清華大學J. Am. Ceram. Soc.:用一種獨特方法制備可控小孔徑泡沫玻璃

【引言】

泡沫聚合物具有易燃、壽命短、易化學腐蝕、環境毒性大等缺點，與泡沫聚合物相比，泡沫玻璃具有阻燃、化學穩定、無毒等特點，并具有一定的抗蟲和抗菌能力。泡沫玻璃是一種重要的無機多孔材料，由于具有低密度、耐化學腐蝕、耐熱、隔音性強、不燃、壽命長等優良特性在隔音材料、催化劑載體、建筑施工和生物醫學植入物等領域有廣泛應用。
制造泡沫玻璃最常用的方法是用含有發泡劑的廢玻璃粉末進行直接發泡，將玻璃粉末原料與加有少量發泡劑的混合物在空氣中燒結，這些發泡劑隨著溫度升高通過分解或其他化學反應產生氣體，排出的氣體被熔融玻璃包裹從而形成了玻璃基質中的孔。常用的發泡劑有碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鈉、硅酸鈉、白云石、碳粉、金剛砂等等。近年來，一些新型制備方法如噴霧干燥技術、聚合物海綿法、水熱處理法、冷凍干燥法等被逐漸開發出來。然而，這些方法由于具有高排放或操作復雜等缺點，難以進行工業化生產。

【成果簡介】

近日，清華大學楊金龍教授與華中科技大學吳甲民講師（共同通訊作者）等人利用膠體懸浮發泡法，制備出具有小孔徑的分層多孔結構泡沫玻璃。目前為止，關于泡沫玻璃的研究主要集中在由陶瓷顆粒制備的泡沫上，而以廢玻璃粉末為原料的漿料性能尚未被研究。本研究中作者首次證明對廢玻璃顆粒進行原位疏水化處理可提高泡沫穩定性。這種新穎的制備方法可用于制造微米級孔徑均一的泡沫玻璃，有利于提高泡沫玻璃的抗壓強度和耐熱性能。該成果以“A novel fabrication method for glass foams with small pore size and controllable pore structure”為題于2017年8月10日發表在期刊Journal of the American Ceramic Society上。

【圖文導讀】

圖1：pH對泡沫懸浮液的影響

（a）玻璃粉末“A”的Zeta電位隨pH值的變化；

（b）玻璃粉末“A”與含有不同含量沒食子酸丙酯的懸浮液間的潤濕角（pH=7.5）。

圖2：球磨時間與顆粒粒徑之間的關系

（顆粒尺寸）D_0.5和D_0.9顆粒的粒徑隨球磨時間的變化曲線。

圖3：玻璃粉末的SEM圖

（a）玻璃粉末原料的SEM圖；

（b）球磨時間2h后的SEM圖；

（c）球磨時間6h后的SEM圖；

（d）球磨時間18h后的SEM圖。

圖4：球磨時間對玻璃粉末粒徑分布的影響

玻璃粉末原料及其經過不同球磨時間后的粒徑分布。

圖5：由泡沫玻璃懸浮液制備泡沫玻璃的流程示意圖

（a）泡沫玻璃懸浮液示意圖；

（b）液膜示意圖；

（c）破裂泡沫顆粒層示意圖；

（d）泡沫玻璃的“細胞壁”示意圖。

圖6：泡沫玻璃的SEM圖像

（a）干燥泡沫玻璃（200μm）的SEM圖；

（b）干燥泡沫玻璃（2μm）的SEM圖；

（c）燒結溫度600℃的泡沫玻璃（200μm）的SEM圖；

（d）燒結溫度600℃的泡沫玻璃（2μm）的SEM圖。

圖7：不同固含量泡沫玻璃的SEM圖

（a）固含量為20%（200μm）的泡沫玻璃的SEM圖；

（b）固含量為15%（200μm）的泡沫玻璃的SEM圖；

（c）固含量為10%（200μm）的泡沫玻璃的SEM圖；

（d）固含量為5%（200μm）的泡沫玻璃的SEM圖；

（e）固含量為20%（100μm）的泡沫玻璃的SEM圖；

（f）固含量為10%（100μm）的泡沫玻璃的SEM圖。

圖8：固含量對泡沫玻璃孔徑分布的影響

（a）固含量20%的泡沫玻璃；

（b）固含量15%的泡沫玻璃；

（c）固含量10%的泡沫玻璃；

（d）固含量5%的泡沫玻璃；

（e）不同固含量泡沫玻璃的平均孔徑。

圖9：燒結溫度對泡沫玻璃開孔的影響

（a），（b）燒結溫度為750℃時的SEM圖；

（c），（d）燒結溫度為700℃時的SEM圖；

（e）二次開孔的尺寸分布；

（f）燒結溫度700℃和750℃時的XRD圖像。

【小結】

本文中，研究人員使用膠體懸浮發泡法制備具有小孔徑和可控孔結構的泡沫玻璃。通過使用三種含有不同化學成分的廢玻璃粉末進行相關研究，證明利用原位疏水化方法提高泡沫穩定性是可行的。研究人員研究并分析了pH值、沒食子酸丙酯濃度和球磨時間對泡沫玻璃懸浮液穩定性的影響。本研究為利用廢棄玻璃粉末制備泡沫玻璃提供了一種簡便、環保、廉價的方法，利用這種方法制備出來的泡沫玻璃與大多數泡沫玻璃相比孔徑減小了一到兩個數量級；同時，這種方法通過調整玻璃懸浮液的固含量實現了對閉孔或開孔結構的控制；另外，通過調整燒結溫度可獲得“篩狀”的新型分層多孔泡沫玻璃。

文獻鏈接：A novel fabrication method for glass foams with small pore size and controllable pore structure（J. Am. Ceram. Soc., 2017, DOI: 10.1111/jace.15089）

本文由材料人編輯部新人組吳彥飛編譯，雪琰審核，點我加入材料人編輯部。

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