粘度对快速凝胶发泡法制备二氧化硅泡沫陶瓷的影响..docx

粘度对快速凝胶发泡法制备二氧化硅泡沫陶瓷的影响摘要：一种环保型制备二氧化硅泡沫陶瓷（发泡法的快速凝胶化）的方法，是采用溶胶-凝胶反应，而不是用有机聚合物或单体的机械发泡，这样以来原料中包含的有机物会产生较少的CO?2和有害气体。在发泡过程中的二氧化硅溶胶的粘度影响二氧化硅泡沫的多孔性，即随着粘度的增加，孔隙率和平均孔径将会减小。二氧化硅泡沫的孔结构取决于二氧化硅溶胶的粘度，所形成的两种类型的孔隙结构。开孔结构是由发泡低粘度的溶胶得到，而封闭的孔隙结构是由发泡高粘度溶胶得到的。由于二氧化硅溶胶的粘度影响泡沫的稳定性和发泡能力，因此该产品的多孔性可以通过在发泡过程中的二氧化硅的粘度来控制。关键词：发泡陶瓷 环境友好 二氧化硅 多孔材料 渗透性引言 泡沫陶瓷常用来作为熔融金属滤波器，轻质夹芯结构，热绝缘体等[1]。从环境的角度来看，排气过滤器和催化剂载体是泡沫陶瓷特别重要的应用。然而，大多数泡沫陶瓷的制备方法由于原料中有机化合物的分解（聚合物海绵或有机单体）产生大量CO2。[2–5]由于泡沫陶瓷制备过程中产生的二氧化碳加速全球变暖，环境清洁型产品材料的应用应该避免这个问题。在之前的文章里面[6]，我们报道了一种新型的利用溶胶凝胶反应和机械发泡，与常规方法相比产生更少的CO2和有害气体。在使用这种制备方法时，二氧化硅泡沫生产过程中热分解气体的排放量大大减少，这是因为制备方法的添加剂的含量小于3%，而常规制备方法添加剂含量最低也超过了10%[6]。对于生产二氧化硅泡沫的过滤器热绝缘体等，多孔性（孔隙结构，孔隙尺寸和孔隙度）的控制是十分重要的。在这项工作中，二氧化硅泡沫的制备是结合了溶胶-凝胶反应和机械发泡，并且研究了多孔性能与制备条件尤其是发泡过程中黏度之间的关系。实验材料市售的硅溶胶（snowtex-s，nis-san化学工业公司，日本）包含30%的稳定钠离子SiO2（Na2O含量小于0.6%）作为启动材料（pH＞10）。在无添加剂的情况下溶胶不能半永久凝胶。试剂级盐酸（方山化学工业公司，日本）加入到溶胶来控制其pH，一种主要含有钠月桂酸钠硫酸酯（sunnol lm-1130，狮子公司，日本）的表面活性剂是用来产生稳定的泡沫。二氧化硅泡沫的产生和其孔结构的控制根据实验流程图如下图制备二氧化硅泡沫，通过加入HCl调节二氧化硅溶胶的pH值到6左右，10%的水溶液中加入0.5%的表面活性剂，然后将溶胶放在20?C.水浴中搅拌。硅溶胶的粘度用锥板粘度计（rh-80，岐产业有限公司，日本）来测量。当溶胶的粘度达到一个预先选定的值100和10000 MPa之间时，将它放置在一个玻璃烧杯中，用旋转搅拌器在600 rpm搅拌1分钟，发泡。发泡溶胶用石蜡膜覆盖，并在40?C下储存5天。由此产生的湿法发泡硅胶通过逐步降低相对湿度在40?C干燥28天，然后在100?C充分干燥4小时。将干燥后的泡沫硅胶在600度下煅烧4小时，并1000度下烧成2小时，得到二氧化硅泡沫。虽然二氧化硅泡沫的多孔特性被认为是依赖于表面活性剂的浓度，溶胶浓度等，这主要集中发泡时二氧化硅溶胶的粘度。我们以前的研究表明，可以通过控制pH值，表面活性剂的浓度和温度来调节溶胶粘度。两步凝胶方法如图2中所示的使用。正如市售硅溶胶的粘度变化的虚线所示，表明在合理时间内没有发生凝胶化。通过调节pH值和添加表面活性剂，该溶胶一凝胶点，粘度的变化被显示为虚线，表示一个合理的时间内凝胶。由于粘度的变化受温度显著影响，调节了pH值和添加了表面活性剂（对应的虚线）的硅溶胶迅速加热发生凝胶。例如，如果黏度低的硅溶胶加热时，它迅速地凝胶，其粘度变化如图2（a）中实线所示。另一方面，如果在其高粘度的状态下加热，它会迅速凝胶化，其粘度变化如图2（b）中的实线。因此，该硅溶胶可以在各种粘度状态（100?10000 mPa?s）下发泡。发泡硅溶胶保留其在加热时的泡沫状结构。图2。分别在低粘度（a）加热和高粘度（b）加热时硅溶胶的粘度变化的模型示意图图1 ：二氧化硅泡沫制备和烧结的制备实验流程图。不同的制备方法得到的二氧化硅孔的性质也是各具特征的。孔隙度是用抛光的图像分析计算断面图像的扫描电镜（SEM）观察到的孔隙的二氧化硅矩阵的面积比。平均孔径也通过扫描电镜图像的分析计算。由于二氧化硅泡沫的球面形状的孔在扫描电镜的图像中大致是圆形的，在计算可以将其假设为圆形的孔径。这些转换的平均直径值是平均孔径，如果不进行校正，那么计算得到的的平均孔径有可能小于真实值。使用达西方程计算了硅泡沫渗透率（方程（1）），其中P是样品的入口和出口之间的压力差，L是样品的厚度，μ是流体的动力粘度，VSI的表面波速度的流体和K是达西渗透率。 Q和A表示的表面的流体的流速。其中，Q为流体通过样品的通量，而A是样品的横截面面积。渗透性测量使