表面处理对碳化硅泡沫陶瓷挂浆性能的影响

表面处理对碳化硅泡沫陶瓷挂浆性能的影响 第 ,,卷 第 ,期 无 机 材 料 学 报 , , , ( ,,，, ,( , , ,年 ,月 ,, ,, ,， , ,, ,,,, ,,, ,,, ,, , , ;, ,,, , ，,, ,,,( ,, ,, —, ,(, ,, —, ,, 文章编号: , ,, , , , ),,, —, 表 面 处 理 对 碳 化 硅 泡 沫 陶 瓷 挂 浆 性 能 的 影 响 刘 岩 ，黄 政 仁 ，董 绍 明 ，江 东 亮 中 , , , ( 国科 学院 上 海 硅 酸 盐 研 究 所 结 构 陶瓷 工 程 中 心 ，上 海 , , , ) 摘 要 : 采 用 有 机 泡 沫 浸 渍 法 制 备 碳 化 硅 泡 沫 陶 瓷 时 ，通 过 对 聚 氨 脂 泡 沫 进 行 不 同 改 性 剂 的 表 面处 理来 改善其 挂浆性 能 ，利 用一种 更加合 理 的表 征方法 ，即测量 挂浆 后泡 沫 陶瓷素 坯孔 筋尺 寸 和 表 征 孔 筋 挂 浆 后 形 貌 来 衡 量 挂 浆 性 能 (试 验 结 果 表 明 ，在 所 选 用 的 四 种 改 性 剂 中 ，羧 甲基 ,,,)的改性 作用最好 ，其 次是硅 溶胶 ，而 聚 乙烯 醇 ( , 效 果最 差 ( ,,, 的改性 纤维 素 ( , ,) 效果 主要来 源于 ,,值 ,,条 件下 形成 的疏 水基 团 与有机 泡沫 结合 而亲 水基 团与水 基浆 料结 合 的结 构，这种结构 可 以显 著改 善有 机泡 沫与水 基浆 料 的润 湿性 ( 关 键 词 : 表 面 处 理 ;挂 浆 ;碳 化 硅 泡 沫 陶 瓷 ;孔 筋 尺 寸 , 中图分类号 : ,,,, 文献 标识码 : , , 引 言 采 用 有 机 泡 沫 浸 渍 法制 备 泡 沫 陶 瓷是 目前 工 业 化 生 产 使 用 最 广 泛 的方 法 ，水 基 浆 料 的 主 与使 用 对 于 降 低 成本 和 环 保 发 挥 了积 极 的 作 用 ，但 是 有 机 泡 沫 ( 要 是 聚 氨 酯) 水 基 浆 料 之 间并 不具 有 良好 的相 容 性 ，因此 如 果 不 采用 一定 的 处理 技 术 ，挂 浆后 的泡 沫 陶 瓷 素坯 将 存 在 很 多 缺 陷 ，如 有机 泡 沫 孔 筋裸 露 、孔 筋 涂 覆 不均 匀 等 ，直 接 影 响 到烧 结 后 泡 沫 陶 瓷 的 力学 性 ? , , ,, 【 等 能 (为 了解 决 这 一 问题 ，国 内外 学 者 做 了很 多 研 究 工 作 ， 、 ,, , , , , 采 用 将 硅 酸 铝 ?獭??维 加 入氧 化 锂 一 硅 ,,, , , 氧化 铝 一 氧 化 物 陶 瓷浆 料 中来提 高 挂 浆性 能 ; , , 〔 等 也采 用 硅 酸 铝 短 纤 维 来增 强 氧 化 铝 一 ,, , , , 氧化 铬 泡 沫 陶 瓷 ;另外 ， , ,, 〔 等 采 用 在 有 机 泡 沫浸 渍前 对 其表 面 从 除 喷涂 有 机纤 维 来 改 善浆 料 与 泡 沫之 间的 相 容性 ， 而增 加浆 料 在 泡 沫表 面 的 涂 覆厚 度 ( 了通 过 使 用纤 维 来 增 加 泡沫 的 粗 糙度 改 善 挂 浆性 能 外 ，也 有通 过 化 学 试剂 表 面 改 性 的报 道 ，如 , ,, 〕 〔 , , ;,, , ) 聚 , , , ,,, ,,,,， , ,,,, , 等 采 用 高分 子 絮凝 剂 ，如 丙烯 酰 胺 ( , , ,,,,, ， 乙亚 胺 ( , ,, ,, , ) ,, ,, , ,, , ,,或 有 机 单体 ，如 乙醇 胺 ( , ,, , , , )涂覆 在 有 机 泡 沫 表 面 ，在 一 定 条 件 下 聚合 形 成 聚合 物 层 来 改 善 浆 料 与泡 沫 的相 容 性 (以 上 几 种 方 法 均 可 以 在 一 定 程 度 上 改 善泡 沫 的 挂 浆 性 能 ，但 采 用 以 上方 法 存 在 着 成 本 高 ，不 容 易 在 工 业 化 生 产 中应 用 的 弊端 ，因此 希 望 通 过 用几 种 常 用 水 溶 性 试 剂对 有机 泡沫 的处 理 ，寻 找 一种 廉 价 有效 的有 机 泡 沫 表 面 改 性 剂 (, 实验 部分 (,, 试 验 原 料 , ,,— , 收 , , ,— , 收 稿 日 期 : , , — , , ， 到 修 改 稿 日期 :, , — , , , , , ,,, , , )资 助 项 目 基 金 项 目: , ,计 划 (, , ,, , ,, ， ,,, ,, , , , ,, , , (; 作 者 简 介 : 刘 岩 (, , ) 男 ，助 理 研 究 员 ( ,, , , , , , ,,,, ,(;; ,,,, 无 机 材 料 学 报 福建 研 究 中采 用 四 种 常 用 的水 溶性 试 剂 来 处 理 聚 氨酯 泡 沫 ，这 四种 试 剂 分 别 为硅 溶 胶 ( , , , ,) 天三 邦 化工 有 限公 司生 产 ，型 号 为 ,, 一, , 、铝 溶胶 ( 津 亨美 淋 纳 米 化 工 材 料 有 限公 司 ,(, 中 和 , 中生 产)、聚 乙稀 醇 ,,, ,， 国 医药 集 团 上 海 化 学 试 剂 公 司) 羧 甲基 纤 维 素 ( ,,， 国 ( ,(医药 集 团上 海 化 学 试 剂 公 司) 除 羧 甲基 纤 维 素 外 ，其 他配 制溶 液 的 质 量 百 分 比浓 度 为 , , , (,, , , , 聚 , ， , , ,,, ,原 始 泡 沫 为 , , ，, ,, , ; ) 氨 酯 泡 沫 ，尺 寸 为 , ,,, , 首 ,,,( 先 用 洗 涤剂 和 清 水 洗涤 去 除聚 氨 酯 泡 沫 表 面 的 附着 物 ，然 后 将 清 洗 后 的泡 沫在 各 种 表 面 改 性 剂 中浸 泡 ,，, , 取 出 的 泡沫 干 燥 后 在 同一 种 碳 化 硅 浆 料 中 ，用 相 同的 挂 浆 工 艺 进 行 挂 浆 处 理 ，以 便 于 ,比较 (挂 浆 后 的素 坯 在 室 温 下 放 置 至 少 , ,后 ，放 入 烘 箱 中 干燥 后 在 一 定 的 工 艺 条 件 下 烧 结 ，烧 结 后 的样 品 进 行 抗 压 强度 测 试 ( (,, 试 验 方 法 和 性能 表 征 通 常 对 挂 浆性 能 的 表征 主 要 是 通 过 挂 浆 后 的浆 料 涂 覆 增 重 率 来 进 行 ，这 种 方 法 存 在 一 定 的 不 准 确性 ，本 研 究 中通 过 挂浆 后 素坯 孔 筋 尺 寸和 孔筋 形 貌 来 更 加 直 观 的 表 征 浆 料 与 有 机 泡 沫 的相 容 性 ，同 时通 过 测 量 不 同改 性 剂 处 理 素坯 烧 结 后 的抗 压 强 度 来 进 一 步 说 明 改性 ,,, ,, , , ,数 码 相 机 配 合 ,,,, , ,, , 光 学 显 微 镜 来 拍 摄 不 处理 的效 果 (采 用 ,, , , ,, , , , , , , , , ,, ,同改性 剂 处 理 后有 机 泡 沫 孔筋 的照 片 ;采 用 ,,,, ,, , , ,数 码 相机 拍 摄 挂 浆后 素坯 照 ,,, ,,图形 分析 软 件 进行 孔 筋 尺 寸 测 量 ，每 个 样 品 孔筋 的取 样 数 量 为 , , ;用 片 并用 ， ,, , ,个, ,, , , ，,,, ,,型万 能 试 验 机 测 试 烧结 后 泡 沫 陶 瓷 的抗 压强 度 (, 结 果 和 讨 论 (,, 不 同 改 性 剂处 理 后 的聚 氨 酯 泡 沫 形 貌分 析 聚 氨 酯 泡 沫经 过 不 同 改性 剂 处 理 后 的照 片如 图 ,所 示 (经 过 硅 溶 胶 和 铝 溶 胶 处 理后 的 聚 氨 酯 泡 沫 孔筋 表 面 有 一 层 溶 胶 凝 固 后 留 下 的 白色 凝胶 ，白色 凝 胶 物 质 的 存 在 可 以改 善 泡 沫 孔 筋 的 粗 糙 度 ，从 而 可 以增 加 浆 料 与 泡 沫 的粘 着 力 ，促 进 挂 浆 量 ，同 时 ，聚 氨 酯 泡 沫 的 表 面 为 有机 表 面 ，而 形 成 的 凝 胶 为 无 机 介 质 ，无 机 介 质 的 存 在 更 容 易 与 无 机 浆 料 之 间形 成 , )相 容性 (而采 用 羧 甲基 纤 维 素 ( ,, 处 理 的泡 沫孔 筋 看 不 出 明显 的 变 化 ，由 于 ,,,本 身 具 有 一 定 的粘 度 ，经 过 浸 泡 后 的孔 筋 会 在 表 面 留 有 一 层 透 明 的 薄 膜 ，而这 种 膜 在 光学 显微 ,, 处 ()镜 下很 难 发 现 (经过 聚 乙烯 醇 ( , ) 理 过 的孔 筋 呈 现 了如 图 ,, 所示 的形 貌 ，孔 筋表 面 , , 涂 覆 了一 定厚 度 的 , , 聚合 物 层 ， 同时 由孔 筋 包 围而 形 成 的泡 沫通 孔 也 被 , ,膜 堵 住 ， ,形 成这 种 结 构 的原 因可 能 是 , ,溶 液 的粘 度 较 大 ，在 溶液 表 面 张 力 的 作 用 下 形成 了这 种 结 构 ，而干 燥 后 这 种 结 构 被 保 留了 下 来 ( (,, 表 面 活 性 剂 对 聚氯 酯 泡 沫 挂 浆 性 能 和 力 学 性能 的 影 响 聚 氨 酯 泡 沫 孔筋 为 有机 体 ，而 挂 浆 用 的浆 料 为 水 基 浆 料 ，通 常 水基 浆 料 在 有 机 表 面 的 润 湿性 很 差 ，这 使 得 浆料 在 聚 氨 酯 泡沫 上 的 涂 覆厚 度 大 大 降 低 ，而 为提 高 挂浆 量 ，解 决 方 法 ,表通 常 有 两种 : () 面 改 性 ，即通 过 表 面 活性 剂 对 泡 沫 的 处 理 来 降 低 水 在 有 机 泡 沫 表 面 的 ,增表 面 张力 ，从 而减 小接 触 角增 大 润 湿 性 ; () 加 有机 泡 沫 表 面 的粗 糙 度 ，增 加粗 糙 度 意 味 着 有 机 表 面 与浆 料 接 触 面 积 的增 加 (采 用 不 同 表 面 活性 剂 处 理 的 聚 氨 酯泡 沫挂 浆 后 素坯 照 ,片如 图 ,所示 ，通过 图 ,可 以 明显 地 发 现 素坯 孔 筋 浆 料 涂 覆 的差 异 ， ()为 没有 任 何 表 面活 ,性 剂 处理 的 , 泡 沫 挂 浆 后 形 成 的 素 坯 ，可 以发 现 在 素 坯 中有 相 当 一 部分 孔 筋 没 有 涂 覆 上 , ,有 浆 料 ，直 接裸 露 在 外 ，而 由 , , 处理 过 的样 品 () 一 部分 泡 沫孔 筋 虽 然 涂 覆 上 了 浆料 ， ,期 刘 岩 ，等 :表 面 处 理 对 碳 化 硅 泡 沫 陶 瓷 挂 浆 性 能 的 影 响 ,, , , 但 并 不 完 整 ，孔 筋 并 没 有 被 浆 料 完 全 包 覆 ，形 成 了一 些 条 状 的涂 覆 缺 陷 ，这 些 完全 裸 露 的 孔 筋 和 部分 裸 露 的孔 筋 将 在 下 一 步 的 空气 气 氛 烧 结 中消 失 或 形 成 缺 陷 ，从 而 影 响 泡 沫 陶 瓷 图 , 经 过 各 种 改 性 剂 处 理 过 的 聚 氨 酯 泡 沫 孔 筋 照 片 , , , , ,, , ,, ,, ,, , ,,,, ,, ,,, ,,, , , ,,,, ,,, ,, ,,, , ,, , , ,, ,,,, , ;, , ,,, , ,, , , , , , ,, , ,,, ; , ,, , , ,,, ; , , ,, , ,; , , , , () ,, ,, ,, ( ),,,, , ,, , ,; () , ,, ,,,,;, , , ,,, ,:, , , ,, , , ,,, , ( ) ,, ,,, (), , , , , ,, , ,, , , ,, , 的完 整性 ，此 外 ，这 两种 样 品浆 料 涂 覆 的 均 匀性 很 差 ，形 成 的 素 坯 结构 不是 很 均 匀 ，这 两 者 ,, ,都 会 影 响 泡 沫 陶 瓷 的 力学性 能 (采 用 , ， 、硅 溶 胶 和 铝 溶 胶 处 理 后 的 , 泡 沫挂 浆 后 形 成 , ， , ，,的素 坯 () () ()中则 几 乎 没 有这 些 缺 陷 ，孔 筋 被 浆 料 完全 包 裹 ，而且 结构 均 匀 ，特 别 是 采用 ,,,处 理 后 挂 浆 的 素坯 ，涂 敷 量 明显 多 于其 他 两种 改 性剂 处 理后 的素 坯 ，显 示 了 良好 的改性结果( 除 了直 观 的 孔 筋 照 片 外 ，还 采用 了测 量 涂 覆 浆 料 后 素坯 孔 筋 尺 寸 的 定 量 方 法 以 及 测 量 素 坯 烧 结 后 形 成 的 泡 沫 陶 瓷抗 弯 强 度 的 方 法 来 进 一 步说 明 表 面 活性 剂 对 挂 浆 性 能 的 改 善 效 果 (表 ,为不 同表 面 活 性 剂 处 理 后 素 坯孔 筋尺 寸测 量结 果 和烧 结 后 泡 沫 陶 瓷 的 力 学性 能 测 试 结 果 (从 表 ,的结 果 看 ，采用 ,,,处 理 后 挂 浆 的 素坯 孔 筋 直径 尺 寸 明 显高 于 其 他 表 面 改 ,,性 剂 的 处 理 的 素坯 孔 筋 直径 ，这 也 说 明 了 采 用 , ， 改 性 处 理 后 的 聚 氨 酯 泡 沫 与 水 基 浆 料 的 湿 润 性 得 到 了很 明 显 的 改 善 ，挂 浆 量得 到 了 提 高 ，这 与 图 ,照 片 中的 结 果 吻合 ，抗 弯强 ,,度 的 测 量 结 果 也 进 一 步 验 证 了 , ， 的 改性 效 果 ，高 的 涂 覆 量 和 均 匀 的结 构 是 力 学性 能提 ,高 的 关 键 (采 用 , , 改 性 处理 后 有机 泡沫 挂 浆 后 形 成 的 素 坯孔 筋 尺 寸 最 小 ，甚 至小 于 没 有 ,,, , 无 机 材 料 学 报 任 何 处理 的有 机 泡 沫 挂 浆 后 形 成 的素 坯 孔 筋 尺 寸 ，形 成 这 种 结 果 的 原 因 可 能 有 两 种 ，一是 ,, ,表 面 活性 剂 对 聚 氨 酯 泡 沫 的 表 面 改性 作 用 有 限 ，使 水 基 浆料 与 有 机 表 面 的 润 湿 性 没 有 ,得 到很 好 的改 善 ，二 是 , ,处 理 后 有 机 泡沫 部 分 孔 隙 由 于其 粘 度 和 表 面 张力 的 因 素形 成 了 图 , 不 同 表 面 改 性 剂 处 理 后 有 机 泡 沫 挂 浆 后 素 坯 照 片 , ,, , , , , , , , , , ,, ,,; , , ,, (, , , , , , ,, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,, , , , , — ,, ,, , , , , , , , , , , , , ; ; , ,, , ,,, , ,, , , ,,, ; , , , ,, , ,, () , ,, ( ) ,,, ,, () ,,, , , , ; , , ,, , , ,; , , ,, ,, , , ; , , ,, , , ,, , , , () , ,, , ,; , (), , ,, , , , , , , ,, ,,, , 表 , 不 同表面活 性剂处 理 的素 坯孔筋 直 径和泡 沫陶 瓷 的力学 性能 , ,, ,, , ,, , ,,,, ,,,, ,,,, , , , ,, , ,,, ,, ,,, ;,, ,,,, , , ,, , ,, , , , , ,,, , , ,,, ,, ,, ,, , ,,,,, ,;, ,;, ,, ,,,,, ,,,, , , , ,,, ,;,,,, ,, ;,, ,, ,, , ,,, ,,,, , , ,,,, ,, ,,,, ,,, , ; ; 如 () ，堵 孔 ( 图 ,, 所 示) 这 种结 构 的形 成部 分 阻 碍 了 浆 料进 入 泡 沫 的 内部 ，造 成 挂浆 结 构 的.