在他的主题演讲“2023 年土聚合物研发状况”中，Joseph Davidovits 教授全面回顾了过去一年土聚合物科学和应用的进展。他首先讨论了正在进行的基础土聚合过程研究和酸基土聚合的新发现。在实际应用中，Davidovits 教授研究了超高强度偏高岭土的开发，以及土聚合物如何通过与普通波特兰水泥相比更低的碳足迹来帮助缓解全球变暖。其他及时讨论的主题包括土聚合物在可持续水资源管理中的作用以及修复洪水损坏的道路和人行道等关键基础设施。主题演讲还谈到了使用地质聚合物粘合剂进行 3D 打印以制造坚固稳定的陶瓷类材料的进展。亮点是详细介绍了世界上第一座用地质聚合物混凝土制成的 3D 打印房屋。最后，Davidovits 教授展望了未来地质聚合物在月球上为永久定居者提供更耐用栖息地的机会。
https://www.youtube.com/watch?v=WueCEut1qMU
地质聚合物科学
再次报道世界各地地质聚合物研究的最新进展，这已成为传统。我仔细挑选了自上次聚合物大会以来最具价值的结果进行重点介绍。
我想提请大家注意，自2009年以来，我的演讲已被录制，可在我们地质聚合物研究所网站或YouTube上找到。您可以观看这些视频，以更深入地了解多年来地质聚合物研究的演变。
展示这一切是如何开始的总是很有趣的。第一次地质聚合物会议于1988年在法国巴黎北部的一家科技大学举行。值得注意的是，这次会议是在我们位于圣安东尼奥的私人实验室发现第一种地质聚合物粘合剂十年后举行的，该实验室位于这里，离现在的校园不远，但现在已不复存在。
30年后，地质聚合物的研究、开发和应用遍及世界各地。我想，如果有一个点缺失，也没关系。
显然，随着实验室数量的增长，科学出版物的数量也在增长。我的第一篇参考文献发表在1991年，已被引用数千次。每年有一到三篇出版物，然后数量在2008年开始略微上升。地质聚合物研究所出版了我的参考书《地质聚合物化学与应用》的第一版和第二版，第五版于2020年出版。
今年，研发阶段分为三个部分：第一，地质聚合物科学、全球变暖、水资源管理、洪水和基础设施（道路、路面维修）；第二，3D打印增材制造；第三，酸性地质聚合。
在2009年的第一次地质聚合物研讨会上，我提出了16个研究课题的清单。从那时起，您可以追踪录制的视频，查看每年取得的进展，这些视频记录了每年的研发现状。今年经过仔细考虑，仅选择了三个研究课题进行介绍。这些主题很容易看到，因为它们以蓝色突出显示：地质聚合物的聚合物特性（可溶性硅酸盐、偏高岭土MK 750、钙基地质聚合物、岩石基地质聚合物、硅基地质聚合物、飞灰基地质聚合物、磷酸盐基地质聚合物、有机矿物地质聚合物）；地质聚合物的长期耐久性（考古学）；地质聚合物纤维复合材料用于聚合物和陶瓷加工；无飞灰地质聚合物水泥的生产；地质聚合物混凝土材料用于放射性废物颗粒和气体污染；3D打印增材制造。
首先是地质聚合物的聚合物特性。1975年或1976年，当我首次提出矿物聚合物概念时，两年后它成为地质聚合物的通用术语。主流科学家无法想象聚合物存在于有机聚合物之外的领域。我们目前有两个体系：碱基地质聚合物和磷酸基地质聚合物。首先是碱基地质聚合。碱基地质聚合的机理包括六个步骤：碱化（我们不谈碱活化，这是禁止的）、硅酸盐的聚合（而不是硅或铝的溶解）、低聚硅酸盐的凝胶形成、聚合、网状化、聚合物固化。让我们看看步骤4：聚合。步骤4中，我们有来自所用硅铝酸盐解聚的平方低聚物，它们将彼此聚合，形成二维链，并随着时间的推移聚合成三维网络（这是步骤5）。侧基SiOH与相反的AlOH基团反应，反应过程中水从结构中排出，最终得到固化结构，形成Si-O-Al桥（硅桥或键）。这是任何高分子化学家的术语，但这还不是结束。
2003年，我的朋友克利夫兰教授和她在美国伊利诺伊大学的团队利用透射电子显微镜研究了完全反应的聚硅酸钾型地质聚合物的微观结构。她发现它由尺寸为5到15纳米的纳米颗粒组成。它们由特征尺寸为3到10纳米的纳米孔隙隔开。正是这些纳米颗粒的积累或单个颗粒形成了地质聚合物基体。
九年后，来自美国亚利桑那州立大学坦佩分校的Dong Kyun Don教授对常规偏高岭土基地质聚合物进行了研究。在步骤5的网状化过程中，尺寸为10纳米的地质聚合物胶束在观察下清晰可见。聚合物相由纳米和亚微米几乎球形的颗粒组成，我们在地质聚合物中称之为胶束。图显示了与其他球形结构（胶体硅酸盐、硅灰和飞灰）相比，地质聚合物胶束或纳米颗粒的尺寸非常小。它是一种纳米材料，而不是一种未知的凝胶。
酸基地质聚合是目前使用的第二个体系，使用磷酸和偏高岭土MK 750。酸基地质聚合的机理不同。磷酸与偏高岭土根据化学反应反应，生成SiO2和磷酸铝，这是一种大分子，我称之为地质聚合物。得到的是包含两种聚合物网络的混合物，我们可以在电子显微镜下观察到：第一种是基于SiO2单元的地质聚合物网络（它们呈深色）；第二种是基于磷酸铝单元的地质聚合物网络。问题是，我们只能在电子显微镜下看到这两种聚合物网络的固溶体。SiO2和AlPO4形成磷酸铝，为什么？因为磷酸铝地质聚合物的X射线图与SiO2的X射线图相同。这是第一步，称为柏林石。磷酸柏林石具有螺旋结构，其结构与石英完全相同，我们说它与石英同构。当温度升高时，AlPO4转变为三斜晶系或结晶结构。因此，石英和磷酸铝的混合物不能用X射线衍射法研究，只能用电子显微镜研究。
新型超高强度偏高岭土
课题三：偏高岭土MK 750碱基地质聚合物高强度偏高岭土。在我们实验室进行的陶瓷状地质聚合物3D打印研究中，我们发现了一系列具有非常高机械强度的偏高岭土。这是在没有任何添加剂或纤维添加的情况下实现的。文献中，挠曲强度约为10 MPa（通用商业偏高岭土），我们实验室的为15 MPa，新型偏高岭土的挠曲强度为30 MPa，抗压强度为180 MPa或更高，具体取决于填料。它们非常适合3D打印陶瓷类产品。今天上午的第二场会议，Ralph Davidovich将对此进行介绍（咖啡休息之后）。
地质聚合物与全球变暖
第二个问题是全球变暖、水资源管理、洪水和基础设施（道路、路面维修）。自2019年以来，我一直展示这些幻灯片。正如您所知，地球正在经历极端高温和干旱，世界各地都出现了创纪录的高温、创纪录的降雨量。我已经在我的2020年和2021年的主题演讲中介绍了澳大利亚、加利福尼亚、土耳其等地的灾难性火灾。越来越多的公民将气候变化归咎于温室气体排放，这些排放主要来自燃煤发电厂。
水资源管理
我想现在关注一个不同的主题：水资源管理。例如，在印度，恒河，这条印度教徒称之为“母亲河”的河流，是生命线，是经济繁荣和宗教尊崇的源泉。在其2500公里的河道上，这些水能够治愈那些沉浸其中的人，并使他们摆脱轮回。恒河灌溉了30%的印度领土，滋养着4.5亿人，即40%的印度人口。我们只看到塑料——这个小男孩收集塑料吸管——以及最危险的污染。但最危险的污染是隐蔽的污染，需要污水处理。然而如今，恒河正濒临窒息的边缘，比以往任何时候都更接近窒息，每天被30亿升污水污染，污染率比世界卫生组织的建议高出3000倍。我选择了一篇2023年发表的论文，这篇论文最近由埃及苏伊士大学和港口城市大学的一个团队发表，总结了现状：一篇关于用于污水处理的基于粘土的地质聚合物、循环经济和未来展望的综合综述。最近，人们对污水处理的环境可持续性的认识迅速提高，以满足巨大的全球用水需求，并应对水资源固有的枯竭以及现代社会的发展。重金属、除草剂、染料、杀虫剂以及许多其他有机化合物是河流和湖泊的污染物。药物物质的存在会对人类健康和生物生态系统产生不利影响，因为它们可能导致耐抗生素细菌和海洋生态系统中的遗传抗性因子。由于新冠肺炎疫情的蔓延，大多数抗寄生虫药、抗原生动物药、抗生素、糖皮质激素和抗病毒药物都被大量服用。与疫情前相比，疫情期间城市污水中抗病毒药物的浓度增加了70%以上。唯一可行的途径是新的可持续材料和产品、绿色生产技术和精确的生命周期管理。在这方面，粘土基地质聚合物已成为一种经济耐用且生态友好的水和污水净化材料。明天上午，将有一个西班牙研究小组就此广泛的主题进行演讲。
严重的洪涝和基础设施（道路、人行道维修）的破坏日益严重，这需要对人行道进行修复和建设的解决方案。例如，我在印度的报纸《经济时报》上看到这条新闻（2022年7月24日）：孟买道路将在两年内实现无坑洞，将采用地质聚合物技术。马哈拉施特拉邦首席部长辛德强调了市民因孟买街道上的坑洞而面临的问题。7月23日，首席部长进一步告知，政府将使用地质聚合物技术来填补这些坑洞。他说：“今天我召开了会议，我的意愿得到了孟买市政专员和其他代表的出席，我们讨论了将使用地质聚合物技术来填补坑洞，并已下令立即填补坑洞。”首席部长说，我们星期三上午有一个关于这个主题的演讲，由印度理工学院的一个团队进行。他们在这里吗？好的。
用于增材制造（3D打印）的地质聚合物
用于增材制造（3D打印）的三种地质聚合物：陶瓷型、水泥和混凝土，我们有两种类型。首先是3D打印陶瓷型地质聚合物，七年前，这个主题首次在2016年的地质聚合物研讨会上由意大利帕多瓦大学的一个团队提出。这就是她当时提出的内容，它只是纯偏高岭土挤出，但这是关于地质聚合物3D打印的术语第一次出现。2021年，由中国哈尔滨工业大学的一个团队将其改为地质聚合物的直接墨水书写。我阅读了摘要：具有理想图案、成分和性能的地质聚合物的直接墨水书写技术为可持续混凝土、多孔吸水材料和高温陶瓷带来了广阔前景。然而，通过直接墨水书写精确构建地质聚合物受到地质聚合物油墨低粘度和碱金属离子选择有限的限制。这些都是他们一直在提出的项目。规模很小，5毫米等等。
高强度和化学稳定的类陶瓷
实验室启动了一个为期三年的项目，以开发高强度稳定陶瓷型地质聚合物的直接墨水书写技术。哈尔滨工业大学中国团队提到的困难已被克服，我正在展示该项目第一部分的结果。它是一种高强度3D打印地质聚合物陶瓷，线径为0.7毫米到1毫米，是一种化学稳定的钾基高强度偏高岭土750和长石填料地质聚合物。我们今天上午的第二场会议有两个演讲安排。我现在有一个很短的视频要给大家看。
第一个用地质聚合物混凝土打印的房子
与类陶瓷材料的开发同时，也就是七年前，我们在地质聚合物研讨会上也收到了关于水泥和混凝土地质聚合物3D打印的报告，由新加坡南洋理工大学的一个团队和博士生Viranki Panda完成，该报告指出了该系统的局限性，尤其是在流变学、水控制、固化时间和其他因素方面。当时，我对增材制造在建筑中的好处持相当怀疑的态度。然而，尽管我有所保留，其他团队仍在继续在这个领域进行研究和开发。最值得注意的是俄罗斯伦卡的安德鲁·杜尼科夫和玛丽娜·杜尼科娃团队，他们在2022年地质聚合物研讨会上展示了他们实现的规则、精细和均匀的打印效果。然后，他们被拉斯维加斯地质聚合物国际公司的威廉·霍夫聘用，以建造第一座使用地质聚合物技术的3D打印房屋。这项非凡的成就始于地基（此处为灰白色），然后是墙壁（此处为棕色）。重要的是要注意，棕色墙壁上的宽阔表面不是开花或荧光的结。相反，它是一种有机涂层，涂在硬化地质聚合物材料的表面，以减缓水的蒸发。在固化过程中控制水的蒸发对于防止收缩和开裂至关重要。增材制造和3D打印。
地质聚合物月球栖息地解决方案
地质聚合物技术现在是许多研究和试验的主题，包括那些由美国宇航局、欧洲航天局和中国政府等主要组织资助的研究和试验。例如，这篇由波兰克拉科夫理工大学的一个团队撰写的综述论文概述了基于地质聚合物复合材料和3D打印技术的现代高效节能月球和火星栖息地解决方案。我阅读了摘要。美国宇航局和欧洲航天局宣布，他们希望在2040年之前确保月球或火星上的栖息地。阿波罗17号之后的人类首次登月任务“阿尔忒弥斯3号”计划于2024年进行。为了帮助实施可持续的月球探测和人类太空任务，月球和火星将需要能够使用当地行星资源在现场建造结构。如今，最具前景的材料之一是地质聚合物复合材料。另一个关键点是太空应用中的适当技术，在这种情况下，最有希望的解决方案似乎是3D打印技术。今天下午将由克拉科夫大学的一个团队就这个主题进行演讲。好的，哈哈，这就是我今年的研究与发展现状的总结。感谢您的关注。
