氧化鋁微粉懸浮液分散穩(wěn)定性的表征

陸成龍，陳 躍，李 明，陳 鳳

(1.湖北理工學(xué)院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435003；2.廣東金意陶陶瓷集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528031；3.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

氧化鋁微粉是經(jīng)一級工業(yè)氧化鋁、氫氧化鋁外加添加劑技術(shù)低溫轉(zhuǎn)相煅燒后，再采用先進(jìn)的粉磨技術(shù)及工藝生產(chǎn)獲得[1]，其主要晶相為α-Al2O3。α-Al2O3具有熔點高、熱穩(wěn)定性好、硬度大、耐磨性好、機械強度高、電絕緣性好、耐腐蝕等特點，廣泛用于定形或不定形耐火材料、耐火澆注料結(jié)合劑、耐磨模具、高純耐火纖維、特種陶瓷、電子陶瓷等[2-5]。

澆注料是由耐火骨料(<15 mm)、耐火粉料(<0.088 mm)和凝膠材料按一定比例配合后，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而得到的一種可承受高溫作用的混凝土[6]。氧化鋁微粉等超微粉技術(shù)的應(yīng)用對澆注料的發(fā)展起到十分重要的作用[7]。氧化鋁微粉能起到填充顆粒間隙、提高澆注料流動性的作用，有利于增強澆注料的施工性能[8]。但是，氧化鋁微粉屬于瘠性原料，分散穩(wěn)定性差，施工過程中容易發(fā)生沉降，降低澆注料的流動性，因此提高氧化鋁微粉的分散穩(wěn)定性十分必要。

本文對氧化鋁微粉分散體系進(jìn)行振幅掃描實驗，研究其分散穩(wěn)定性。通過模量-應(yīng)變曲線對Al2O3微粉分散體系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，獲得振幅掃描曲線，探討外加劑對分散穩(wěn)定性的影響，為Al2O3微粉能在澆注料中得到更好的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實驗

實驗用的α-Al2O3微粉為河南鋁鎂耐材股份有限公司生產(chǎn)，純度為99.23%。取一定量干燥的α-Al2O3微粉，然后邊攪拌邊向α-Al2O3微粉中加入去離子水，制得懸浮液，再放入抽真空裝置內(nèi)，抽真空至其剩余壓力小于2 500 Pa，并保持30 min，以去除其中的氣泡。懸浮液的固相體積分?jǐn)?shù)計算公式為：

(1)

式(1)中，m和ρth分別為氧化鋁微粉的質(zhì)量和真密度；VH2O為懸浮液中水的體積。

按照氧化鋁的質(zhì)量，分別取1%的水泥和1%的增稠劑加入懸浮液中，充分?jǐn)嚢?，使外加劑在懸浮液中混合均勻?/p>

用奧地利Anton Paar GmbH生產(chǎn)的MCR301型流變儀測定懸浮液的流變性能，使用同軸圓筒式夾具，型號為CC17轉(zhuǎn)子。用馬爾文公司生產(chǎn)的MS2000粒度分析儀測樣品的粒度。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁微粉懸浮液分散穩(wěn)定性分析

氧化鋁微粉的粒度分布曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，d50=4.059 μm，d90=10.955 μm。對懸浮液進(jìn)行振幅振蕩剪切實驗，就能更加準(zhǔn)確地表征懸浮液的結(jié)構(gòu)特性，測定其儲能模量(G′)和損失模量(G")。G′代表懸浮液彈性部分，反映其固體特性；G"代表懸浮液的粘性部分，反映其流變特性[9]。

圖1 氧化鋁微粉的粒度分布曲線

氧化鋁微粉懸浮液的振幅掃描曲線如圖2所示。該曲線表現(xiàn)出的是懸浮液的儲能模量(G′)、損失模量(G")與應(yīng)變的變化關(guān)系。由圖2可知，G′和G"重合度較高，很接近，而且變化沒有一定的規(guī)律。對氧化鋁微粉懸浮液進(jìn)行沉降實驗分析，發(fā)現(xiàn)攪拌后的料漿在極短的時間內(nèi)就發(fā)生較為明顯的沉降，沉降時間為10 min。這說明在無任何外加劑的情況下，Al2O3粉末料漿極不穩(wěn)定，極易沉降，也進(jìn)一步說明，當(dāng)氧化鋁微粉懸浮液穩(wěn)定性較差時，振幅掃描曲線表現(xiàn)為G′和G"重合度較高。

圖2 氧化鋁微粉懸浮液的振幅掃描曲線

2.2 外加劑對氧化鋁微粉懸浮液分散穩(wěn)定性的影響

實驗通過添加膠凝劑和增稠劑來提高氧化鋁微粉懸浮液的穩(wěn)定性，在氧化鋁微粉懸浮液中分別加入1%的CMC水泥和1%的增稠劑。不同外加劑下氧化鋁微粉懸浮液的振幅掃描曲線如圖3所示。

圖3 不同外加劑下氧化鋁微粉懸浮液的振幅掃描曲線

從圖3中可以看出，加入不同外加劑后，懸浮液的模量值差距較大。外加水泥后，樣品的模量值最大，而外加增稠劑后，懸浮液的模量值變化不大。這是因為加入水泥，發(fā)生了膠凝反應(yīng)，提高了懸浮液的模量值。不同固相含量懸浮液的模量-應(yīng)變曲線在初始階段都有一個平臺，所對應(yīng)的區(qū)域為懸浮液的線性粘彈區(qū)(LVE Range)。添加外加劑后，懸浮液的線性粘彈區(qū)顯著提高。線性粘彈區(qū)越大，懸浮液的穩(wěn)定性越好[10]。但是，外加水泥和增稠劑的懸浮液，線性粘彈區(qū)大小幾乎一致，無法進(jìn)一步確定其穩(wěn)定性的好壞。因此，需對懸浮液進(jìn)行沉降實驗分析。

外加水泥懸浮液沉降時間為120 min，外加增稠劑懸浮液沉降時間為45 min，說明外加水泥后，懸浮液的穩(wěn)定性得到較大的提高。對比3組懸浮液的G′/G"比值，外加水泥懸浮液比值最大，增稠劑的次之，無外加劑的最小[11]。進(jìn)一步實驗驗證氧化鋁微粉懸浮液穩(wěn)定性與G′/G"的比值之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)G′/G"的比值越大，懸浮液的穩(wěn)定性越好。

2.3 氧化鋁微粉懸浮液分散穩(wěn)定性的表征方法及評價

分析圖3可知，通過氧化鋁微粉懸浮液的振幅掃描曲線可獲得G′/G"比值，能夠有效地判斷氧化鋁微粉懸浮液的分散穩(wěn)定性。一般來說，對于理想的彈性系統(tǒng)，當(dāng)在外力作用下發(fā)生變形時，能量會被完全儲存起來，稱為儲能模量(G′)；當(dāng)外力取消后，這些能量又可以被釋放出來。在這種情況下，外力與變形(應(yīng)變)成正比。當(dāng)純粘性流體在外力作用下產(chǎn)生變形時，能量完全損失于環(huán)境，這種模量稱為損失模量(G")。粘彈性流體中復(fù)合模量是由儲能模量和損失模量組成的，復(fù)合模量對應(yīng)的符號為G*。儲能模量和損失模量的關(guān)系如圖4所示。從懸浮液結(jié)構(gòu)的角度分析，顆粒在分散介質(zhì)中“堆積”，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使懸浮液的結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。外加劑(水泥、增稠劑)不僅能提高三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強度，也能提高三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。G′/G"比值越大，氧化鋁微粉懸浮液中儲能模量越大，懸浮液穩(wěn)定性越好；而G′/G"比值越小，懸浮液中損失模量越大，這種不可逆的能量損失，使懸浮液的穩(wěn)定性降低。

圖4 儲能模量和損失模量關(guān)系

3 結(jié)論

1)通過分析振幅掃描曲線的G′/G"比值變化，能夠有效地分析懸浮液的分散穩(wěn)定性，為氧化鋁微粉懸浮液分散穩(wěn)定性研究提供新的途徑。

2)隨氧化鋁微粉懸浮液穩(wěn)定性增加，振幅掃描曲線的G′/G"比值變大，原因是外加劑(水泥、增稠劑)不僅能提高三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強度，也能提高三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。G′/G"比值越大，氧化鋁微粉懸浮液中儲能模量越大，懸浮液穩(wěn)定性越好。而G′/G"比值越小，懸浮液中損失模量越大，這種不可逆的能量損失，使懸浮液的穩(wěn)定性降低。