分散剂对硅溶胶结合浇注料在养护过程中化学键变化的影响

发布时间：2020-04-15 19:26

【摘要】：硅溶胶结合浇注料由于脱模强度低而未能得到广泛的应用。近些年来关于分散剂对硅溶胶结合浇注料的流动性、常温物理性能和高温使用性能的研究有很多,但有关分散剂对浇注料脱模强度影响的研究较少,深入到分散剂是如何影响硅溶胶粒子间键变化的研究更少。本实验主要选用了两类不同的分散剂,无机阴离子型分散剂(六偏磷酸钠SHP和三聚磷酸钠STP)和聚羧酸类两性表面活性剂(FS10、FS20、FS60和FS65),研究了无机盐类分散剂SHP和STP加入到硅溶胶后的电导率变化;对两类不同分散剂加入到硅溶胶养护不同时间后的显微结构进行了观察;通过FTIR光谱测试和XPS能谱分析考察了分散剂加入量和养护时长对硅溶胶粒子表面化学键变化的影响;探究了分散剂对硅溶胶结合浇注料脱模强度的影响,同时探讨了硅溶胶结合浇注料的脱模强度与硅溶胶化学键变化之间的关系,从而为硅溶胶结合浇注料是否需要加入分散剂提供实用参考。六偏磷酸钠和三聚磷酸钠加入到硅溶胶后的电导率测试结果表明,在整个SHP加入量范围(0~0.2%)中,当SHP的加入量增大,硅溶胶的电导率发生变化(由4.3 ms/cm升至14.7 ms/cm);随着STP加入量(0~0.2%)增大,相应的硅溶胶的电导率发生改变(由4.3 ms/cm升至21.8 ms/cm)。这是因为分散剂的加入量不同,在硅溶胶中电离出的Na~+和阴离子基团的数量不同。FTIR光谱分析表明,上述6种分散剂加入到硅溶胶后引起了Si-OH和Si-O-Si相对含量的变化,甚至出现了889 cm~(-1)位置附近新的微弱振动峰。这可能是上述分散剂分别加入到硅溶胶后,无论是SHP或STP电离出的Na~+和阴离子基团,还是聚羧酸类分散剂分子中带负电的主链和不带电的侧链,都会影响到硅溶胶粒子周围的电荷环境,从而影响溶胶粒子的化学键变化,相应的溶胶粒子间的粘结状态发生变化。扫描电子显微镜结果显示,温度越高,纯硅溶胶中SiO_2粒子发生粘结,硅溶胶中分别加入两类不同的分散剂后,SiO_2粒子的团聚程度增强,这一现象与FTIR光谱变化相吻合。XPS能谱分析表明,SHP、STP和FS10加入到硅溶胶后在50°C下养护48 h后的O 1s和Si 2p电子结合能要比此温度下纯硅溶胶的O 1s和Si 2p的低,并且在SHP和STP加入后的XPS全谱中出现了Na KLL和1069.84 eV附近的Na 1s的特征峰,这可能是因为分散剂SHP和STP在硅溶胶中电离出的Na~+参与了硅溶胶的缩合过程。即SHP或STP电离的Na~+可能在硅溶胶中以Si-O-Na的状态存在,有利于硅溶胶的缩合过程,拟合相应O 1s谱图的结果也验证了这一可能。脱模强度结果显示,随着浇注料养护温度的提高(10°C、30°C、50°C),浇注料的脱模强度逐渐增大。SHP或STP加入量为0.05%时,抗折强度最大,当分散剂SHP或STP加入量(0.05~0.2%)不断增加时,浇注料的脱模强度逐渐降低;聚羧酸类分散剂加入到硅溶胶后均降低了硅溶胶结合浇注料的脱模强度,随着分散剂用量的增加脱模强度降低越明显。这是因为当SHP或STP加入量为0.05%时,硅溶胶的稳定性没有明显变化,Na~+参与硅溶胶的缩合反应有利于硅溶胶中Si-O-Si化学键的形成,随着SHP或STP加入量的增加,既可能出现Na~+参与硅溶胶的缩合反应有利于硅溶胶中Si-O-Si化学键的形成,又会出现硅溶胶稳定性降低粒子发生团聚的情况而不利于硅溶胶的缩合。而当聚羧酸类分散剂增加时,其对硅溶胶的空间位阻作用会大于静电力作用,硅溶胶的稳定性降低,影响硅溶胶的脱水缩合反应,不利于硅溶胶中Si-O-Si化学键的形成,两类分散剂加入后硅溶胶结合浇注料脱模强度的变化趋势与硅溶胶化学键变化趋势相似。因此,硅溶胶结合浇注料的脱模强度与硅溶胶的化学键变化有关。
【图文】：

浇注料,混合行为,结合系统,扭矩

胶结合浇注料的性能结合浇注料有许多优点，混料、干燥等工艺时间短，良能等。具体阐述如下：混合过程为 Ismael[12]等人把几种常用浇注料的混合性能进行了研究浇注料、水合氧化铝（HA）结合浇注料和铝酸钙水泥（析图 1.1 可得，，相比于 CS 结合浇注料，在混合时其它两间增加而不断增加，其中，CAC 结合浇注料的扭矩在混加，并且和时间成正比变化，随混合时间延长而增大；而变化较晚于 CAC 结合，其扭矩变化约比 CAC 结合晚约S 结合浇注料的扭矩很低，并且在整个搅拌过程（300 s）并不明显。从结果分析说明，这三种不同结合系统的浇说硅溶胶结合浇注料的混合用时相对较短，也就是说在结合浇注料的混合均匀性更好。

浇注料,铝酸盐水泥,水合氧化铝,显气孔率

[12]。图1.2 不同（CAC：铝酸盐水泥；HAB：水合氧化铝；CS：硅溶胶）浇注料的显气孔率(a)和透气率(b)[12]Fig. 1.2 The apparent porosity (a) and ventilation property (b)[12]of different castables (CAC:aluminate cement, HAB: hydrated alumina, CS: colloidal silica)图 1.3 是低水泥结合和溶胶结合浇注料失水率变化图。从溶胶结合浇注料失水率变化曲线中可知道当温度到 100°C 时浇注料中的水已经完全失去，从低水泥结合浇注料的曲线中知道当温度为 200°C 时仍有水的蒸发，若要水分完全失去可能需要到 400°C，从这个图中也可以发现溶胶结合浇注料好的干燥性能[16]。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ175.732

【参考文献】