莫來石剛玉材料強度高,、抗熱震性好、抗侵蝕能力強,、高溫體積穩(wěn)定性好，是理想的中高級耐火材料,。而輕質(zhì)莫來石剛玉材料具有多孔或纖維狀結(jié)構(gòu),，通常導熱系數(shù)小、保溫和吸聲效果好,，被廣泛用作鋼鐵,、化工等行業(yè)窯爐的保溫層和建筑行業(yè)耐火保溫層及隔音層。
采用高鋁礬土和冶金硅灰作原料,，聚苯乙烯球作造孔劑,，利用凝膠注模工藝制備出高強輕質(zhì)莫來石-剛玉制品，主要研究料漿的最佳 pH 值和分散劑用量,，測定了 1550 ℃燒結(jié)樣品的強度,、氣孔率、熱導率,、物相組成和微觀結(jié)構(gòu),，制備出的莫來石-剛玉材料體密0.37 g/cm3,氣孔率 87.37%，強度高達 2.17 MPa,，熱導率僅為 0.22 W/(m·K),。
1. 本 實 驗 采 用 的 主 要 原 料 為 高 鋁 礬 土 (Al2O394.55%，D50=44 µm),、硅灰(SiO292.32%)和聚苯乙烯球(粒度<3 mm),。結(jié)合劑采用聚丙烯酰胺凝膠體系溶液（實驗室自制），分散劑選用檸檬酸三銨（分析純），采用鹽酸和氨水調(diào)節(jié)漿料 pH 值,。
將 75%高鋁礬土和 25%硅灰（質(zhì)量分數(shù), 下同）混合均勻,，加入分散劑及部分結(jié)合劑制成的預混液，攪拌 1 h 制成料漿,，再用鹽酸和氨水調(diào)節(jié)料漿的 pH 值,。加入造孔劑及剩余結(jié)合劑，攪拌 0.5 h,，制成注模用懸浮體,。注入模具，自然凝固 12 h,，脫模后在 80 ℃下干燥 12 h,，于 1550 ℃保溫 5 h 燒結(jié)，即得到制品,。
實驗中粘度用 NDJ-8s 數(shù)字粘度儀測量,，pH 值用 pHs-25 數(shù)顯式酸度計測量。
2 結(jié)果與討論
2.1料漿的性能測定
2.1.1 料漿 pH 值的確定
不同溫度下 pH 值對粘度的影響如圖 1 所示,。在30,、40、50,、60 ℃ 4 個溫度下,，粘度均隨 pH 值增大而減小。并隨著 pH 值的增大,，粘度減小幅度有減緩的趨勢,。當 pH 值為 9 左右時，粘度趨于穩(wěn)定,，變化不大,。根據(jù)膠體化學，調(diào)節(jié) pH 值遠離等電位點,，Zeta電位絕對值大,，排斥能增大，有利于顆粒在液相中分
散,，因而粘度小,。但隨著 pH 值進一步增大，由于懸浮體中引入了較多的 OH-,，增加了懸浮體中電解質(zhì)的濃度,，壓縮了雙電層，導致 ξ 電位降低,，易引起顆粒團聚而沉降,。為了有效控制制備工藝,，本實驗選定最佳 pH=9,。
由圖 1 還可以看出,，在 pH 值相同的條件下，溫度越高,，料漿的粘度越大,。盡管具體原因有待進一步深入探討，但主要的影響因素可能有：
(1) 溫度對料漿中雙電層排斥力和范德華力有一定影響,。液相中顆粒之間相互作用力是范德華力和雙電層排斥力,，范德華力使顆粒相互吸引而團聚，雙電層排斥力則阻礙其團聚,。顆粒在液相中的穩(wěn)定性取決于兩者的總位能 U：
式中,，A 為 Hamarker 常數(shù)；a 為顆粒的半徑,；H 為顆粒間的最短距離,；ε 為溶液的介電常數(shù)；Ψ0 為顆粒的表面電位,；K 為 Debye-Huchkel 參數(shù),，K-1 具有長度的因次，通常稱 K-1 為雙電層厚度,。
式中右邊第 1 項表示顆粒間的范德華吸引勢能,，在所選的實驗條件范圍內(nèi)變化很小,；第 2 項代表顆粒間的靜電排斥能,，它的大小與顆粒的表面電勢 Ψ0 有關(guān)。當顆粒的表面電勢很低時,，顆粒之間的相互排斥能很小,，顆粒便容易因相互吸引而產(chǎn)生團聚，料漿粘度增大,；隨顆粒表面電勢的升高,，顆粒之間的靜電排斥能增大，形成排斥能勢壘,，顆粒無法越過勢壘而相互靠近,，這時顆粒呈分散狀態(tài)，不容易因相互吸引而產(chǎn)生團聚,，也就是說漿料能夠穩(wěn)定存在,，粘度減小。當溫度升高時,，顆粒熱運動加速,，能量增加，顆粒間范德華力增大，雙電層排斥能減小,，因而料漿粘度增大,。
(2) 凝膠注模工藝過程中有機單體聚合交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時，料漿粘度增大并逐漸硬化,，坯體獲得強度,，當溫度升高時，聚合作用加劇,，但在實驗溫度范圍內(nèi),，尚未形成完全的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而使料漿的粘度逐漸增大,，但并未完全固化,。
(3) 分散劑影響顆粒膠團的電荷狀態(tài)，從而影響懸浮體的流變性,。不同溫度下凝膠機制和分散機制相互影響程度也不同, 因而料漿的粘度也不同,。
(4) 反應時間持續(xù)將近 1 h，盡管采取封閉措施,，但實驗過程中溫度越高水分的揮發(fā)量也越大,，將導致料漿粘度值相對較大。
2.1.2 分散劑含量對料漿粘度的影響
分散劑用量對料漿粘度的影響如圖 2 所示,。分散劑加入量較少時,，顆粒表面吸附的陰離子團較少，表面電荷密度較低,，粒子間排斥力較小,，因而料漿流動性變差。粘度較大,；隨著分散劑用量的增加,，顆粒表面吸附的陰離子團增多，表面電荷密度升高,，顆粒間靜電排斥力也相應增加,；同時，加入的分散劑增多,，使空間位阻作用增大,，料漿的流動性明顯改善，粘度顯著降低,。由圖 2 可以看出,，當分散劑加入量達到0.33%時，料漿的粘度最低,，此時的流動性最佳,。
當分散劑用量進一步增加,，粘度反而增加，料漿的流動性變差,。這是由于分散劑過量時,，過剩的分散劑分子填充于顆粒間，空間位阻增大使料漿粘度反而增大,；而且分散劑的過量加入,，會使料漿中的離子強度升高，壓迫雙電層使之厚度減小,，ξ 電位也隨著降低，膠體間靜電斥力減小,，導致料漿粘度增加,。因此，加入 0.33%的分散劑,，料漿粘度最小,，易于注模。
同時可以看出,，在堿性條件下(料漿 pH=9),，30, 40 ℃時分散劑對料漿粘度的影響較大，而 50, 60 ℃時分散劑對料漿粘度的影響較小,，曲線較為平緩,，表明高溫下由于聚合作用的發(fā)生，分散劑的作用明顯減小,。
2.2 球料比對制品性能的影響
表1 是不同球料比(聚苯乙烯球的體積與粉料質(zhì)量之比,，mL·g-1)下所得到的制品的性能。
2.2.1 球料比對制品體積密度的影響
從表 1 可以看出,，造孔劑聚苯乙烯球加入量對燒結(jié)后制品密度有顯著的影響,。隨造孔劑加入量增加，材料的體積密度減小,，氣孔率增大,。當球料比為 1:1 時，體密為 0.885 g/cm3,，氣孔率為 69.5%,；當球料比為 4:1 時，體密為 0.367 g/cm3,，氣孔率為 87.37%,。
2.2.2 球料比對制品熱導率的影響
由表 1 可以看出，制備出的輕質(zhì)莫來石-剛玉制品在 1000 ℃下的熱導率均較小,，且球料比越大,，熱導率越小,。當球料比為 1:1 時，熱導率為 0.461 W/(m·K),，球料比為 4:1 時,，僅為 0.225 W/(m·K)。
也就是說,，本實驗制備出體積密度為 0.37 g/cm3 的莫來石剛玉材料, 熱導率低至 0.22 W/(m·K),，這在目前保溫材料的文獻報道中還不多見。
材料熱導率隨體積密度降低,、顯氣孔率增加而降低,，表明材料內(nèi)部的傳熱方式是以固相傳熱為主（固體的熱導率>液體的熱導率>氣體的熱導率），基體內(nèi)氣孔增加時,，孔內(nèi)氣體減小了材料的熱導率,，同時孔壁散射熱能作用增強，提高了材料的保溫效果,。
2.2.3 球料比對制品強度的影響
由表 1 可以看出,，隨著材料體積密度的減小，試樣的抗壓強度都呈減小趨勢,。在球料比為 1:1 時,，制品的抗壓強度為 8.52 MPa；而在球料比為 4:1 時,，抗壓強度降低為 2.17 MPa,，表明氣孔的存在，減小了負載面積,，容易在氣孔附近造成應力集中,，材料的強度會隨著氣孔率的增大顯著降低。
2.2.4 制品的微觀結(jié)構(gòu)分析
取球料比為 4:1 的樣品進行結(jié)構(gòu)分析,。燒成后材料呈淺黃色,，沒有明顯缺陷和大的氣孔�,？妆诒∪缦s翼,，肉眼已無法判斷其厚度（圖 3a）�,？锥磁c孔洞之間絕大多數(shù)互不連通,，只有少數(shù)孔壁有孔，使相鄰孔洞連通（圖 3b）,，這表明盡管孔壁很薄,，但孔壁的分布十分均勻，材料組織結(jié)構(gòu)比較均勻,。在光學顯微鏡下（圖 3c）,，制品的孔壁最薄處 200~300 µm,，三孔交界處 300~400 µm。在電子顯微鏡下觀察（圖 3d）,，孔壁上晶粒細小,，直徑在 2~4 µm，結(jié)合緊密,，孔壁上還有一些封閉氣孔,。可以認為這些氣孔應該是基質(zhì)中的結(jié)合劑燒失后留下的氣孔,，在高溫下強化燒結(jié)并進一步封閉形成的,。
材料的薄壁結(jié)構(gòu)使材料獲得較小的體積密度和較大的氣孔率，也是材料獲得較小熱導率的前提條件,；材料內(nèi)晶粒細小,，結(jié)合緊密，使材料在獲得較大氣孔率的同時獲得盡可能高的強度,，對提高材料使用性能和壽命十分有益；孔壁中的封閉氣孔,，有利于進一步降低材料的熱導率,；因此，材料的這種顯微結(jié)構(gòu),，使材料具有低密度,、高強度、低導熱的優(yōu)異性能,。
2.2.5 制品的物相分析
X 射線衍射儀分析材料的物相組成結(jié)果表明：樣品中含有莫來石相 60%,、剛玉 20%~30%、金紅石 3%,、玻璃相 5%~10%,。
樣品主晶相為莫來石(80%)，還含有少量的剛玉相(15%),，玻璃相很少（5%左右）,。大量莫來石相存在，使材料均有良好的耐高溫性能和抗熱震性能,。剛玉相增強了材料的高溫耐火性能,，提高材料的適用溫度范圍。少量玻璃相的存在,，既有利于提高燒結(jié)驅(qū)動力,，獲得致密的、室溫強度較高的材料,，又有利于使燒結(jié)后材料內(nèi)莫來石相和剛玉相形成高溫固相直接結(jié)合結(jié)構(gòu),，對提高材料的高溫強度非常有利,。
3 結(jié) 論
（1）高鋁礬土和硅灰的聚丙烯酰胺凝膠體系料漿最佳 pH 值為 9，最佳分散劑用量為 0.33%,，這時料漿具有良好的流動性,。
(2)制備出最小體積密度僅為 0.37 g/cm3 的保溫材料，氣孔率高達 87.37%,，熱導率僅為 0.22 W/(m·K),，強度高達 2.17 MPa。
(3)制備出的輕質(zhì)莫來石-剛玉制品材料主晶相為莫來石,，并含有少量剛玉相,，氣孔分布均勻，孔壁薄而完整并分布有封閉小氣孔,，保障材料具有低密度,、高強度、低熱導率等特點,，綜合性能優(yōu)良,。