环氧硅烷偶联剂改性硅溶胶-MgO自流分散体的开发

含MgO浇注料由于耐火度高且易于施工，被广泛用于炼钢行业。对于硅溶胶结合浇注料，硅溶胶纳米颗粒是由硅酸（H4SiO4）缩聚反应产生的互联SiO4四面体以及大量带负电荷的表面硅醇基团（Si-OH）构成。在硅溶胶结合浇注料中加入少量MgO后，MgO水化产生Mg2+，起到胶凝剂的作用，引起硅溶胶凝聚，影响施工性能，尤其是大尺寸和复杂几何形状试样的浇注不易进行。为了得到稳定的硅溶胶-MgO结合体系，巴西研究人员尝试用环氧硅烷偶联剂（γ-甘油氧基丙基三甲氧基硅烷）对硅溶胶进行表面改性，通过增加空间位阻来提高分散体系的稳定性。

试验所用原料有1000℃、5小时烧结镁砂（MS，w(MgO)=98.3%，d50=8μm）、未改性硅溶胶（UCS，固含量41.2%，d50=9nm，1000℃、5小时烧后的SiO2质量分数达99.9%）、环氧硅烷偶联剂改性硅溶胶（SCS，固含量39.8%，d50=11nm，1000℃、5小时烧后的SiO2质量分数达99.9%）。按照原料成分配比质量百分比不同，制作了三种试样：分别为MS+H2O，其中镁砂比重占88.09%、蒸馏水占11.91%；MS+UCS，其中镁砂比重占83%、二氧化硅占7%、蒸馏水占10%；MS+SCS，其中镁砂比重占83.33%、二氧化硅占6.63%、蒸馏水占10.03%。

将每种配料在搅拌机中以1000r/min的速度混合3分钟后分为三份。根据ASTM C 1437-20标准测量混料的初始流动值和硬化时间，混匀2小时后测量悬浮液的Zeta电位（表征胶体分散系稳定性的重要指标）和pH值，并将混匀料分别浇注成ф40mm×40mm、ф16mm×60mm、ф6mm×8mm的试样。将ф40mm×40mm试样密封在温度为60℃、相对湿度为100%的烧杯中保持7天进行水化，水化期间每隔24小时测量试样的外部尺寸，计算试样体积和表观膨胀量；再取定期水化后试样压碎、筛分（＜100μm）并经120℃烘干后测量质量，再经1000℃、5小时热处理后测量，计算水化反应率；最后测量相同条件处理后试样的体积密度、物相组成，并进行显微结构分析。

对生坯试样进行热重分析，最高温度800℃、升温速率2℃/min。选取水化24小时后的试样，脱模后置于60℃通风条件下保持24小时，并在120℃真空条件下保持24小时，经300℃～1600℃热处理3小时（以1℃/min升温到400℃并保温1小时，再以2℃/min升温到最高温度，保温3小时；以5℃/min降到800℃，再以10℃/min降到室温）后测量物理性能。采用干燥后的ф6mm×8mm试样进行热膨胀分析，最高温度1600℃，升温速率5℃/min，采用脉冲激振法测量试样的弹性模量。

研究结果表明：一是MS+SCS试样的自流值最高，即使在30分钟后也具有合适的浇注施工性能；MS+H2O的次之，MS+UCS的自流值几乎为0。二是在养护期间，MS+H2O试样中MgO水化生成Mg(OH)2引起体积膨胀，并且随着养护时间的延长，体积膨胀率增大；MS+SCS试样的水化率较低且没有明显的体积膨胀产生，在镁砂颗粒表面形成5μm～10μm的凹凸棒石Mg5Si8O20(OH)2·8H2O致密层，阻碍MgO的进一步水化，防止发生破坏性膨胀，提高了透气度并增强结合。因此，MS+SCS试样显示出高的生坯抗折强度和弹性模量，并且在干燥过程中没有裂纹形成或爆裂问题发生。三是热处理温度从300℃升高到600℃时，MS+H2O试样中结合相脱水，强度和弹性模量显著下降，有明显的体积收缩和微裂纹产生，体积密度略有增大，显气孔率明显升高；而MS+SCS试样在该温度范围的体积密度、显气孔率、弹性模量和常温抗折强度均变化不大。MS+SCS试样在780℃附近有明显收缩；1600℃热处理后，MS+SCS试样保持了较低的显气孔率和较高的强度。四是1600℃烧结后，MS+SCS试样显微结构更致密，其物相组成为烧结良好的方镁石颗粒，以及少量的镁橄榄石（Mg2SiO4）和非晶态的高黏性SiO2残留物。

综上可知，环氧硅烷偶联剂改性硅溶胶可以有效抑制MgO的水化，提高硅溶胶-MgO结合体系的稳定性，为开发含MgO的硅溶胶结合浇注料提供技术支撑。（中国冶金报）