高铝高强轻质浇注料的研制

随着我国产业结构、宏观政策调整，功能性高品质耐火材料的需求量会越来越大。高铝轻质耐火材料因具有优良的热震稳定性、力学性能，而且耐高温、耐磨损、保温性能优异等。在钢铁、化工、机械、陶瓷等行业关键部位使用，都显示出比其他材料更为优越的性能。因而高档高铝轻质耐火材料的需求量将逐年递增，市场前景十分广阔。与此同时，人们对高铝轻质浇注料制品的性能要求也越来越高。在高铝轻质浇注料的制备过程中，简化工艺，提高效率，降低成本的要求也日益提高。近几年，尽管高铝轻质浇注料制备技术已从初期的探索进入应用阶段，新的制备技术不断被提出，但是，还存在许多问题有待解决。主要有以下几个方面：

(1)各种制备技术对高铝轻质浇注料结构的精确控制，包括对影响孔径分布、大小、形状等因素做系统分析；

(2)提高多孔陶瓷的强度，合理协调强度与气孔率之间的关系，并建立起强度与气孔结构之间联系的有效模型；

(3)改善多孔陶瓷的制备工艺，加强同其他制备工艺“复合”的工艺研究，制备多层梯度复合多孔陶瓷材料，促使多孔陶瓷材料向“多功能”化方向发展；

(4)理化性质的表征方法有待进一步完善。目前常用的BET、SEM压汞法和气体渗透实验等仍各有不足，缺乏全面表征的本领；加强多孔陶瓷在过滤操作技术的研究，使得过滤技术在各领域作业中更安全、更可靠；

(5)与环境相容性问题的研究；

(6)解决规模化、产业化中关键技术问题；

(7)由于多孔陶瓷的制备涉及诸如表面与胶体化学、有机化学、无机化学、生物化学、催化等众多学科，因此要加强学科之间的交叉研究。

进入2O世纪9O年代以后，凝胶注膜成型技术由于具有高固相含量、坯体纤维结构均匀、强度高，能够成型各种复杂形状和易于加工等诸多优点，已经成为高性能材料研究领域的一个新热点。传统高铝轻质浇注料主要是运用铝酸盐水泥结合剂和二氧化硅微粉等赋予材料的流动性和凝结硬化特性进行制备，这种制备方法必然在材料主成分(氧化铝和氧化硅)体系中引入氧化钙等杂质成分，从而降低材料的高温力学性能和耐火性能，影响材料的适用温度范围和使用寿命。所以选择将水基凝胶注膜成型高铝轻质浇注料产品作为研究开发方向。

2.技术原理

采用主要原料如下：纳米SiO2(硅灰)、矾土微粉和聚苯乙烯球；本试验有机单体选用丙烯酰胺，交联剂选用N，N一亚甲基双丙烯酰胺，分散剂选用柠檬酸三铵，引发剂为过硫酸铵，催化剂为N，N，N’，N’—四甲基乙二胺，采用氨水和盐酸调节浆料pH值。

制备工艺如下：将硅灰和矾土微粉按照莫来时的理论配比进行配料并混合均匀，制成混合粉体；将有机试剂按照最佳的比例加入到水中，制成水溶液；将混合粉体加入到水溶液中，搅拌均匀后，浇注到试模中，待试样凝固并干燥后，放入高温炉中烧成即可。

研究手段包括：

①应用DLVO理论及扩展的DLVO理论(EDLVO理论)研究了SiO2纳米粉同类颗粒之间及SiO2纳米粉一矾土微粉异类颗粒间相互作用能；对同类及异类颗粒间的分散过程进行了量化分析；

②悬浮体特性测量：pH值测量；沉降实验；黏度测量；

③坯体性能表征：强度测量；综合热分析；

④烧结试样组成与结构分析：密度、强度、热导率测定；X射线衍射分析；SEM观察。

得出的主要结论是：用调整PH的方法实现SiO2纳米粉、纳米SiO2与矾土微粉混合悬浮液分散的难度较大；分散剂柠檬酸三铵的加入明显地改变了纳米SiO2的范德华作用能、静电排斥能和空间位阻排斥能，使得总排斥势能大幅度增加，这直接导致悬浮液体系的分散稳定性得到显著提高；并且加入分散剂的体系，颗粒间作用几乎不受外界因素的影响(如pH)。烧后试样的性能测定分析表明试样的A12O3+SiO2总含量大于93％，TiO22.98％，体积密度为1.159／cm3的试样耐压强度23Mpa，热导率(平均温度349.9℃)0.47W，m·k，体积密度0.589／cm3的试样耐压强度8.8Mpa，热导率(平均温度349.9℃)0.22W／m·k，与同样材质、体积密度相同的国内先进水平相比具有强度高、热导率小、纯度高等优点，具有良好的应用开发前景。试样中气孔大小主要分布在三个阶段：0.2～lmm、2～4微米和2～70nm，这样多级孔洞紧密级配的结果，是材料获得体积密度小、导热系数低、隔热效果好的主要原因。

3.鉴定及应用

3.1技术鉴定

河南省科技厅于2006年12月17日组织有关专家在郑州市对“高铝高强轻质浇注料的研制”项目进行成果鉴定。鉴定委员会认真审阅了提交的鉴定材料，听取了汇报，进行了质疑和讨论，形成鉴定意见如下：

(1)所提供的鉴定资料齐全，数据可靠，符合鉴定要求，完成了河南省2006年重点科技攻关计划项目(编号0623022700)的任务。

(2)该项目采用天然矾土为主要原料，利用凝胶注模技术，通过研究粉体的分散条件、悬浮液的流变性能以及凝胶固化工艺等，分析了凝胶固化机理和隔热机理，研制出了A12O3+SiO2总含量达93％的高铝高强轻质浇注料。该浇注料具有体积密度低、耐压强度高、热导率小、施工方便等特点。将凝胶注模工艺应用于轻质耐火浇注料生产属国内首创，该项技术成果属国内领先水平。

(3)所研制的耐火浇注料经国家耐火材料质量监督检验中心检测，各项指标符合企业标准Q／HYY01—2006的要求。

(4)该产品工艺成熟，技术可靠，质量稳定，已批量生产，经在轧钢加热炉、高温电炉上使用，效果良好，满足了使用要求，经济效益和社会效益显著。

(5)建议针对不同使用条件开发系列产品，并尽快推广使用，以满足市场需要。

3.2技术应用

与其他多孔材料相比，高铝轻质浇注料具有以下优良性能：高度开口、内连的气孔、曲折的流程、大的比表面积、室温及变化温度下的高强度、低密度、良好的抗热冲击性、耐高温、耐化学腐蚀、良好的过滤吸附性能、可作催化剂载体、微生物的固定、反渗透膜特性、微细发泡等。高铝轻质浇注料的性能是由微孔的化学表面特性和微孔的尺寸特性决定的。决定微孔表面化学特性的因素有陶瓷的组成、状态和微孔表面的处理。微孔的特性尺寸中，微孔直径、分布、形式、比表面积等对其过滤、分离、隔热性能有很大的影响。不同工艺制备的高铝轻质浇注料其性能有所不同，不同的性能又决定了不同的应用方向。例如：利用高铝轻质浇注料的均匀性，可以制作各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混合元件、渗出元件和节流元件等；利用高铝轻质浇注料吸收能量的性能，可以用做各种吸声材料、减震材料等；利用高铝轻质浇注料发达的比表面积，可以制成各种多孔电极、催化剂载体、热交换器、气体传感器等；高铝轻质浇注料密度低、隔热性能好，是优异的保温材料，尤其是在高温下表现出较低的导热系数，可广泛应用于多种窑炉、高温部位的保温层以及高温区的工作层，由于其自身具有短时耐超高温特性，所以在航天工业中有潜在的应用价值。