隔热耐火材料常用结合剂及其结合机理
发布日期： 2020-04-24 09:38:24 阅读量（546） 作者：张红耐火材料结合剂是指成型时添加到原料中，使耐火砖坯体具有一定的生坯强度，并且需要考虑在加热过程中对被结合材料的显微结构、组成等产生的影响，是否会与被结合材料发生反应等。隔热耐火材料结合剂种类繁多，常用的无机结合剂有硅酸盐类、铝酸盐类、磷酸盐类、硫酸盐、氯化物、溶胶及微粉等；有机结合剂有天然类有机物和合成有机物。本课题主要使用铝酸钙水泥、硅溶胶和铝溶胶作为结合剂进行研究。
1、铝酸钙水泥结合剂
铝酸钙水泥是耐火材料行业使用最为广泛的结合剂，以CaCO3和Al2O3等为主要原料煅烧、熔融而成，其主要相成分有CaO·Al2O3(CA)、CaO·2Al2O3(CA2)、12CaO·7Al2O3(C12A7)等。铝酸钙水泥(CA)作为结合剂加入到浇注料中，随着温度的变化发生的一系列化学反应方程式如下：
当在较低温度下养护时，铝酸钙水泥水化生成亚稳定、致密度较低的水化产物CAH10，呈针状或板状晶体(如图1)，这些水化产物的生长、互锁和结合为耐火材料提供了机械强度，使其拥有较强的脱模强度；随着温度的进一步升高，亚稳定的水化产物会逐步析出游离水分，材料中产生了大量空隙，强度降低。当在高温下养护时，反应析出较稳定的水化产物AH3和C3AH6，AH3的颗粒较小填充于网络结晶体的结构空隙中，提供支撑，材料的强度大，但是透气性差，干燥过程中易发生爆裂。水泥结合的浇注料体系在中温阶段时，由于水泥的水化产物发生分解，而浇注料内部还未发生烧结，所以材料的强度较低。当温度升高到1200℃以上时，材料内部发生烧结，强度升高。为了提高浇注料的耐火性能，减少水泥在体系中的添加量，耐火材料工作者正努力开发低水泥浇注料(水泥含量在5%左右)、低水泥浇注料(1%~2%)。目前有研究表明，在体系中加入硅微粉，不仅可以提高低水泥浇注料的中温强度，还可以增加浇注料的流动性，从而改善其使用性能。
图1 水泥水化产物显微结构照片
2、硅溶胶结合剂
硅溶胶结合剂是耐火材料常用的结合剂，是用硅酸钠或硅的有机化合物经过物理化学处理而制得的结合剂，又称硅酸溶胶。溶胶态的分散介质为液体，硅溶胶则是SiO2胶体粒子分散在水中的胶体溶液，准确的说硅溶胶应该称为二氧化硅溶胶。
图2 溶胶、凝胶及沉淀物结构示意图
（硅溶胶）
硅溶胶的颜色呈无色或乳白色透明状，化学惰性，并且无臭、无毒、耐腐蚀性好。硅溶胶胶团所特有的双电层结构(如图3所示)陚予其特殊的理化性质，其胶团结构如图1.9所示，分子式为mSiO2·nH2O，基本组成是游离SiO2，胶核内部结构为-Si-O-Si-链联接而成的二维网状结构，表面结合的大量羟基形成极性硅羟基(-Si-OH)。
图3 双电层模型示意图
图4 硅溶胶结构示意图
硅溶胶在pH=8.5~10时相对最稳定，在pH=3~4时则处于亚稳态，在pH=7时则极不稳定，因此硅溶胶通常呈碱性，其化学式如图5所示(m<n)：
图5硅溶胶的化学式
胶核由一定量的游离SiO2组成，胶核同含有大量硅酸根基团的吸附层共同组成胶粒结构，胶粒表面相同的电性引起的静电排斥对硅溶胶的稳定性起到了决定性的作用，胶粒与扩散层的钠离子构成硅溶胶的胶团结构。
硅溶胶的结合机理是溶胶中SiO2粒子通过表面的极性硅氧基(-Si-O-)发生脱水缩合反应，将硅溶胶中SiO2粒子连接在一起形成稳定的三维网络结构.进而将耐火骨料和微粉粘结成整体，提供耐火材料的初期强度；硅溶胶作为结合剂能克服水泥结合剂对温度过于敏感的缺点，改善材料的中温强度：另外硅溶胶作为结合剂.能减少杂质的引入，提高材料的高温性能。
3、铝溶胶结合剂
铝溶胶是微米级氧化铝凝胶分散于水中形成的胶体溶液。铝溶胶的结构如图6所示，胶核由水合氧化铝分子和酸根分子组成，胶粒外包裹有大量氢离子和铝离子正电荷，形成胶粒，酸根离子包裹胶粒形成胶团。铝溶胶在pH=3.5~4.5时性质稳定，pH值过大或过小都会使其产生胶凝。
图6 铝溶胶的结构模型
（铝溶胶）
铝溶胶的结合机理是溶胶中的水合氧化铝胶团与耐火骨料、微粉粘结时，形成-O-Al-O-三维网络结构，提供耐火材料的初期强度。铝溶胶干燥脱水后在耐火骨料间生成活性氧化铝，由于氧化铝的高熔点其在高温下只能发生晶型转变而不会分解，从而达到高温烧结的效果。
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