用于降低MgO-C耐火材料热分解过程中气味的环氧树脂/阻燃混合粘合剂

《Journal of the Indian Chemical Society》：Epoxide/flame-retardant hybrid binder for reducing odor during thermal decomposition of MgO-C refractories

MgO-C耐火材料中采用脂肪族环氧树脂/磷基阻燃剂混合粘结剂可减少臭味排放，但碳残留量低导致材料孔隙率增加和强度下降。研究显示添加磷基阻燃剂可将碳残留量提升至23.59%，但仍低于传统酚醛树脂。混合粘结剂在工业成型中表现良好可塑性，但高温性能需通过协同阻燃剂进一步优化。

　　本文探讨了在镁碳（MgO-C）耐火材料制造过程中，使用一种新型的脂肪族环氧树脂/阻燃剂混合粘结剂以减少酚类化合物燃烧产生的气味问题。MgO-C耐火材料广泛应用于钢铁冶炼领域，因其具有优异的抗腐蚀、抗剥落和抗渣侵蚀性能。然而，传统使用的酚类树脂在高温分解过程中会释放出具有强烈气味的 cresol（ cresol 是一种常见的酚类化合物，其气味对工作环境产生负面影响）。为了改善这一问题，研究团队开发了一种由脂肪族环氧树脂和磷系阻燃剂组成的混合粘结剂，试图在保持材料性能的同时，降低有害气体的排放。

脂肪族环氧树脂因其在高温下几乎不产生碳残留，而通常不被视为理想的耐火材料粘结剂。然而，通过添加磷系阻燃剂，研究发现该树脂的碳残留量显著增加，从原本的1.33%提升至23.59%。这一结果表明，磷系阻燃剂能够有效促进环氧树脂在高温下的碳化过程，从而增强其在耐火材料中的作用。此外，与传统的酚类树脂相比，这种混合粘结剂在燃烧过程中几乎不释放 cresol 化合物，从而大幅改善了工作环境的空气质量。

尽管混合粘结剂在环保性能上表现出色，但在高温处理后，使用该粘结剂的 MgO-C 耐火材料显示出较高的孔隙率和较低的断裂强度。这主要是由于脂肪族环氧树脂本身的碳残留量较低，导致其在高温下无法形成足够致密的碳结构。相比之下，传统的酚类树脂能够提供更高的碳残留量，从而增强材料的机械性能和耐高温特性。因此，研究团队指出，为了在保持环保优势的同时提高 MgO-C 耐火材料的高温性能，需要进一步优化混合粘结剂的碳残留量，可以通过引入多种类型的阻燃剂以实现协同效应。

在实验过程中，研究团队使用了不同粒径的镁砂（1 mm 和 75 μm）以及片状石墨（100目）作为 MgO-C 耐火材料的主要原料。铝粉和硅粉被用作抗氧化剂，以防止材料在高温下发生氧化反应。作为粘结剂，研究选择了脂肪族环氧树脂，具体为 Trimethylolpropane triglycidyl ether（TPTE），并以 Hexahydro-4-methylphthalic anhydride（HHMPA）和 1-methylimidazole（MZ）作为固化剂和催化剂。通过差示扫描量热法（DSC）测量，确定了该粘结剂的固化温度范围为108.1°C至166.3°C，这表明其具有良好的热稳定性。

为了评估混合粘结剂对 MgO-C 耐火材料性能的影响，研究团队对使用该粘结剂和传统酚类树脂的样品进行了对比分析。结果显示，混合粘结剂在高温处理后虽然能提供与酚类树脂相似的可塑性和成型性，但由于其碳残留量较低，导致材料的高温性能略逊于传统配方。具体而言，使用混合粘结剂的 MgO-C 耐火材料在高温下表现出更高的孔隙率和更低的断裂强度，这可能会影响其在实际应用中的耐久性和稳定性。

此外，研究还提到，在工业规模上制备 MgO-C 耐火材料时，混合粘结剂表现出与酚类树脂相当的可塑性和成型性。这意味着该粘结剂不仅在实验室条件下具有可行性，而且在实际生产中也具备应用潜力。然而，为了进一步提升其性能，研究团队建议通过引入多种阻燃剂来增强其碳残留量，从而在保持环保优势的同时，提高耐火材料的高温性能。

在环保方面，传统的酚类树脂在高温分解时会释放出多种有害气体，包括多环芳烃（PAHs）和具有强烈气味的 cresol 化合物。这些气体不仅对环境造成污染，还可能对人体健康产生负面影响。相比之下，混合粘结剂由于磷系阻燃剂的作用，能够减少这些有害气体的排放，从而为钢铁冶炼行业提供更加清洁的生产环境。这一发现对于推动耐火材料行业向绿色制造方向发展具有重要意义。

从材料科学的角度来看，MgO-C 耐火材料的性能受到多种因素的影响，包括原料的粒径分布、碳材料的类型和含量、抗氧化剂的选择以及粘结剂的种类和性能。研究团队通过调整粘结剂的配方，成功实现了对材料性能的优化。然而，由于脂肪族环氧树脂本身的特性，其在高温下的碳残留量仍然较低，这成为限制其性能提升的关键因素。因此，未来的研究方向应聚焦于如何通过多种阻燃剂的协同作用，进一步提高混合粘结剂的碳残留量，同时保持其环保特性。

在实际应用中，MgO-C 耐火材料常用于高温炉衬、转炉和电炉等钢铁冶炼设备。由于其优异的抗渣侵蚀性能和高温稳定性，这类材料在高温环境下能够有效保护设备免受腐蚀和损坏。然而，传统粘结剂在高温分解过程中释放的气味和有害气体不仅影响工作环境，还可能对员工的健康构成威胁。因此，开发一种既能保持材料性能，又能减少有害气体排放的新型粘结剂，成为当前研究的重要目标。

本研究的成果表明，脂肪族环氧树脂/阻燃剂混合粘结剂在减少有害气体排放方面具有显著优势，但在高温性能方面仍需进一步优化。通过引入多种类型的阻燃剂，可以实现对碳残留量的提升，从而增强材料的机械性能和高温稳定性。这一研究为未来开发更环保、性能更优的 MgO-C 耐火材料提供了新的思路和方法。同时，也提醒相关行业在追求环保效益的同时，需充分考虑材料性能的平衡，以确保其在实际应用中的可靠性。

此外，研究团队还提到，使用混合粘结剂的 MgO-C 耐火材料在高温处理后，其微观结构和相组成与使用传统粘结剂的样品相比没有显著变化。这表明混合粘结剂在高温下不会引起材料的结构性破坏，从而保证了其在高温环境下的稳定性。然而，由于碳残留量较低，材料的孔隙率较高，这可能会影响其在高温下的抗压强度和耐久性。因此，如何在保持材料环保性能的同时，进一步提高其高温性能，是未来研究需要解决的问题。

在实际生产中，混合粘结剂的使用需要考虑到其加工性能。研究团队指出，该粘结剂在工业规模上的可塑性和成型性与酚类树脂相当，这意味着其在实际操作中具有良好的适用性。然而，由于其碳残留量较低，可能需要在配方中加入更多的碳材料或其他添加剂，以弥补性能上的不足。这为相关行业提供了优化配方的参考，同时也为未来的材料研发提供了方向。

综上所述，本研究通过引入磷系阻燃剂，成功开发了一种新型的脂肪族环氧树脂/阻燃剂混合粘结剂，用于 MgO-C 耐火材料的制造。该粘结剂在减少有害气体排放方面表现出色，但在高温性能上仍需进一步改进。研究团队的结论表明，通过多种阻燃剂的协同作用，可以有效提高混合粘结剂的碳残留量，从而增强其在高温环境下的性能。这一研究不仅为环保型耐火材料的开发提供了新的思路，也为钢铁冶炼行业提供了更加安全、清洁的生产方案。