材料化学、材料物理、矿物材料、矿物加工等专业的学生以及该领域的科研工作者在多尺度下认识矿物复合材料的形貌、界面，了解结构与性能的关系提供了一条新思路;为进一步开发高性能矿物复合材料的新品种、提升传统材料的性能并扩大其工程化应用范围提供一定的理论基础。另外，从应用角度还介绍了多种可用于复合材料的矿物体系，其中大部分是作者及其研究团队在该领域所做的研究工作的总结。希望本书能起到抛砖引玉的作用，书中所涉及的矿物复合材料制备技术、结构表征、界面改性及性能研究等内容对研究其他复合材料的结构、制备及性能具有一定的参考作用。本书将有助于读者了解矿物复合材料的基本知识、研究进展、应用及其发展趋势，促进矿物复合材料的发展以及与材料学科、岩石矿物材料学科、环境工程等学科的交叉创新研究。

本书由张以河负责编著，设计了大纲并负责撰写各章及全书统稿。沈博协助统稿并负责全书的图表和文字校对，参加本书资料收集和图表文献整理、校对工作的还有:于春晓、张安振、张锐、余黎、孟祥海、尹玉霞、甄志超、王凡等。本书的撰写和出版得到中国地质大学(北京)教务处教材出版基金的资助和有关部门的关心和大力支持。谨此致以诚挚的谢意。

矿物复合材料是符合循环经济、低碳环保、生态文明等国内外发展趋势的一类新材料，虽然年轻但充满活力和发展潜力。随着科学技术和社会需求的发展，各种矿物复合材料不断涌现，许多新品种还在不断发展中，其应用领域日益广泛，本书难以收集完全，其中遗漏、不妥之处敬请读者指正和不吝赐教。本书在编写过程中除了介绍作者研究团队的科研成果之外，还参阅、引用了其他大量相关文献。在此谨向所引用文献的作者们表示衷心地感谢。

张以河2013年7月17日于北京

绪论1

第一节矿物复合材料的定义与特点1

一、矿物复合材料的定义1

二、矿物复合材料的特点2

第二节矿物复合材料的分类与应用2

一、纳米矿物复合材料2

二、矿物/有机复合材料5

三、矿物/无机复合材料7

参考文献8

第一章矿物复合材料的组成9

第一节常用的层状硅酸盐矿物9

一、蒙脱石9

二、高岭石10

三、蛭石12

四、云母13

五、滑石15

六、叶蜡石16

七、累托石17

第二节典型链状硅酸盐矿物20

一、凹凸棒石20

二、海泡石23

三、硅灰石26

第三节多孔结构矿物30

一、沸石30

二、硅藻土31

三、珍珠岩32

第四节其他矿物33

一、石墨33

二、碳酸钙35

三、水镁石37

四、重晶石40

第五节矿物纤维41

一、玄武岩纤维41

二、岩棉纤维47

三、陶瓷纤维49

第六节固体工业废弃物53

一、赤泥53

二、粉煤灰55

三、煤矸石57

四、微硅粉59

第七节矿物复合材料基体63

一、有机聚合物基体63

二、无机材料基体64

参考文献66

第二章矿物改性与复合工艺68

第一节矿物填料制备68

一、矿物粉碎与分级68

二、提纯与分类69

三、煅烧70

第二节矿物改性71

一、矿物表面化学改性71

二、矿物表面物理改性73

三、矿物插层与柱撑改性74

第三节矿物复合工艺75

一、矿物力化学包覆复合工艺76

二、矿物吸附与负载复合工艺78

三、矿物烧结复合工艺80

四、矿物插层复合工艺85

五、矿物共混挤出复合工艺88

六、矿物混炼复合工艺89

参考文献93

第三章层状矿物插层复合材料95

第一节蒙脱石插层复合材料95

一、蒙脱石插层复合材料简介95

二、聚合物/蒙脱石复合材料的类型及

结构特征95

三、聚合物/蒙脱石复合材料的制备

方法96

四、聚合物/蒙脱石复合材料的性能及

发展前景98

第二节蒙脱石柱撑复合材料98

一、柱撑蒙脱石的简介98

二、柱撑蒙脱石的结构99

三、柱撑蒙脱石的性质99

四、柱撑蒙脱石的应用100

第三节高岭石插层复合材料101

一、高岭石有机插层复合材料的发展

历程101

二、高岭石插层聚合物复合材料102

三、应用前景103

第四节蛭石插层复合材料104

一、蛭石有机插层改性研究104

二、蛭石插层复合材料106

三、聚合物/蛭石复合材料的研究前景107

第五节云母插层复合材料107

一、云母插层改性107

二、云母插层复合材料108

第六节累托石复合材料109

一、累托石光催化材料109

二、累托石抗菌复合材料110

三、酚醛树脂基累托石复合材料110

四、环氧树脂110

五、不饱和聚酯树脂111

六、聚氨酯111

七、聚丙烯112

八、橡胶基112

参考文献112

第四章典型链状硅酸盐矿物复合

材料115

第一节凹凸棒石矿物复合材料115

一、凹凸棒石增强树脂基复合材料115

二、凹凸棒黏土增强橡胶基复合材料119

三、凹凸棒改性无机复合材料120

四、凹凸棒石改性复合材料的发展

前景122

第二节海泡石矿物复合材料122

一、海泡石改性聚丙烯复合材料122

二、海泡石改性尼龙6复合材料123

三、海泡石改性热固性树脂复合材料123

四、海泡石改性吸水剂复合材料124

五、海泡石负载复合材料124

六、海泡石改性沥青、涂料复合材料126

第三节硅灰石矿物复合材料127

一、硅灰石改性聚丙烯复合材料127

二、硅灰石改性聚乙烯复合材料128

三、硅灰石改性尼龙复合材料130

四、硅灰石改性其他聚合物复合材料130

五、硅灰石改性橡胶基复合材料131

六、硅灰石改性生物医用复合材料132

七、硅灰石改性复合材料的发展前景132

参考文献132

第五章多孔矿物复合材料136

第一节硅藻土矿物复合材料136

一、硅藻土负载光催化复合材料136

二、硅藻土负载抗菌复合材料138

第二节沸石矿物复合材料140

一、沸石负载催化材料140

二、沸石负载抗菌材料145

第三节膨胀珍珠岩矿物复合材料148

一、膨胀珍珠岩保温隔热材料148

二、膨胀珍珠岩吸声复合材料150

参考文献151

第六章石墨矿物复合材料154

第一节石墨复合材料的制备154

一、插层石墨复合材料154

二、共混石墨复合材料156

三、石墨层间化合物158

第二节功能性石墨复合材料161

一、膨胀石墨导电复合材料161

二、可膨胀石墨防火复合材料163

三、石墨介电复合材料165

四、其他功能性石墨复合材料168

第三节石墨烯复合材料169

一、石墨烯的制备169

二、石墨烯/有机复合材料171

三、石墨烯/无机复合材料172

参考文献173

第七章其他矿物复合材料177

第一节碳酸钙改性复合材料177

一、碳酸钙改性聚丙烯复合材料177

二、碳酸钙改性聚氯乙烯复合材料181

三、碳酸钙改性聚乙烯复合材料185

四、碳酸钙改性其他复合材料188

第二节水镁石矿物复合材料190

一、水镁石改性聚丙烯复合材料190

二、水镁石改性聚乙烯复合材料191

三、水镁石改性EVA复合材料191

四、水镁石改性其他复合材料191

第三节重晶石矿物复合材料192

参考文献193

第八章矿物纤维复合材料196

第一节玄武岩纤维增强复合材料196

一、玄武岩纤维增强热固性树脂复合

材料196

二、玄武岩纤维增强热塑性树脂复合

材料197

三、玄武岩纤维增强水泥基复合材料197

第二节岩棉纤维增强复合材料199

一、岩棉纤维增强矿物保温复合材料199

二、岩棉纤维增强聚合物基复合材料199

第三节硅酸铝纤维增强复合材料200

一、陶瓷纤维增强树脂基复合材料200

二、陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料201

三、陶瓷纤维增强氧化硅气凝胶隔热

复合材料201

四、陶瓷纤维增强铝基及水泥基复合

材料201

第四节水镁石纤维202

一、水镁石纤维水泥基复合材料202

二、水镁石纤维在造纸生产中的应用203

三、水镁石纤维在阻燃保温材料中

的应用204

第五节纤维硅灰石205

一、纤维硅灰石橡胶复合材料205

二、纤维硅灰石塑料复合材料206

三、造纸用纤维硅灰石209

参考文献211第九章固体工业废弃物复合材料214

第一节赤泥改性复合材料214

一、赤泥改性聚氯乙烯复合材料215

二、赤泥改性聚丙烯复合材料216

三、赤泥改性聚乙烯复合材料217

四、赤泥改性其他聚合物复合材料217

第二节粉煤灰改性复合材料219

一、粉煤灰改性聚氯乙烯复合材料220

二、粉煤灰改性聚丙烯复合材料221

三、粉煤灰改性聚乙烯复合材料221

四、粉煤灰改性橡胶复合材料222

五、粉煤灰改性聚酰胺复合材料222

六、其他粉煤灰改性复合材料224

第三节煤矸石改性复合材料224

一、煤矸石改性聚丙烯复合材料225

二、煤矸石改性橡胶复合材料225

三、其他煤矸石改性复合材料227

第四节微硅粉改性复合材料227

第五节矿物聚合复合材料231

一、矿物聚合材料的结构231

二、矿物聚合物性能特点232

三、矿聚物复合材料234

四、矿聚物及其复合材料的应用235

参考文献238

《矿物复合材料》可作为从事材料科学与工程、复合材料、高分子材料、无机非金属材料、应用化学、岩石矿物材料、矿物加工、建筑材料、建筑设计、机械设计等相关专业研究、开发、教学、生产、销售、投资的科研工作者、教师、工程设计人员、企业技术人员的参考书，同时适用于材料化学、材料科学与工程、复合材料、高分子材料、无机非金属材料、应用化学、岩石矿物材料、矿物加工等专业的本科生教材以及相近专业研究生的参考教材。