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                耐火材料用結合劑–酚醛樹脂

                發布時間:2021/06/10 行業新聞 標簽:耐火磚瀏覽次數:142

                酚醛樹脂作為耐火材料的重要結合劑,與瀝青相比酚醛樹脂對耐火材料和石墨有良好的潤濕性能,殘碳率高,粘結性好,能在常溫下混合成型,成型的坯體強度高,有害物質含量少,可改善作業環境等優點,目前已被廣泛作為含碳耐火材料的結合劑。本文從酚醛樹脂入手,對酚醛樹脂在鎂碳磚、鋁碳磚等碳復合定形耐火材料以及在中間包干式料、高爐無水炮泥等不定形耐火材料中的應用進行了分析和探討。

                耐火材料用酚醛樹脂的研究主要集中在樹脂的改性方面。其中利用催化反應改善樹脂殘炭的結構與性能是今后研究的一大趨勢。結合劑是耐火材料中不可缺少的組分,它起到將耐火性物質顆粒料及粉料膠結在一起的作用。合成新型的網絡互穿的高性能酚醛樹脂是今后研究的另一趨勢,這種方法主要是著力于改變樹脂本身的結構,使其在固化后具有比普通酚醛樹脂更為復雜的網絡結構,以提高材料的低溫烘烤強度和中溫強度,同時可以減少苯酚的用量,降低酚醛樹脂的成本。

                1酚醛樹脂

                酚醛樹脂(Phenolicresins)是一種以酚類化合物與醛類化合物經縮聚而制得的一大類合成樹脂。所用的醛類化合物主要是甲醛,常用的還有其他的醛類如乙醛、甲醛、糠醛或幾種醛類的混合物。酚醛樹脂特有的化學結構和大分子交聯網狀結構賦予了它卓越的粘附性、優良的耐熱性、獨特的抗燒蝕性和良好的阻燃性等優異的性能。因此,酚醛樹脂廣泛用于玻璃鋼、模壓料、粘合劑、隔熱和電絕緣材料、涂料等。

                酚醛樹脂按照結構形態以及加熱形狀,能夠分為熱固性酚醛樹脂以及熱塑性酚醛樹脂兩種類型。熱固性酚醛樹脂是以堿,如氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋇或氫氧化鈣等為催化劑,摩爾比甲醛/苯酚>1,控制pH>7,在一定溫度下反應一段時間,生成的一種含有可進一步反應的羥甲基活性基團的樹脂。熱塑性酚醛樹脂通常被稱作酚醛清漆或線性酚醛樹脂,是甲醛(F)以及過量的苯酚(P),在酸性催化劑,如草酸、鹽酸、硫酸以及甲酸等作用下反應生成的酚醛樹脂,其中摩爾比(F/P)=0.6-0.9)。不管是熱固性樹脂,還是熱塑性樹脂,最后固化得到的結構都是一樣的,為立體網狀結構。高溫下樹脂碳化得到的殘碳是支撐耐火材料工作,保證其壽命的重要結構。

                2酚醛樹脂在碳復合定形耐火材料中的應用

                目前,由于金屬冶煉工業特別是鋼鐵工業的發展,耐火材料的需求大大增大,導致耐火材料行業對酚醛樹脂的應用量逐年增加。耐火材料廣泛用金屬冶煉工業,水泥工業、陶瓷工業,結合劑是生產耐火材料不可缺少的組分,起到將耐火性顆粒與粉料膠結到一起的作用。而且在耐火材料的生產實踐中,人們認識到酚醛樹脂的品質和穩定性是影響含碳耐火材料性能的主要因素之一,酚醛樹脂的重要性越來越突顯。

                2.1在鎂碳磚中的應用

                鎂碳磚是用電熔鎂砂、石墨與結合劑共同燒制的碳絡合物高溫復合材料,具有較高的使用壽命,爐齡可達1600爐以上,因而近年來得到長足的發展。鎂碳磚被廣泛應用于鋼鐵冶金行業,主要是因為它有良好的性能,但是結合劑酚醛樹脂的性能能夠對鎂碳磚的使用性能起到影響。鎂碳磚用酚醛樹脂應具有固含量高、相對分子質量小、殘碳率高以及含水量低等特點。

                通過研究樹脂各項性能與其原料配比及合成工藝之間的關系得出:合成鎂碳磚用酚醛樹脂的最佳原料配比m(F)/m(P)=1.0~1.3;催化劑為w(NaOH)=50%的NaOH溶液,其加入量為苯酚質量的1%~1.5%;最佳合成工藝是:首先在60~70℃下反應1h,然后升溫到80~90℃反應1~2h。在最佳原料配比及工藝條件下合成的酚醛樹脂,其相對分子量為300~400,黏度為15~20Pa·s,固含量為77.0%~82.0%(w),殘碳率為43.0%~49.0%(w),可滿足鎂碳磚用酚醛樹脂的性能要求。

                由于鎂碳磚的性能在很大程度上取決于結合系統所形成的炭結構,而酚醛樹脂熱解形成無序的脆性均質玻璃炭結構,該結構對氧化和應力非常敏感,因此鎂碳磚多采用樹脂與其他結合劑如瀝青復合結合,以提高抗氧化性與力學性能。

                2.2在鋁碳磚中的應用

                鋁碳磚是采用的原料是石墨以及剛玉,加入一定量的結合劑與添加物混合機壓而成的。由于Al2O3和C在制品的燒成溫度下不會發生固相反應,所以鋁碳磚的結合強度主要來源于添加物以及結合劑。酚醛樹脂由于其優異的性能而被廣泛用于鋁碳磚中。目前鋁碳耐火材料廣泛使用酚醛樹脂作結合劑,其結合原理主要是通過固化過程中酚醛樹脂分子鏈段發生交聯反應形成網絡結構來提高結合劑與材料之間的結合力。

                3酚醛樹脂在不定形耐火材料中的應用

                酚醛樹脂作為結合劑主要在含碳定形耐火制品中使用。近些年來其應用領域不斷擴大,已在不定形耐火材料中作為結合劑使用。

                3.1在高爐無水炮泥中的應用

                相對于其他不定形耐火材料,酚醛樹脂在炮泥中的應用最為廣泛。早期的炮泥作為結合劑,主要是采用的就是焦油以及瀝青,但在使用過程中,焦油瀝青會產生致癌物質和黑煙,對環境產生了很大的危害,而且還難于燒結以及硬化速度慢。作為無水炮泥的結合劑,酚醛樹脂不僅避免了焦油作結合劑產生的污染問題,同時對炮泥的耐蝕性、燒結性以及耐磨性起到了改善。

                3.2在中間包干式料中的應用

                中間包干式料的應用越來越多,國內外中間包干式工作中使用最為廣泛的結合劑就是酚醛樹脂,其有著良好的施工性能以及使用性能。但由于酚醛樹脂具有使鋼水增碳以及增氫,成本高與中高溫強度低,這些的缺點,這就使得在一定程度上酚醛樹脂在中間包干式料中的應用收到了很大的阻礙。

                總的來說,本文分析了酚醛樹脂在鎂碳磚、鋁碳磚、中間包干式料、高爐無水炮泥等不同類耐火材料中的應用。酚醛樹脂作為最早的一種合成樹脂,具有熱硬性、干燥強度大、高溫強度較高等優點而被廣泛應用,在耐火材料領域被作為較好的結合劑應用于碳復合耐火材料的制備。但酚醛樹脂存在成本高和其熱解炭為玻璃炭兩大缺點,在一定程度上影響了其在耐火材料中的應用。

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