聚氨酯海綿表面改性對Ti2AlN多孔陶瓷掛漿量的影響

王　剛 何　雄 楊　熠 尚珊珊 嚴　明

(1湖北工業(yè)大學，武漢 430068；2武漢生物工程學院，武漢 430415；3武漢理工大學，武漢 430070)

聚氨酯海綿表面改性對Ti2AlN多孔陶瓷掛漿量的影響

王剛1,2何雄1,3楊熠1尚珊珊1嚴明1

(1湖北工業(yè)大學，武漢 430068；2武漢生物工程學院，武漢 430415；3武漢理工大學，武漢 430070)

摘要:利用有機泡沫浸漬法制備Ti2AlN多孔陶瓷，研究了聚氨酯海綿表面改性對陶瓷掛漿量的影響。通過對不同濃度的NaOH預處理后的海綿增重、坯體堵孔率分析表明，濃度為15 %的NaOH對聚氨酯海綿的掛漿量最好；掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯海綿用15% NaOH溶液浸泡4h之后，再用羧甲基纖維素(CMC)預處理24h，海綿掛漿效果最佳。

關(guān)鍵詞:聚氨酯海綿；多孔陶瓷；有機泡沫浸漬法；Ti2AlN 表面改性

三維網(wǎng)狀多孔陶瓷是一種具有高氣孔率的陶瓷，氣孔相互貫通，是一種重要的功能材料。該類陶瓷能被廣泛應用于過濾，特別是熔融金屬過濾、高溫煙氣處理，固體熱交換器，催化劑載體，多孔燃燒器等[1,2]。制備多孔陶瓷的制備方法有很多種，包括有機泡沫浸漬法、發(fā)泡法、溶膠凝膠法等[3~6]，相關(guān)研究研究人員也分別選用不同的方法進行了相關(guān)研究[7~10]。本文利用有機泡沫浸漬法制備Ti2AlN多孔陶瓷。該方法是制備高氣孔率多孔陶瓷的有效方法[11]，具有工藝簡單、操作方便、制造成本低等優(yōu)點，具有非常廣闊的發(fā)展空間[12]。有機泡沫材料(如聚氨酯、膠乳和聚丙乙烯等)一般都是經(jīng)特定工藝制作的聚合海綿，其中聚氨酯海綿具有低的軟化溫度，能在揮發(fā)排除中避免熱應力破壞，從而能確保坯體安全，保證了制品的強度，因此在實際應用中有更多的應用。

本文用濃度分別為10%,15%,20%的NaOH溶液研究NaOH溶液對聚氨酯海綿掛漿量的影響，還通過三組實驗(未處理的聚氨酯海綿、用15%NaOH處理的聚氨酯海綿和15%NaOH處理后再用羧甲基纖維素(CMC)處理的聚氨酯海綿)研究聚氨酯海綿表面改性對陶瓷掛漿量的影響，以確定最佳的表面改性條件，為后期無壓浸滲工藝制備陶瓷金屬基復合材料打下基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 原料

本文選用的聚氨酯海綿(佛山泡沫陶瓷廠；開口氣孔率>99%)孔徑尺寸約為1.0mm。購置于國藥集團化學試劑有限公司的聚丙烯酰胺(純度≥99.0%)為分散劑，聚乙烯醇(純度≥99.0%)為粘結(jié)劑，無水乙醇為消泡劑。羧甲基纖維素(CMC；國藥集團化學試劑有限公司)為流變劑，同時CMC和氫氧化鈉溶液(天津市化學試劑工廠)作為表面改性劑。

1.2 聚氨酯海綿的預處理

先將聚氨酯海綿裁成正方體，然后將其置于蒸餾水中反復清洗，晾干。為提高多孔陶瓷的通孔率，增加多孔陶瓷的掛漿量，在浸漬前需對海綿進行相關(guān)預處理。有機泡沫先經(jīng)過10%~30%NaOH預處理后，再經(jīng)過4%的縮甲基纖維素CMC預處理，當料漿中分散劑采用羧甲基纖維素CMC時，能夠促使掛漿均勻、最后得到非常好的成孔質(zhì)量，因此我們主要探討用堿液水解處理和聚氨酯海綿表面改性對海綿進行預處理。

(1)不同濃度NaOH溶液下聚氨酯海綿的水解處理研究

配置濃度為10%,15%,20%的NaOH溶液，然后將剪裁好尺寸的聚氨酯海綿分別浸入對應的NaOH溶液中，50℃下處理6h后取出，用蒸餾水沖洗干凈，自然干燥，隨后進行掛漿處理。最后除去多余漿料后干燥，稱量其掛漿后的增重量進行差量分析。

(2)聚氨酯海綿的表面改性研究

配置濃度為4%的羧甲基纖維素(CMC)溶液，然后將15%NaOH處理后的聚氨酯海綿浸泡在CMC中，24h后取出，在空氣中自然干燥。與沒有做任何處理的海綿和僅用15%NaOH溶液處理的海綿，進行SEM顯微形貌分析對比研究。

1.3　陶瓷漿料的制備

本文將制備好的Ti2AlN粉末放入球磨機中球磨1h，使粉末顆粒達到制備漿料所需的要求。配置固含量為60%的Ti2AlN漿料，漿料中的的分散劑、流變劑、消泡劑的加入量均為2%,0.5%,0.5%，采用蒸餾水作為溶劑，然后將漿料用恒溫磁力攪拌器攪拌3h，此時漿料具有良好的流動性和穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 海綿的NaOH溶液水解處理對陶瓷掛漿量的影響

研究不同濃度的NaOH溶液預處理的聚氨酯海綿，掛漿前后海綿的重量和坯體堵孔率，得出相應數(shù)據(jù)圖如圖1所示。

由圖1可知，掛漿量隨NaOH濃度的增加而增加。當NaOH濃度為10%時，由于海綿水解度小，海綿表面的粗糙度小，因此海綿孔徑上掛漿量少，從而易導致在燒制過程中，由于漿料過少、強度較低，出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象，另外由于水解度小，海綿的網(wǎng)絡(luò)間膜未完全水解，導致坯體堵孔率大；當NaOH濃度為15%時，海綿的增重量明顯增加，且坯體堵孔率明顯減?。籒aOH濃度為20%的時候掛漿量繼續(xù)增加，但堵孔率大幅上升。綜合分析確定濃度為15%的NaOH的處理的海綿掛漿量最好。

圖1　濃度分別為10%,15%,20%的NaOH溶液處理聚氨酯海綿對掛漿量的影響

2.2　海綿的表面活性處理對陶瓷掛漿量的影響

聚氨酯海綿與水基漿料的相容性和附著力都比較差，制得的陶瓷漿料一般需要有機泡沫難以被充分潤濕，結(jié)果導致掛漿不均勻、掛漿量低，制得的多孔陶瓷易存在很多缺陷。為改善聚氨酯海綿與水基漿料之間的粘附性和潤濕性，增添海綿的掛漿厚度，我們著力探討了對聚氨酯海綿的表面預處理的最佳條件。選用NaOH堿液處理、表面活性劑處理的方法。對未處理的聚氨酯海綿、15%NaOH處理的聚氨酯海綿和經(jīng)15%NaOH處理后再用羧甲基纖維素(CMC)處理的聚氨酯海綿分別作掃描電鏡分析，得到相應的SEM圖像如圖2、3和4所示。

圖2　未處理的聚氨酯海綿的SEM

圖3 15%NaOH處理后的聚氨酯海綿的SEM

圖4　15%NaOH處理后再用CMC處理的聚氨酯海綿的SEM

由圖2(a)可以看出海綿的網(wǎng)絡(luò)間膜很明顯，圖2(b)看出孔徑的表面光滑，這些對漿料的附著量和附著強度都不利，故漿料的附著量很少，并且附著后的強度很小。由圖3(a)可以看出表面比較清晰且網(wǎng)絡(luò)間膜都已水解，圖3(b)表面變得粗糙平整，并且其親水性能基本沒變。由圖4可以看出表面上粘有很多白色覆蓋物，這些白色物質(zhì)為親水性好的CMC，因而可以明顯的增加漿料的附著量并提高附著強度。

總結(jié)比較表如下表1所示：

表1　聚氨酯海綿表面處理的比較

因此，選用15%NaOH溶液處理后再用羧甲基纖維素(CMC)處理的海綿掛漿厚度最大最適宜用于對聚氨酯海綿進行預處理。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)濃度為15%的NaOH溶液預處理的聚氨酯海綿掛漿量較高，且坯體堵孔率最小。

(2)用15%NaOH溶液預處理聚氨酯海綿之后，再用羧甲基纖維素(CMC)預處理的聚氨酯海綿掛漿厚度最大。

參考文獻

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Effects on Ti2AlN Porous Ceramic Hanging Pulp Amountof Polyurethane Sponge Surface Modification

Wang Gang1,2He Xiong1,3Yang Yi1Shang Shanshan1Yan Ming1

(1Hubei University of Technology, Wuhan 430068;2Wuhan Institute of Bioengineering, Wuhan 430415;3Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)

Abstract:Ti2AlN porous ceramics had been prepared by using organic foam impregnation process, and studied the polyurethane sponge surface modification affecting the quantities of hanging ceramic slurry. After pretreatment by different concentrations of NaOH sponge weight gain, body blocking rate analysis showed the best of the concentration of 15 % NaOH to polyurethane sponge hang pulp quantities. Scanning electron microscopy (SEM), the study found the polyurethane sponge soaked with 15 % NaOH solution after 4 hours, then used carboxymethyl cellulose (CMC) pretreatment for 24 hours, sponge hang pulp effect was the best.

Keywords:polymeric sponge; porous ceramics; organic foam impregnation process; Ti2AlN surface modification

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.03.001

作者簡介：王剛(1983~)，男，碩士.主要從事先進陶瓷材料的研究.

基金項目：國家自然科學基金項目(50302073)，湖北省教育廳科研項目計劃(Q20121407).