含碳耐火材料用酚醛树脂结合剂与糖类结合剂
发布日期： 2020-04-08 08:55:08 阅读量（1077） 作者：张红通过使用结合剂可以使耐火材料获得强度，根据化学成分可分为无机结合剂和有机结合剂两大类，在有机结合剂中常用的就是沥青、焦油和酚醛树脂。酚醛树脂作为结合剂具有原料来源广、结合强度高等特点，其较强的粘结力是制品强度的保证，而且酚醛树脂的残碳率较高，与石墨等无机材料结合性好，被广泛应用于含碳耐火材料制品。但是酚醛树脂在热处理过程中都会放出甲醛和酚类化合物等有害气体，这些气体不仅污染环境，也对生产工作人员的身体健康具有极大危害，容易诱发癌症。开发新型结合剂，对保护环境和生产、研究人员都十分重要。高性能含碳耐火材料的结合剂必须具备以下特点：合适的粘度和润湿性，能均匀分布在颗粒和粉体表面形成连续网络，对提高制品的强度和抗侵蚀性有利;在热处理过程中能进一步缩合且不产生过大的体积膨胀和收缩;制成品在升温焦化过程中残碳量较高，并且具有高温强度;原料来源广泛、容易获取，价格适宜。
葡萄糖、蔗糖和淀粉这三种糖类来源广泛，理论残碳率在40%以上，通过前期研究发现葡萄糖、蔗糖和淀粉碳化后能够形成稳定的碳结构，在理论上以葡萄糖、蔗糖和淀粉作为结合剂可行，下面分别介绍四种结合剂的具体研究进展。
1、酚醛树脂
酚醛树脂经过近100年的发展时间，到目前为止仍然是一种在世界范围内占有重要地位的工业原料，其年产量近600万吨。酚醛树脂主要分为热固型树脂和热塑性树脂两大类，如图1所示为热固型树脂和热塑性树脂的制备及相应分子式。热固性酚醛树脂在室温下大多数为液态，其在加热过程中发生脱氢缩合放出水，作为耐火材料结合剂时不需要添加溶剂，保质期相对较短;热塑性酚醛树脂在室温下大多数为固体，保质期较长，作为耐火材料结合剂时必须溶于乙醇或相似溶剂中，加热能够固化需要添加的六亚甲基四胺。
图1 热固型树脂和热塑性树脂的制备及相应分子式
酚醛树脂在应用过程中存在中温强度降低等问题，在300℃至900℃之间容易发生氧化反应，因而许多研究者通过引入纳米级物质对酚醛树脂改性，开发表面浸渍法和表面涂层法来改善酚醛树脂结合耐火材料的性能。Bitencourt等研究评估了不同催化剂(二茂铁、赤铁矿、纳米Fe2O3粉体)对酚醛树脂石墨化过程的影响，结果表明：还原性气氛下，试样在1000℃和1400℃下焙烧5h后发生碳石墨化;二茂铁的加入(>2wt%)有利于在1400℃时微观组织中生成更多的氧化铁颗粒，使石墨化更加有效。B.Q.Zhu等以硝酸镍为催化剂前驱体、酚醛树脂为碳源在氩气气氛、600~1200℃的温度范围内催化裂解制备碳纳米管，结果表明：碳纳米管的形貌和结构依赖于热解温度，碳纳米管的起始生长温度为600℃;随着热解温度的升高，碳纳米管的长度和结晶度明显增加。FengLiang等采用炭黑和碳纳米管作为酚醛树脂的添加剂，研究了添加剂和热处理温度对热解酚醛树脂碳的抗氧化性能和结构的影响，研究发现炭黑和碳纳米管均能提高热解碳的石墨化程度和抗氧化性能，但由于碳纳米管较高的孔隙率，其抗氧化能力要低于炭黑。C.G.Aneziris等研究了二氧化钛和铝的加入对MgO-C耐火材料抗氧化性能和力学性能的影响：酚醛树脂在粘结基体中形成TiCN和TiC晶相，有助于提高碳结合耐火材料的力学性能、热学性能和化学性能。
2、葡萄糖
葡萄糖，分子式为C6H12O6，是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，是人和动物重要能源物质之一，其结构式如图2所示。其应用范围广泛，在食品、发酵、化学工业、合成和转化等诸多领域得到应用。
图2 葡萄糖结构式
例如在发酵工业中，葡萄糖可作为微生物的碳源;在化学镀银过程中被用于还原剂使用;在制造工业铬鞣剂制造中也是用葡萄糖作为还原剂。目前，葡萄糖在生物、制药及电子器件制造领域也有着应用。阎宁等分别利用甲醇和葡萄糖为碳源进行反硝化实验，研究结果表明以葡萄糖为碳源优于甲醇，研究结果对利用葡萄糖参加反硝化反应具有重要意义。张健等以葡萄糖为辅助底物可明显提高生产效率，缩短发酵时间。
3、蔗糖
蔗糖，分子式为C12H22O11，双糖的一种，存在于植物的叶、果实等当中，是重要的食品和调味品，其结构式如图9所示，工业上主要以甘蔗和甜菜为原料来生产制备。蔗糖是应用最广泛的一种甜味剂，人食用后分解的最终产物是二氧化碳和水，适量食用对身体有益;在食品行业，蔗糖可用于着色剂，还可以作为食品的防腐剂;蔗糖可以作为酵母的营养剂，为发酵过程提供能源;蔗糖经脱水缩合后可生产酱油用焦糖色素，氢化后可生产甘露醇和山梨醇等，水解后可生产葡萄糖和果糖等，氯化后可生产高倍甜味剂三氯蔗糖，经缩聚后生产各种高分子聚合物。
图3 蔗糖结构式
目前在一些器件和材料的制备过程中，蔗糖可作为一种优质碳源，为体系提供碳。P.Jana等以蔗糖为碳源、石墨粉为添加剂制备复合泡沫碳材料，用以提高泡沫碳导热能力，石墨粉对泡沫碳的孔结构有影响，可以提高泡沫碳的导热率。HeitorBSBento等以蔗糖为碳源经酶转酯化制备了烷基酯，研究结果表明，利用绿色化学方法将蔗糖及其衍生物转化为微生物生物柴油的过程简单、高效，在乙醇提取脂质过程中可以避免使用有毒化学品。JiangqiZhou等等利用蔗糖制备氮掺杂高比表面积多孔碳用于组装高性能超级电容器，实验以蔗糖为碳前驱体、尿素为氮前驱体、氢氧化钾为活化剂，制备了一种新的高比表面积氮掺杂多孔碳，所组装的超级电容器在10000次循环中的电容保持率约为95.5%，具有出色的循环稳定性。
4、淀粉
淀粉(Starch)，分子式为(C6H10O5)n，是细胞中碳水化合物最普遍的储藏形式，其结构式如图4所示，可分为直链淀粉和支链淀粉。淀粉来源广泛，如玉米淀粉、红薯淀粉、土豆淀粉等，除用作日常主食外，广泛的应用于食品、医疗、制造等行业。在食品行业中，淀粉用于提高食物的均匀性和稳定性;油炸食品食用淀粉可以增加口感，降低食物中的脂肪;做食品胶凝集生产果冻、口香糖等。造纸业利用其凝固和键合性来增加纸的强度和印刷性能，提高纸的灰分、白度和不透明度，变性淀粉几乎用于造纸的全过程;淀粉还可以用于胶黏剂的生产等领域。
图4 淀粉结构式：直链淀粉和支链淀粉
淀粉也可以作为碳源，用于材料的制备和器件的生产。SuoF等利用淀粉制备了介孔碳用于吸附农药，研究结果表明所制备的介孔碳经过5次循环对11种农药的吸附效率仍在80%以上。YongilKim等利用淀粉制备的优化硬碳用于可再充电海水电池中，与传统锂离子电池相比，海水电池将海水用作几乎无限大的正极钠储槽，从而避免使用昂贵、稀缺和有毒的镍和钴金属。XinghuaLiu等等以淀粉为碳源，乙二胺(EDA)为氮掺杂剂，采用一步水热法简单、经济地合成了N掺杂碳点(CDS);制备了具有激发波长依赖性的硫化镉，在365nm的激发波长下发出蓝色荧光;制备了硫化镉/淀粉复合材料，以实现硫化镉的固态发射，并将其作为荧光材料应用于发光二极管。
相关阅读
免责声明：
本站部分文章来源于互联网，编辑转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点核对其真实性负责。
如涉及作品内容、版权和其他问题请书面发函至本公司，我们将在第一时间处理。
