硅溶胶结合浇注料在养护过程中溶胶粒子间键变化的研究

Silica sol-bonded castables possess low explosive spalling likelihood during heating, high strength in the low-intermediate temperature range and excellent properties at temperatures. This kind of castable has not been widely used because of low strength after de-molding. The de-molding strength mainly depends on the condensation reaction (Si-OH+HO-Si=Si-O-Si+H2O) between silica sol particles during curing. The reaction includes only the bond changes from the silanol (Si-OH) groups on sol particle surface into siloxane bonding (Si-O-Si). Because it is not possible to investigate the bond changes using the traditional techniques such as XRD, there have been few of the experimental investigations concerning the setting mechanisms of silica sol-bonded castables. This project investigates the influence of dispersant, gelling agents and curing temperature on the flow property, setting time and de-molding strength of corundum-based castables with silica-sol as the binder, with emphasis on the influence of dispersant, gelling agents and curing temperature on the siloxane bonding (Si-O-Si) formation using XPS, NMR and IR. This project is to illuminate the dependence of the setting behavior and de-molding strength of silica sol-bonded castables on the chemical bond formation between silica sol particles. The expected achievements of this project will not only enrich the setting mechanism theory of sol-bonded castables, but provide theoretical guideline for increasing de-molding strength of silica sol-bonded castables.

硅溶胶结合浇注料具有烘烤性能好、中低温强度高、高温性能好等优点。这种浇注料没有得到广泛使用的主要原因是养护后脱模强度低，而其脱模强度主要取决于养护过程中硅溶胶粒子间的缩合反应(Si-OH+HO-Si= Si-O-Si+H2O)。由于该反应只有硅溶胶粒子表面上的硅醇基（Si-OH）转化为硅溶胶粒子间的硅氧烷（Si-O-Si）结合的化学键变化，因而用传统的XRD等方法不能表征硅溶胶粒子间的化学键重组。 本工作以硅溶胶结合刚玉质浇注料为研究对象，考察分散剂、胶凝剂和养护温度对浇注料流动性、凝结时间、脱模强度等性能的影响，重点是利用XPS、NMR、IR等考察分散剂、胶凝剂和养护温度对浇注料中硅氧烷（Si-O-Si）键形成的影响，探明硅溶胶结合浇注料凝结行为和脱模强度与硅溶胶粒子间形成化学键的关系。本工作的成果不仅可以丰富溶胶结合浇注料的凝结机理理论，还将为如何提高硅溶胶结合浇注料的脱模强度提供理论

FT-IR和XPS结果表明，加入铝酸钙水泥（CAC）、氢氧化镁和烧结镁砂作为胶凝剂，均促进了硅溶胶粒子的缩合反应 (Si−OH+HO−Si=Si−O−Si+H2O)。研究发现，加入铝酸钙水泥（CAC）到硅溶胶中形成了Si-O-Al、Si-O-Ca新化学键；加入氢氧化镁和烧结镁砂形成了Si-O-Mg新化学键。因此，加入这些胶凝剂促进了硅溶胶结合浇注料脱模强度的提高。.FT-IR和XPS结果表明，加入无机分散剂三聚磷酸钠（STP）和六偏磷酸钠到硅溶胶中，可生成Si-O-Na新化学键，可以轻微促进浇注料的脱模强度；而加入有机大分子分散剂醚基聚羧酸脂，且由于大分子的空间位阻作用，加入有机大分子减水剂不利硅溶胶的缩合反应，会使硅溶胶粒子间的硅氧烷（Si–O–Si）结合的化学键生成减弱，从而使硅溶胶结合浇注料的脱模强度降低。.FT-IR和XPS结果证实，养护温度升高，会使硅溶胶粒子间的硅氧烷（Si–O–Si）结合的化学键生成，因而硅溶胶结合浇注料的养护温度提高有利浇注料脱模强度的提高。。 .本工作以硅溶胶结合刚玉质浇注料为研究对象，考察了胶凝剂、分散剂和养护温度对浇注料流动性、脱模强度等性能的影响，重点是利用IR和XPS等考察了分散剂、胶凝剂和养护温度对浇注料中硅溶胶粒子间硅氧烷（Si–O–Si）键形成的影响，探明了硅溶胶结合浇注料凝结行为与硅溶胶粒子间形成化学键的关系。本工作的成果不仅可以丰富溶胶结合浇注料的凝结机理理论，还将为如何提高硅溶胶结合浇注料的脱模强度提供理论依据。