(上图)来源:亚辛嗯, Unsplash
在COVID-19揭示了我们社会如何运行的许多事情中，耐火材料作为一个基本工业的作用在大流行之初让一些国家政府猝不及防。
耐火材料是陶瓷材料，是所有高温工业过程中必不可少的，因为它们提供机械强度，防止腐蚀和隔热。然而，一些政府最初并没有指定耐火材料公司为必要的企业，因此耐火材料行业迅速着手通知政策制定者他们的重要性。
研究人员一直在研究开发耐久性更长的耐火材料的方法，以提高行业的可持续性和成本效益。制造过程中经常受到关注的一个部分是粘结剂．
许多单片耐火材料是由陶瓷颗粒和粘合剂混合而成的，或者是一种将其他材料结合在一起形成粘合整体的材料。研究人员在最近的一份报告中解释说，选择粘结剂需要仔细考虑，因为它可以“决定性地影响陶瓷体成分中的化学成分，在固化、陈化和烧制过程中”开放获取的纸．
研究人员来自德国科布伦茨-兰道大学。在他们的论文中，他们评估了几种类型的粘结剂对整体耐火材料的机械、化学和热性能的影响，以发展“对粘结机制的基本理解和粘结剂的有针对性的使用”。
粘结系统和粘结剂类型
他们首先解释了耐火材料应用的粘结系统可以分为冷粘结和热粘结。在热粘接中，在高温下陶瓷颗粒的烧结过程中形成了一个粘结相——换句话说，你不需要在热粘接系统中添加粘合剂。相比之下，冷粘接系统总是需要添加粘合剂。
冷粘结系统中的粘结剂分为有机粘结剂、液压粘结剂和化学粘结剂。有机粘结剂主要作为临时粘结剂在烧成过程中分解，而水力粘结剂的粘结作用是建立在形成互锁水合物相的基础上的。
无机粘结剂是最可能影响陶瓷体内部化学成分的粘结剂。它们的结合效果是基于与陶瓷颗粒或粘结剂本身的化学反应。因此，研究人员在论文的其余部分集中研究无机粘合剂。
无机粘结剂:磷酸盐和硅酸盐
磷酸盐和硅酸盐通常用作无机粘合剂，因为这些材料是网络框架例如，它们在促进材料结构的形成方面是必不可少的。
磷酸成键机理一般由三个反应步骤组成:
- 结合是由磷酸盐和陶瓷氧化物之间的酸碱反应引发的，这导致形成网络的磷酸盐。
- 在800℃以下的温度处理，由于磷酸盐的缩合和聚合反应，结合效果提高。
- 800℃以上的高温反应可形成结晶度较高的烧结磷酸盐。同时，陶瓷氧化物发生烧结，使磷酸盐结合到陶瓷结合中，从而实现永久结合。
只有某些磷酸盐，如磷酸铝，才能产生键合效果。惰性磷酸盐，如钙或镁磷酸盐，不会与陶瓷氧化物发生反应，因此不能形成键合网络。
用于耐火材料应用的主要硅酸盐无机粘合剂是水玻璃，即水溶性的硅酸盐钠或硅酸盐钾。这些水杯要么作为胶体溶液，要么作为干粉。
水玻璃粘结剂的固化可以由不同的反应途径启动，但最简单的固化是由热激活的。在这种情况下，水玻璃系统的热脱水导致缩聚，形成非晶态3D粘结剂框架。
研究人员在论文中花了相当大的篇幅来深入研究这些结合过程中化学设置和强度发展的过程。他们结合了互补的x射线粉末衍射和核磁共振波谱分析，以及宏观性能调查(例如，冷弯曲强度测量和耐酸性)。
他们得出的结论是，与通常的试错方法不同，他们观察到的相关性“允许提取原料-粘合剂组合的选择性和系统范围的关键步骤，以调整材料的定制性能”。因此，这项研究“导致了一种更有效的材料设计方法，”他们写道。
这篇开放获取的论文，发表于材料,是“耐火材料无机化学粘合剂的构性功能”(DOI: 10.3390 / ma14164636)。