氧化铝微粉悬浮液分散稳定性的表征

陆成龙，陈 跃，李 明，陈 凤

(1.湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003；2.广东金意陶陶瓷集团有限公司，广东 佛山 528031；3.华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510640)

氧化铝微粉是经一级工业氧化铝、氢氧化铝外加添加剂技术低温转相煅烧后，再采用先进的粉磨技术及工艺生产获得[1]，其主要晶相为α-Al2O3。α-Al2O3具有熔点高、热稳定性好、硬度大、耐磨性好、机械强度高、电绝缘性好、耐腐蚀等特点，广泛用于定形或不定形耐火材料、耐火浇注料结合剂、耐磨模具、高纯耐火纤维、特种陶瓷、电子陶瓷等[2-5]。

浇注料是由耐火骨料(<15 mm)、耐火粉料(<0.088 mm)和凝胶材料按一定比例配合后，经搅拌、成型、养护而得到的一种可承受高温作用的混凝土[6]。氧化铝微粉等超微粉技术的应用对浇注料的发展起到十分重要的作用[7]。氧化铝微粉能起到填充颗粒间隙、提高浇注料流动性的作用，有利于增强浇注料的施工性能[8]。但是，氧化铝微粉属于瘠性原料，分散稳定性差，施工过程中容易发生沉降，降低浇注料的流动性，因此提高氧化铝微粉的分散稳定性十分必要。

本文对氧化铝微粉分散体系进行振幅扫描实验，研究其分散稳定性。通过模量-应变曲线对Al2O3微粉分散体系的结构进行表征，获得振幅扫描曲线，探讨外加剂对分散稳定性的影响，为Al2O3微粉能在浇注料中得到更好的应用提供理论指导。

1 实验

实验用的α-Al2O3微粉为河南铝镁耐材股份有限公司生产，纯度为99.23%。取一定量干燥的α-Al2O3微粉，然后边搅拌边向α-Al2O3微粉中加入去离子水，制得悬浮液，再放入抽真空装置内，抽真空至其剩余压力小于2 500 Pa，并保持30 min，以去除其中的气泡。悬浮液的固相体积分数计算公式为：

(1)

式(1)中，m和ρth分别为氧化铝微粉的质量和真密度；VH2O为悬浮液中水的体积。

按照氧化铝的质量，分别取1%的水泥和1%的增稠剂加入悬浮液中，充分搅拌，使外加剂在悬浮液中混合均匀。

用奥地利Anton Paar GmbH生产的MCR301型流变仪测定悬浮液的流变性能，使用同轴圆筒式夹具，型号为CC17转子。用马尔文公司生产的MS2000粒度分析仪测样品的粒度。

2 结果与讨论

2.1 氧化铝微粉悬浮液分散稳定性分析

氧化铝微粉的粒度分布曲线如图1所示。从图1中可以看出，d50=4.059 μm，d90=10.955 μm。对悬浮液进行振幅振荡剪切实验，就能更加准确地表征悬浮液的结构特性，测定其储能模量(G′)和损失模量(G")。G′代表悬浮液弹性部分，反映其固体特性；G"代表悬浮液的粘性部分，反映其流变特性[9]。

图1 氧化铝微粉的粒度分布曲线

氧化铝微粉悬浮液的振幅扫描曲线如图2所示。该曲线表现出的是悬浮液的储能模量(G′)、损失模量(G")与应变的变化关系。由图2可知，G′和G"重合度较高，很接近，而且变化没有一定的规律。对氧化铝微粉悬浮液进行沉降实验分析，发现搅拌后的料浆在极短的时间内就发生较为明显的沉降，沉降时间为10 min。这说明在无任何外加剂的情况下，Al2O3粉末料浆极不稳定，极易沉降，也进一步说明，当氧化铝微粉悬浮液稳定性较差时，振幅扫描曲线表现为G′和G"重合度较高。

图2 氧化铝微粉悬浮液的振幅扫描曲线

2.2 外加剂对氧化铝微粉悬浮液分散稳定性的影响

实验通过添加胶凝剂和增稠剂来提高氧化铝微粉悬浮液的稳定性，在氧化铝微粉悬浮液中分别加入1%的CMC水泥和1%的增稠剂。不同外加剂下氧化铝微粉悬浮液的振幅扫描曲线如图3所示。

图3 不同外加剂下氧化铝微粉悬浮液的振幅扫描曲线

从图3中可以看出，加入不同外加剂后，悬浮液的模量值差距较大。外加水泥后，样品的模量值最大，而外加增稠剂后，悬浮液的模量值变化不大。这是因为加入水泥，发生了胶凝反应，提高了悬浮液的模量值。不同固相含量悬浮液的模量-应变曲线在初始阶段都有一个平台，所对应的区域为悬浮液的线性粘弹区(LVE Range)。添加外加剂后，悬浮液的线性粘弹区显著提高。线性粘弹区越大，悬浮液的稳定性越好[10]。但是，外加水泥和增稠剂的悬浮液，线性粘弹区大小几乎一致，无法进一步确定其稳定性的好坏。因此，需对悬浮液进行沉降实验分析。

外加水泥悬浮液沉降时间为120 min，外加增稠剂悬浮液沉降时间为45 min，说明外加水泥后，悬浮液的稳定性得到较大的提高。对比3组悬浮液的G′/G"比值，外加水泥悬浮液比值最大，增稠剂的次之，无外加剂的最小[11]。进一步实验验证氧化铝微粉悬浮液稳定性与G′/G"的比值之间的相关性，发现G′/G"的比值越大，悬浮液的稳定性越好。

2.3 氧化铝微粉悬浮液分散稳定性的表征方法及评价

分析图3可知，通过氧化铝微粉悬浮液的振幅扫描曲线可获得G′/G"比值，能够有效地判断氧化铝微粉悬浮液的分散稳定性。一般来说，对于理想的弹性系统，当在外力作用下发生变形时，能量会被完全储存起来，称为储能模量(G′)；当外力取消后，这些能量又可以被释放出来。在这种情况下，外力与变形(应变)成正比。当纯粘性流体在外力作用下产生变形时，能量完全损失于环境，这种模量称为损失模量(G")。粘弹性流体中复合模量是由储能模量和损失模量组成的，复合模量对应的符号为G*。储能模量和损失模量的关系如图4所示。从悬浮液结构的角度分析，颗粒在分散介质中“堆积”，形成三维网络结构，使悬浮液的结构处于稳定状态。外加剂(水泥、增稠剂)不仅能提高三维网络结构的强度，也能提高三维网络结构的稳定性。G′/G"比值越大，氧化铝微粉悬浮液中储能模量越大，悬浮液稳定性越好；而G′/G"比值越小，悬浮液中损失模量越大，这种不可逆的能量损失，使悬浮液的稳定性降低。

图4 储能模量和损失模量关系

3 结论

1)通过分析振幅扫描曲线的G′/G"比值变化，能够有效地分析悬浮液的分散稳定性，为氧化铝微粉悬浮液分散稳定性研究提供新的途径。

2)随氧化铝微粉悬浮液稳定性增加，振幅扫描曲线的G′/G"比值变大，原因是外加剂(水泥、增稠剂)不仅能提高三维网络结构的强度，也能提高三维网络结构的稳定性。G′/G"比值越大，氧化铝微粉悬浮液中储能模量越大，悬浮液稳定性越好。而G′/G"比值越小，悬浮液中损失模量越大，这种不可逆的能量损失，使悬浮液的稳定性降低。