硅溶胶对矾土基耐火材料结构与性能影响的研究
发布时间：2021-06-12 04:44
近年来,随着高温工业技术的进步和发展,不仅要求材料具有良好的高温力学性能,更要兼顾急冷急热等严苛条件下的工作性能,这就对耐火材料的质量提出了更高的要求,特别是高温工业使用广泛的矾土基耐火材料。有研究表明,硅溶胶在不定形耐火材料中有着改善材料高温性能的作用,尤其是抗热震性能,但在结合体系不同的定形耐火材料中的研究相对较少。因此,本文通过在矾土基耐火材料中引入硅溶胶,探究其对材料结构与性能的影响,希望今后能为硅溶胶在矾土基耐火材料的生产和应用上提供一定的参考。本文是在矾土基耐火材料生产工艺的基础上进行改进,研究了硅溶胶对矾土骨料和基质结构与性能的影响;采用先单独加入α-Al2O3微粉的添加方式,研究不同硅溶胶加入量对矾土基耐火材料结构与性能的影响;采用硅溶胶浸渍处理矾土基耐火材料中3～1mm矾土熟料颗粒的工艺,研究了骨料浸渍对矾土基耐火材料结构与性能的影响,重点研究了硅溶胶对材料抗热震性能的影响,结果表明:使用不同浓度硅溶胶浸渍矾土骨料,骨料表面变得较为平整,且因硅溶胶浓度不同,骨料表面的硅溶胶厚度和分布特征也不相同。在基质中添加硅溶胶,经高温煅...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Al2O3-SiO2系统的二元相图
1文献综述71.2硅溶胶的概述1.2.1结构与性质硅溶胶为乳白色半透明的液体，无臭、无毒，也被称为硅酸溶胶，或二氧化硅的水溶液，其本质是粒径从几纳米到数十纳米的多聚硅酸的分散体系[26-27]。通常，硅溶胶中w（SiO2）=15%～35%（最高可达50%），其胶团结构如图1.2所示，分子式可表述为mSiO2·nH2O[28]。通常硅溶胶的pH在8.5～11时相对稳定，一般称为碱性硅溶胶；当pH在7～8时，我们称为中性硅溶胶；当pH<7时，被称为酸性硅溶胶，此时，硅溶胶呈亚稳定状态，极易聚沉而变成硅凝胶。酸性硅溶胶和碱性硅溶胶的胶团结构式可分别表示为[29]：233{[()()]}mSiOnHSiOxxnClnCl和2223{[2()]}2xmSiOnSiOnxHxNa图1.2硅溶胶的胶团结构Fig.1.2Micellestructureofsilicasol硅溶胶的胶核内部的结构为硅氧烷键(-Si-O-Si-)所形成的网络结构，其表面覆盖着较多的硅氧醇基(-Si-OH)和羟基(-OH)。物质的结构往往决定其性质，而性质决定着它具有什么样的特点。基于硅溶胶自身独特的组成和结构，通常具有下列几种特性[30]：硅溶胶在室温状态下即可风干，当水分蒸发后，胶粒会牢牢地吸附在物体的表面，利用这一特性硅溶胶在工业生产中被广泛用于无机或有机材料的结合剂；因胶粒之间聚合形成的硅氧网络结构，内含大量的孔隙，使其具有良好的吸附性；化学物质SiO2具有良好的耐温性能，一般可耐1500～
1文献综述9实际应用的过程中，是将上述两种方法结合起来使用。按照硅溶胶的制备工艺可以分为以下几种：（1）离子交换法此种制备方法是目前技术最成熟、应用最广泛的工艺，它采用水玻璃为主要原料，使其通过强酸型阳离子交换树脂，除去水玻璃中的钠离子和其他阳离子杂质，获得稀聚硅酸溶液。离子交换反应式如下：3223222RSiOHNaOnSiO2RSiONanSiOHO（1.1）一般为了得到更高的纯度，会搭配使用弱碱型阴离子交换树脂，以去除稀硅酸溶液中的氯离子和其他阴离子杂质，获得较高纯度的活性硅酸溶液，这时需加入少量的NaOH或其他碱性试剂作稳定剂，保证pH在8.5～10.5范围内。接着，将聚硅酸溶液经晶核的形成和晶粒长大获得母液，而后在粒子增长反应的作用下，即将聚硅酸溶液以一定的速率加入进母液，便得到了单分散、粒径可控的硅溶胶，最后采用加热浓缩以及离心纯化等手段即可得到高纯度的硅溶胶产品[28]。此方法主要存在的缺点是：需要严格控制反应物浓度，且离子交换树脂的重新利用会产生大量的废水。（2）单质硅一步溶解法制备流程如图1.3所示[38]，以单质硅为原料，在无机或有机碱（如纯氢氧化钠）的催化作用下，将其与纯水反应，制得硅溶胶的方法，其化学反应方程式如下：65902NaOH22mSi(2mn)HOmSiO(2mn)H℃（1.2）图1.3单质硅一步溶解法制备流程Fig.1.3Preparationprocessofone-stepdissolutionmethodofsimplesubstancesilicon这种制备方法存在的主要优点是所用原料纯度高，制得的硅溶胶产品杂质含量极少，同时，SiO2胶粒的粒径、粘度、pH值、密度、纯度等指标也相对于其他方法更容易控制。但是，往往其颗粒大多都是非球形，且形貌无法控制。（3）电解电渗析法
【参考文献】：
期刊论文
[1]高纯度莫来石的制备方法及其应用研究进展[J]. 白健,孙华宁. 煤炭技术. 2019(11)
[2]长寿热风炉用刚玉-莫来石耐火材料损毁机理[J]. 和弦,李勇,张秀华,郑清瑶,邢东明,马晨红,薄钧. 硅酸盐学报. 2019(12)
[3]玻璃相对刚玉莫来石质陶瓷辊棒性能的影响[J]. 张脉官. 佛山陶瓷. 2019(08)
[4]硅溶胶对莫来石微球质隔热耐火材料性能的影响[J]. 易萍,赵惠忠,赵鹏达. 硅酸盐通报. 2018(12)
[5]金属铝粉对刚玉尖晶石浇注料抗爆裂性能的影响[J]. 王志强,李享成,雷中兴,朱伯铨,王玉龙,彭肖仟,杜爽,徐炎明. 稀有金属材料与工程. 2018(S1)
[6]莫来石溶胶结合高铝质耐火材料性能的研究[J]. 侯庆冬,罗旭东,谢志鹏,于忞,杨孟孟. 硅酸盐通报. 2018(05)
[7]硅溶胶结合刚玉质热态修补料的研制及应用[J]. 宋连足. 冶金能源. 2017(S2)
[8]改性高岭土催化材料的制备表征及应用[J]. 王莹,侯党社,蒋绪,马红竹. 合成材料老化与应用. 2017(04)
[9]成型工艺对莫来石质隔热耐火砖性能的影响[J]. 殷波,廖佳,殷骏,张少伟,范昌龙,吴梦飞. 江苏陶瓷. 2017(01)
[10]改性硅溶胶的研究现状及进展[J]. 周楠,戴雷,史述宾,闫立峰,余海斌. 中国胶粘剂. 2016(11)
博士论文
[1]刚玉—莫来石复相陶瓷窑具的使用过程数学模拟、纳米改性及其设计与制备[D]. 程本军.浙江大学 2006
硕士论文
[1]高温煅烧矾土基均质熟料对材料结构与性能影响的研究[D]. 闫森旺.郑州大学 2018
[2]改性硅溶胶制备及其对蓝宝石抛光性能的研究[D]. 张雷.合肥工业大学 2018
[3]硅溶胶为前驱体常压制备疏水SiO2气凝胶工艺研究[D]. 孙俊艳.中南大学 2013
[4]大粒径、高浓度硅溶胶的合成及其结构性能[D]. 范渊卿.武汉理工大学 2010
[5]硅溶胶的制备及其铝改性的研究[D]. 田华.武汉理工大学 2008
[6]刚玉—莫来石复相窑具热震稳定性的研究及优化设计[D]. 郑建平.浙江大学 2005
本文编号：3225974
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Al2O3-SiO2系统的二元相图
1文献综述71.2硅溶胶的概述1.2.1结构与性质硅溶胶为乳白色半透明的液体，无臭、无毒，也被称为硅酸溶胶，或二氧化硅的水溶液，其本质是粒径从几纳米到数十纳米的多聚硅酸的分散体系[26-27]。通常，硅溶胶中w（SiO2）=15%～35%（最高可达50%），其胶团结构如图1.2所示，分子式可表述为mSiO2·nH2O[28]。通常硅溶胶的pH在8.5～11时相对稳定，一般称为碱性硅溶胶；当pH在7～8时，我们称为中性硅溶胶；当pH<7时，被称为酸性硅溶胶，此时，硅溶胶呈亚稳定状态，极易聚沉而变成硅凝胶。酸性硅溶胶和碱性硅溶胶的胶团结构式可分别表示为[29]：233{[()()]}mSiOnHSiOxxnClnCl和2223{[2()]}2xmSiOnSiOnxHxNa图1.2硅溶胶的胶团结构Fig.1.2Micellestructureofsilicasol硅溶胶的胶核内部的结构为硅氧烷键(-Si-O-Si-)所形成的网络结构，其表面覆盖着较多的硅氧醇基(-Si-OH)和羟基(-OH)。物质的结构往往决定其性质，而性质决定着它具有什么样的特点。基于硅溶胶自身独特的组成和结构，通常具有下列几种特性[30]：硅溶胶在室温状态下即可风干，当水分蒸发后，胶粒会牢牢地吸附在物体的表面，利用这一特性硅溶胶在工业生产中被广泛用于无机或有机材料的结合剂；因胶粒之间聚合形成的硅氧网络结构，内含大量的孔隙，使其具有良好的吸附性；化学物质SiO2具有良好的耐温性能，一般可耐1500～
1文献综述9实际应用的过程中，是将上述两种方法结合起来使用。按照硅溶胶的制备工艺可以分为以下几种：（1）离子交换法此种制备方法是目前技术最成熟、应用最广泛的工艺，它采用水玻璃为主要原料，使其通过强酸型阳离子交换树脂，除去水玻璃中的钠离子和其他阳离子杂质，获得稀聚硅酸溶液。离子交换反应式如下：3223222RSiOHNaOnSiO2RSiONanSiOHO（1.1）一般为了得到更高的纯度，会搭配使用弱碱型阴离子交换树脂，以去除稀硅酸溶液中的氯离子和其他阴离子杂质，获得较高纯度的活性硅酸溶液，这时需加入少量的NaOH或其他碱性试剂作稳定剂，保证pH在8.5～10.5范围内。接着，将聚硅酸溶液经晶核的形成和晶粒长大获得母液，而后在粒子增长反应的作用下，即将聚硅酸溶液以一定的速率加入进母液，便得到了单分散、粒径可控的硅溶胶，最后采用加热浓缩以及离心纯化等手段即可得到高纯度的硅溶胶产品[28]。此方法主要存在的缺点是：需要严格控制反应物浓度，且离子交换树脂的重新利用会产生大量的废水。（2）单质硅一步溶解法制备流程如图1.3所示[38]，以单质硅为原料，在无机或有机碱（如纯氢氧化钠）的催化作用下，将其与纯水反应，制得硅溶胶的方法，其化学反应方程式如下：65902NaOH22mSi(2mn)HOmSiO(2mn)H℃（1.2）图1.3单质硅一步溶解法制备流程Fig.1.3Preparationprocessofone-stepdissolutionmethodofsimplesubstancesilicon这种制备方法存在的主要优点是所用原料纯度高，制得的硅溶胶产品杂质含量极少，同时，SiO2胶粒的粒径、粘度、pH值、密度、纯度等指标也相对于其他方法更容易控制。但是，往往其颗粒大多都是非球形，且形貌无法控制。（3）电解电渗析法
【参考文献】：
期刊论文
[1]高纯度莫来石的制备方法及其应用研究进展[J]. 白健,孙华宁. 煤炭技术. 2019(11)
[2]长寿热风炉用刚玉-莫来石耐火材料损毁机理[J]. 和弦,李勇,张秀华,郑清瑶,邢东明,马晨红,薄钧. 硅酸盐学报. 2019(12)
[3]玻璃相对刚玉莫来石质陶瓷辊棒性能的影响[J]. 张脉官. 佛山陶瓷. 2019(08)
[4]硅溶胶对莫来石微球质隔热耐火材料性能的影响[J]. 易萍,赵惠忠,赵鹏达. 硅酸盐通报. 2018(12)
[5]金属铝粉对刚玉尖晶石浇注料抗爆裂性能的影响[J]. 王志强,李享成,雷中兴,朱伯铨,王玉龙,彭肖仟,杜爽,徐炎明. 稀有金属材料与工程. 2018(S1)
[6]莫来石溶胶结合高铝质耐火材料性能的研究[J]. 侯庆冬,罗旭东,谢志鹏,于忞,杨孟孟. 硅酸盐通报. 2018(05)
[7]硅溶胶结合刚玉质热态修补料的研制及应用[J]. 宋连足. 冶金能源. 2017(S2)
[8]改性高岭土催化材料的制备表征及应用[J]. 王莹,侯党社,蒋绪,马红竹. 合成材料老化与应用. 2017(04)
[9]成型工艺对莫来石质隔热耐火砖性能的影响[J]. 殷波,廖佳,殷骏,张少伟,范昌龙,吴梦飞. 江苏陶瓷. 2017(01)
[10]改性硅溶胶的研究现状及进展[J]. 周楠,戴雷,史述宾,闫立峰,余海斌. 中国胶粘剂. 2016(11)
博士论文
[1]刚玉—莫来石复相陶瓷窑具的使用过程数学模拟、纳米改性及其设计与制备[D]. 程本军.浙江大学 2006
硕士论文
[1]高温煅烧矾土基均质熟料对材料结构与性能影响的研究[D]. 闫森旺.郑州大学 2018
[2]改性硅溶胶制备及其对蓝宝石抛光性能的研究[D]. 张雷.合肥工业大学 2018
[3]硅溶胶为前驱体常压制备疏水SiO2气凝胶工艺研究[D]. 孙俊艳.中南大学 2013
[4]大粒径、高浓度硅溶胶的合成及其结构性能[D]. 范渊卿.武汉理工大学 2010
[5]硅溶胶的制备及其铝改性的研究[D]. 田华.武汉理工大学 2008
[6]刚玉—莫来石复相窑具热震稳定性的研究及优化设计[D]. 郑建平.浙江大学 2005
本文编号：3225974
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