清华大学J. Am. Ceram. Soc.:用一种独特方法制备可控小孔径泡沫玻璃

【引言】

泡沫聚合物具有易燃、寿命短、易化学腐蚀、环境毒性大等缺点，与泡沫聚合物相比，泡沫玻璃具有阻燃、化学稳定、无毒等特点，并具有一定的抗虫和抗菌能力。泡沫玻璃是一种重要的无机多孔材料，由于具有低密度、耐化学腐蚀、耐热、隔音性强、不燃、寿命长等优良特性在隔音材料、催化剂载体、建筑施工和生物医学植入物等领域有广泛应用。
制造泡沫玻璃最常用的方法是用含有发泡剂的废玻璃粉末进行直接发泡，将玻璃粉末原料与加有少量发泡剂的混合物在空气中烧结，这些发泡剂随着温度升高通过分解或其他化学反应产生气体，排出的气体被熔融玻璃包裹从而形成了玻璃基质中的孔。常用的发泡剂有碳酸钙、碳酸镁、硫酸钠、硅酸钠、白云石、碳粉、金刚砂等等。近年来，一些新型制备方法如喷雾干燥技术、聚合物海绵法、水热处理法、冷冻干燥法等被逐渐开发出来。然而，这些方法由于具有高排放或操作复杂等缺点，难以进行工业化生产。

【成果简介】

近日，清华大学杨金龙教授与华中科技大学吴甲民讲师（共同通讯作者）等人利用胶体悬浮发泡法，制备出具有小孔径的分层多孔结构泡沫玻璃。目前为止，关于泡沫玻璃的研究主要集中在由陶瓷颗粒制备的泡沫上，而以废玻璃粉末为原料的浆料性能尚未被研究。本研究中作者首次证明对废玻璃颗粒进行原位疏水化处理可提高泡沫稳定性。这种新颖的制备方法可用于制造微米级孔径均一的泡沫玻璃，有利于提高泡沫玻璃的抗压强度和耐热性能。该成果以“A novel fabrication method for glass foams with small pore size and controllable pore structure”为题于2017年8月10日发表在期刊Journal of the American Ceramic Society上。

【图文导读】

图1：pH对泡沫悬浮液的影响

（a）玻璃粉末“A”的Zeta电位随pH值的变化；

（b）玻璃粉末“A”与含有不同含量没食子酸丙酯的悬浮液间的润湿角（pH=7.5）。

图2：球磨时间与颗粒粒径之间的关系

（颗粒尺寸）D_0.5和D_0.9颗粒的粒径随球磨时间的变化曲线。

图3：玻璃粉末的SEM图

（a）玻璃粉末原料的SEM图；

（b）球磨时间2h后的SEM图；

（c）球磨时间6h后的SEM图；

（d）球磨时间18h后的SEM图。

图4：球磨时间对玻璃粉末粒径分布的影响

玻璃粉末原料及其经过不同球磨时间后的粒径分布。

图5：由泡沫玻璃悬浮液制备泡沫玻璃的流程示意图

（a）泡沫玻璃悬浮液示意图；

（b）液膜示意图；

（c）破裂泡沫颗粒层示意图；

（d）泡沫玻璃的“细胞壁”示意图。

图6：泡沫玻璃的SEM图像

（a）干燥泡沫玻璃（200μm）的SEM图；

（b）干燥泡沫玻璃（2μm）的SEM图；

（c）烧结温度600℃的泡沫玻璃（200μm）的SEM图；

（d）烧结温度600℃的泡沫玻璃（2μm）的SEM图。

图7：不同固含量泡沫玻璃的SEM图

（a）固含量为20%（200μm）的泡沫玻璃的SEM图；

（b）固含量为15%（200μm）的泡沫玻璃的SEM图；

（c）固含量为10%（200μm）的泡沫玻璃的SEM图；

（d）固含量为5%（200μm）的泡沫玻璃的SEM图；

（e）固含量为20%（100μm）的泡沫玻璃的SEM图；

（f）固含量为10%（100μm）的泡沫玻璃的SEM图。

图8：固含量对泡沫玻璃孔径分布的影响

（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径。

图9：烧结温度对泡沫玻璃开孔的影响

（a），（b）烧结温度为750℃时的SEM图；

（c），（d）烧结温度为700℃时的SEM图；

（e）二次开孔的尺寸分布；

（f）烧结温度700℃和750℃时的XRD图像。

【小结】

本文中，研究人员使用胶体悬浮发泡法制备具有小孔径和可控孔结构的泡沫玻璃。通过使用三种含有不同化学成分的废玻璃粉末进行相关研究，证明利用原位疏水化方法提高泡沫稳定性是可行的。研究人员研究并分析了pH值、没食子酸丙酯浓度和球磨时间对泡沫玻璃悬浮液稳定性的影响。本研究为利用废弃玻璃粉末制备泡沫玻璃提供了一种简便、环保、廉价的方法，利用这种方法制备出来的泡沫玻璃与大多数泡沫玻璃相比孔径减小了一到两个数量级；同时，这种方法通过调整玻璃悬浮液的固含量实现了对闭孔或开孔结构的控制；另外，通过调整烧结温度可获得“筛状”的新型分层多孔泡沫玻璃。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部新人组吴彦飞编译，雪琰审核，点我加入材料人编辑部。

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