分散劑（Dispersant）是一種在分子內同時具有親油性和親水性兩種相反性質的界面活性劑。
分散劑在耐火澆注料中有哪些作用？還存在這些問題
在耐火澆注料的使用中微粉和超微粉的比例日益增大
為使其達到理想的分散效果最有效的方法之一就是加入分散性能良好的分散劑分散劑可以改變基質顆粒表面的物理化學性質增加顆粒之間的斥力提高耐火澆注料的流動性改善其施工性能和常溫性能
1分散劑的發展
分散劑又稱為減水劑或塑化劑木質素磺酸鹽作為第一代分散劑最早在建筑領域用作混凝土分散劑20世紀30年代在美國成功研制并逐漸得到應用但是由于其存在減水率低緩凝性大的缺點很快被聚磺酸鹽系及聚合磷酸鹽為代表的第二代分散劑所取代20世紀80年代初期聚羥酸鹽系作為第三代高性能分散劑逐漸出現其具有分散性強摻入量低等優點逐漸成為國內外分散劑研究與開發的熱點
2分散劑的作用機制及基質顆粒的相互作用能
2.1分散劑的作用機制
至今仍沒有一個系統的理論來解釋高效分散劑的作用機制認同度較高的分散機制包括靜電斥力作用和空間位阻作用
2.1.1靜電斥力作用
在溶液中分散劑的親水基團指向水溶液憎水基團定向吸附在基質顆粒表面構成單分子或多分子吸附膜由于親水極性基團的電離使得基質顆粒表面帶上電性相同的電荷電荷量隨著分散劑濃度的增大而增大直至飽和基質顆粒表面相同電性的電荷使得基質顆粒之間產生靜電斥力這種斥力作用有利于包裹絮凝結構中的自由水的釋放從而有效地增大了不定形耐火材料的流動性
2.1.2空間位阻作用
分散劑吸附在基質顆粒的表面并且形成一層具有一定厚度的聚合物分子吸附層當基質顆粒相互靠近時吸附層相互重疊使得基質顆粒間產生斥力作用聚合物分子吸附層之間相互交叉在聚合物鏈之間產生物理的空間位阻這種由于聚合物吸附層靠近重疊而產生的阻力阻止基質顆粒接近的機械分離作用力稱之為空間位阻斥力一般來說所有離子型聚合物都會發生靜電斥力和空間位阻兩種作用其強度的大小取決于溶液中的離子濃度聚合物的分子結構和摩爾質量聚羥系減水劑吸附在基質顆粒表面雖然靜電斥力較小但是由于其主鏈與基質顆粒表面相連支鏈則延伸進入液相形成較厚的聚合物分子吸附層因此具有較大的空間位阻斥力分散劑加入量較小時即對基質顆粒具有顯著的分散作用[5]
2.2基質顆粒的作用能
未添加分散劑時基質體系的微觀結構主要是由基質之間的作用而相互絮凝包裹了部分水分通過吸附和分散解開絮凝結構釋放出水分從而提高了材料的流動性相互作用力主要包括范德華力靜電力和位阻相互作用力等
對于靜電相互作用常常以Zeta電位作為表征手段由于水泥礦物的化學組分不同其水化產物的Zeta電位存在差異同時Zeta電位的差異也會對減水劑的吸附產生影響在同樣的表面性質和相同粒徑下顆粒間與范德華力有關的作用能可以表示為
顆粒間與靜電相互作用有關的能量計算方法為
在不考慮位阻相互作用的情況下雙電層穩定理論作用能為
3分散劑對流變性質的影響
3.1分散劑對粘土澆注料的影響
以分散劑對粘土澆注料的影響為例用粘土的膠體性質得到材料的可施工性即利用粘土鹽基置換置換吸附離子的分散凝聚特征使材料在低水分含量下具有較好的流動性澆注之后凝聚硬化例如添加分散劑磷酸鈉時根據粘土的鹽基置換使Na粘土中釋放出的Ca2+等凝聚粒子被磷酸鹽封鎖起來呈分散狀態而得到高流動性;另一方面同時添加的凝聚劑緩緩溶解出凝聚離子例如Ca2+被系統中殘存的磷酸鈉捕捉消耗掉剩余的全部磷酸鈉材料在可使用時間內保持流動性消耗分散劑時Ca2+再次與Na+進行置換成為Ca粘土材料則緩慢向凝聚狀態過渡水被包含在凝聚粒子內失去流動性而產生硬化
表1列出的各種分散劑選用時要從分散力可使用時間硬化時間等多方面均衡考慮
表1不同類型的分散劑
澆注料混練時所添加的水分與其品質關系密切要想不犧牲耐火性而得到高強度高密度低水分是必須的要得到相同的流動性施工性需添加必要的水分代表性的煅燒氧化鋁其真比重為3.9平均粒徑為4～5nm比表面積為1m2/g采用MularandRob-vts法測定的等電點pH值與流動性間的關系后發現pH值在1.5～4.0的泥漿顯示出強的膨脹性;等電點附近及以上的堿性側顯示出觸變的流動性;加水量最少的酸性側從結構致密性來看這個區域也許令人滿意但由于具有強膨脹性而對混練性壓送性等作業性產生危害pH=8的等電點附近加水量增加難以得到致密的施工體而在堿性一側稍微增大加水量與等電位附近相比都是低水分的混練性等性能良好這是認為其實用化的原因使用煅燒氧化鋁和二氧化硅粉末根據其粒徑化學組成pH值比表面積等流動性硬化時間強度等特性有較大變化
低水泥澆注料不僅需要凝聚劑而且要具有水合反應性使用氧化鋁水泥使粘土結合澆注料具有大量凝聚離子例如由于氧化鋁水泥中的Ca2+Al3+大量溶出必須引入對離子封鎖性強的分散劑在測試分散劑對氧化鋁水泥中Ca2+溶出的影響中發現對Ca2+溶出的抑制作用聚磷酸鈉效果優良添加量在1.5%以上并具有充足的可使用時間在粘土結合澆注料中溶出共存的凝聚離子量少因而采用六偏磷酸鈉使用具有離子封鎖性的分散劑對氧化鋁中的多價離子有抑制作用
3.2分散劑對纖維質耐火材料的影響
纖維類不定形耐火材料的生產工藝流程如圖1所示
圖1纖維類不定形耐火材料生產工藝流程圖
試驗選用北京首鋼耐火材料廠生產的普通硅酸鋁耐火纖維原棉把原棉纖維剪成長1～3cm的小段分別在8種組合的分散劑中進行攪拌分散試驗分散劑的效果如表2所示
表2硅酸鋁耐火纖維的分散實驗
由表2所顯示的實驗結果可以看出對硅酸鋁耐火纖維分散效果最好的分散劑是ABC3種為了確定該3種優良分散劑的最佳分散效果最低成本下的最佳濃度和在最佳濃度下能分散的最大纖維量我們進行了試驗結果如表3所示
表3分散劑的最大濃度和最大纖維分散量
4高性能分散劑在耐火材料中應用中存在的問題
國內市場上分散劑品種較多但有部分品種受其結構制約導致分散效果不佳三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉因其價格低廉綜合性能較好是應用最為廣泛的耐火材料分散劑之一但是其分散作用十分有限使用量較大聚羥酸鹽高性能分散劑自日本研發成功后受到越來越多的關注但在應用過程中還存在以下問題主要表現為
1聚羥酸系分散劑的合成作用機制探討等方面尚未形成完善的理論
2目前研究的熱點是將聚羥酸高性能分散劑與其他高效分散劑配合使用但是多數減水劑與聚羥酸高性能分散劑不能相容表現為產品不能互溶或互溶后無加和效應有時會使聚羥酸高性能分散劑的流動性降低甚至產生泌水效應
原標題分散劑在耐火澆注料中的作用機理影響以及應用中存在的問題
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