不定形耐火材料與燒成耐火材料相比，具有節(jié)約能源，整體性好，可靈活調(diào)整組成，生產(chǎn)效率高，綜合使用效果好等優(yōu)點，因此，發(fā)展十分迅速。在施工和使用過程中，要求不定形耐火材料特別是耐火澆注料和泵送料具有很好的流動性和盡可能少的用水量，借鑒混凝土行業(yè)的經(jīng)驗，減水劑作為一種重要的外加劑，在不定形耐火材料領(lǐng)域得到應(yīng)用。
減水劑是一類在保持澆注料的流動值基本不變.的條件下能顯著降低攪拌用水量的物質(zhì)，也稱降水劑、分散劑或塑化劑。減水劑在耐火澆注料中，尤其是在低水泥和超低水泥耐火澆注料中的作用是非常重要的。它不僅僅是簡單地降低耐火澆注料在施工過程中的加水量，而且在減少加水量的基礎(chǔ)上，還明顯地優(yōu)化了澆注料的施工性能。本文將從應(yīng)用于耐火澆注料的減水劑的種類、作用機(jī)理、研究及應(yīng)用現(xiàn)狀等方面對其進(jìn)行簡要綜述，并對其在耐火澆注料中的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
1減水劑的種類
減水劑種類很多，分類方法也很多。按主要官能團(tuán)分有：磺酸類、羧酸類、磺酸一羧酸類;按化學(xué)組成分有：無機(jī)鹽類、萘系、蒽系、密胺樹脂系、木質(zhì)素磺酸鹽系、脂肪族、氨基磺酸鹽系、聚羧酸鹽類;按作用原理分有：電解質(zhì)類和表面活性劑類。
大多數(shù)的減水劑屬于陰離子表面活性劑。對于不同的材料體系，減水劑的使用效果并不相同，對一種體系適應(yīng)良好的減水劑，可能對另一種體系完全不適應(yīng)。木質(zhì)素磺酸鹽是在耐火材料中應(yīng)用最早的一種減水劑，后來又相繼開發(fā)了適合含硅微粉體系的三聚磷酸鈉和適合含氧化鋁微粉體系的六偏磷酸鈉。聚丙烯酸鈉、聚羧酸系、密胺樹脂系、萘系、氨基磺酸鹽系和脂肪族等，都被用作耐火材料的減水劑，近來還有文獻(xiàn)報道了聚羧酸系減水劑用在澆注料中對材料性能的影響。
2減水劑與不定形耐火材料的作用機(jī)理
目前應(yīng)用廣泛的高效減水劑分子一般由疏水長鏈和帶負(fù)電的親水基兩部分組成。減水劑滲入到基質(zhì)分散體系中，產(chǎn)生潤濕吸附作用，疏水鏈的一端吸附錨固于基質(zhì)顆粒的表面，另一端則伸入溶液中，產(chǎn)生空間位阻作用;而帶負(fù)電的親水基在基質(zhì)顆粒表面形成雙電層，產(chǎn)生靜電排斥作用，常見的帶負(fù)電的親水基團(tuán)有一COO-和一SO3-。減水劑分子加到不定形耐火材料中，并不與基質(zhì)顆粒發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，而是靠改變顆粒的表面性質(zhì)，起到分散的作用。其中主要就是靠顆粒間的靜電斥力和空間位阻力。
減水劑的作用效果示意圖
(1)靜電斥力。
不定形耐火材料中摻入減水劑后，減水劑分子定向吸附在基質(zhì)顆粒表面，部分極性基團(tuán)指向液相。由于親水極性基團(tuán)的電離作用，使得基質(zhì)顆粒表面帶上電性相同的電荷，并且電荷量隨減水劑濃度增大而增大直至飽和，從而使基質(zhì)顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，使基質(zhì)顆粒絮凝結(jié)構(gòu)解體，顆粒相互分散，釋放出包裹于絮團(tuán)中的自由水，從而有效地增大攪拌物的流動性。帶磺酸根(HSO3-)的離子型聚合物電解質(zhì)減水劑，靜電斥力作用較強(qiáng);帶羧酸根離子(COO-)的聚合物電解質(zhì)減水劑，靜電斥力作用次之;帶羥基(一OH)和醚基(一O一)的非離子型表面活性減水劑，靜電斥力作用最小。
(2)空間位阻。
在氨基磺酸鹽和聚羧酸鹽減水劑中存在空間位阻作用。這類減水劑具有梳形分子結(jié)構(gòu)，短主鏈，長側(cè)鏈。主鏈上有較多的活性基團(tuán)，并且極性較強(qiáng)，側(cè)鏈上也帶有親水基團(tuán)。主鏈吸附在基質(zhì)顆粒的表面，一部分側(cè)鏈錨固在基質(zhì)顆粒表面，剩余的伸展在水溶液中。在顆粒表面形成一定厚度的吸附層，當(dāng)顆粒靠近時，吸附層開始重疊，即在顆粒之間產(chǎn)生斥力作用，重疊越多，斥力越大，這種力即是空間位阻作用力。另外，分子主鏈上較強(qiáng)的水化基團(tuán)很容易與極性分子以氫鍵的形式締合，在顆粒表面形成一層穩(wěn)定的具有機(jī)械強(qiáng)度的溶劑化水膜，水膜的形成使顆粒潤濕并易于滑動，阻止了顆粒的相互聚結(jié)。減水劑的空間位阻作用見下圖。
減水劑的空間位阻作用
3減水劑在不定形耐火材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀
減水劑應(yīng)用到耐火材料中來，主要就是為了減少用水量，提高流動性能，改善施工性能。目前的研究主要是集中在對基質(zhì)和澆注料流變性的研究上。
三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、檸檬酸鈉等是在耐火材料中應(yīng)用最早、最普遍的無機(jī)鹽減水劑。研究減水劑對剛玉質(zhì)澆注料基質(zhì)流變性的影響后認(rèn)為，很少量的六偏磷酸鈉和檸檬酸鈉能使基質(zhì)泥漿的黏度降低。曾報道三聚磷酸鈉和檸檬酸鈉對礬土基澆注料基質(zhì)的流變性有明顯的改善;研究分散劑對氧化鋁微粉一水濃懸浮液的流變行為的影響，認(rèn)為六偏磷酸鈉、磺化三聚氰胺、密胺樹脂減水劑都有利于改善懸浮液的流動性，但電解質(zhì)類減水劑減小懸浮液的觸變曲線的觸變環(huán)，降低塑性。研究了三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和聚乙烯二醇對剛玉細(xì)粉一鋁酸鈣水泥一硅微粉和剛玉細(xì)粉一α-Al2O3微粉一鋁硅凝膠粉兩類剛玉質(zhì)澆注料基質(zhì)漿體流變特性的影響，在前者的混合漿體中三聚磷酸鈉和聚乙烯二醇的分散效果較好，在后者的混合漿體中六偏磷酸鈉的分散效果較好。
將密胺樹脂減水劑應(yīng)用到高鋁水泥澆注料中，減水率高達(dá)為48.2%，澆注料的顯氣孔率降低4%，體積密度提高5.8%，烘干抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度分別提高3倍多，中溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度都大幅度提高，且澆注料的高溫性能沒有受到任何影響;而且將SiO2微粉與減水劑復(fù)合使用，顯著地降低了澆注料的用水量，改善了流動性，且澆注料的中溫強(qiáng)度不損失，一直保持著較高的耐壓強(qiáng)度。
不同聚合物電解質(zhì)減水劑對高嶺土濃懸浮液泥漿穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，帶有強(qiáng)酸性電解質(zhì)產(chǎn)生活性基團(tuán)的聚合物電解質(zhì)比一般的聚合物電解質(zhì)具有更好的分散穩(wěn)定性。
在2001年報道開發(fā)出的專門用作耐火材料的減水劑Castament FS20系列聚羧酸鹽減水劑，并把FS20與聚丙烯酸鈉對比，發(fā)現(xiàn)FS20對不同體系澆注料的流變性能的影響都有明顯的優(yōu)勢，并且對強(qiáng)度和線變化等物理性能也有明顯的改善。
不同側(cè)鏈長度的接枝共聚聚羧酸減水劑PCE，PCE對不定形耐火材料的影響主要有兩方面：一是對流變性能和硬化過程的影響;二是對強(qiáng)度的影響。PCE主鏈的電荷密度、側(cè)鏈長度、側(cè)鏈密度是影響這些性能的主要因素。
提出僅僅靠測量減水劑對基質(zhì)濃懸浮液Zeta電位的影響來選取減水劑是不夠的，新一代的聚羧酸鹽類的減水劑的作用機(jī)理與以前的靜電斥力為主的聚電解質(zhì)和無機(jī)電解質(zhì)類減水劑有很大的不同，除了靜電斥力作用之外，空間位阻作用力也是很重要的因素。澆注料的流變性很大程度上決定于基質(zhì)的流變性，用旋轉(zhuǎn)黏度計測量基質(zhì)的剪切速率與剪切應(yīng)力的流變曲線，可在一定程度上比較不同配方之間的相對流變性能。研究流變性往往從基質(zhì)入手，省時、省力，然而也有學(xué)者提出僅僅靠基質(zhì)的流變性不能全面考察澆注料的流變性能。要想從施工角度去研究澆注料的流變性，則必須從全組分人手，用流變儀測量澆注料的扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。近年來也有人把混凝土行業(yè)對觸變性的研究應(yīng)用在澆注料中，它是澆注料在外力的作用下從無結(jié)構(gòu)到有結(jié)構(gòu)、從有結(jié)構(gòu)到無結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換過程的表現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)的破壞和形成是時間的函數(shù)。
4減水劑在不定形耐火材料中的發(fā)展趨勢
目前不定形耐火材料發(fā)展的主要推動力就是超微粉技術(shù)和減水劑，要使超微粉得到均勻的分散，則必須依賴分散性能良好的減水劑，因此，減水劑對不定形耐火材料的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。從普通減水劑到高性能減水劑，從無機(jī)鹽到高分子減水劑，都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了不定形耐火材料領(lǐng)域。有時單一的減水劑并不能滿足澆注料性能的要求，復(fù)合減水劑對澆注料性能的改善效果要優(yōu)于單一減水劑。但是，耐火材料領(lǐng)域?qū)p水劑復(fù)配技術(shù)的研究非常少，與混凝土行業(yè)相比，減水劑的復(fù)配技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展。
盡管目前對于減水劑對不定形耐火材料影響方面的研究已經(jīng)非常多了，但是對其作用機(jī)理的研究僅僅報道了減水劑對鋁酸鹽水泥水化過程的影響;對于其他結(jié)合系統(tǒng)硬化過程的影響鮮有報道。新一代的梳形結(jié)構(gòu)的聚羧酸鹽減水劑對澆注料性能的影響已經(jīng)被大量研究，但對于其作用機(jī)理方面的研究還很少。只有加強(qiáng)減水劑與耐火材料作用的理論方面研究，才能從理論的高度指導(dǎo)減水劑的應(yīng)用。
