泡沫載體的表面處理對泡沫陶瓷性能的影響

摘 要 本研究通過對軟質聚氨酯泡沫塑料的表面進行處理，改善了泡沫陶瓷的性能。用濃度為2.4%的聚乙烯亞胺（PEI）溶液加以活化，可以使聚氨酯泡沫載體更好地和陶瓷漿料結合。聚乙烯亞胺既可以活化聚氨酯表面使其具有親水性，同時又因其為有機物，燃燒時產生氣體從而對坯體的抗壓強度性能產生影響。試驗證明，用濃度為2.4%的聚乙烯亞胺活化處理泡沫載體可以得到抗壓強度最高的泡沫陶瓷產品。

關鍵詞 聚氨酯，聚乙烯亞胺，泡沫陶瓷，活化

1 前 言

在生產泡沫陶瓷的諸多工藝中，有機泡沫浸漬工藝是制備高氣孔率(70～90%)多孔陶瓷的一種有效工藝，且此工藝制備的多孔陶瓷具有開孔三維網狀骨架結構[1]。這種特殊結構是過濾材料的一個顯著優點[2]。因此，有機泡沫浸漬工藝得到了越來越廣泛的應用。

目前，該工藝的研究還主要圍繞在泡沫陶瓷的漿料配方和燒成制度等方面。其泡沫載體決定著泡沫陶瓷的形態，泡沫載體質量的好壞直接影響著泡沫陶瓷的質量，所以泡沫載體的預處理作為一項重要工序應該得到足夠的重視。已有研究顯示[3～6]：工業酒精的浸泡有增大聚氨酯泡沫載體孔洞直徑的效果；用氫氧化鈉溶液對聚氨酯泡沫載體進行水解處理可以除去載體上的網絡間膜；經常作為漿料添加劑使用的聚乙烯亞胺（PEI）可以用來活化泡沫載體表面以提高載體的親水性。目前前兩種方法的研究還僅處于定性的階段，活化處理在國內幾乎還是空白。

為了完善有機泡沫浸漬工藝，提高產品性能，對泡沫載體表面處理工藝做深入研究具有重要意義。鑒于此，本文從宏觀的角度分析了泡沫載體表面處理對泡沫陶瓷性能的影響。

2 試驗過程

泡沫陶瓷的制備工藝流程如圖1所示。

主要原料：軟質聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料（PPI:10）、工業酒精、NaOH和聚乙烯亞胺（PEI）。為研究聚乙烯亞胺（PEI）的活化效果，選用典型的水性漿料配方，漿料的原料配比如表1所示。

其中添加劑1與水的配比為1:4，添加劑2的濃度為2%。SiC、粘土均過260目篩。將聚氨酯泡沫按照40mm×40mm×19mm的規格裁成若干塊，選出其中5塊分別編號為A、B、C、D、E，試樣A不做處理，B、C、D、E試樣放入工業酒精中分別浸泡1h、2h、3h和4h。

接著除去泡沫載體上的間膜。載體的網絡間膜通常不規則地存在于泡沫載體的表面和內部。為便于觀察，將試樣C表面具有代表性的間膜用紅色塑料紙做好標記，然后投入40%的NaOH溶液中，加熱到60℃，進行水解處理。每隔半小時觀察一次做標記處的間膜的情況，將試驗結果記錄拍攝下來。

配置的聚乙烯亞胺溶液濃度分別為：1%、1.5%、2.4%、3%、4%、4.5%和5%（飽和）。將經過增大孔徑和除間膜處理的泡沫載體分成7組分別放入不同濃度的聚乙烯亞胺中擠壓、揉捏，使其充分吸收活化劑。再擠出多余的活化劑，用空氣壓縮機吹開被活化劑堵住的孔。

根據實驗的需要，將處理過的和未經處理的泡沫載體分組進行吸漿成形。其分組方式如表2所示。

將幾塊處理好的載體，盛在高溫坩堝里并放入電阻爐中加熱。分別記下軟化、起始發氣、發氣高峰、發氣低谷和完全燃燒的溫度。實驗表明，泡沫載體在220℃時開始發黑軟化；240℃時開始有少量煙氣產生；300℃左右有大量煙氣產生，保溫一段時間變得不明顯；400℃以后沒有明顯的煙氣產生，但坩堝中仍有大量殘余物質；600℃以后，坩堝中沒有殘余物，載體完全燃燒。燒結工藝見圖2。

3 結果與討論

3.1 增大孔洞直徑處理的結果分析

使用工業酒精浸泡前后載體的尺寸及回彈能力比較如表3所示。

試驗表明，隨著在工業酒精中浸泡時間的延長，泡沫載體的孔洞直徑會增加。但是時間以2h為宜，時間過短（如試樣B所示）效果不是很明顯；時間過長（如試樣D和E）泡沫載體的回彈性降低，影響吸漿成形時的回彈。所以，試樣C的處理方案較佳。試樣C在處理前后與試樣A的大小比較見圖3、圖4。試樣A和C 原本大小相同，將試樣C放入工業酒精中浸泡2h后，其尺寸漲大了大約1/5，載體的PPI降到了8個左右。故可以使用這種方法得到PPI略大的載體；對于PPI合適的載體，在不影響產品要求的情況下也可以使用該方法略微增大孔洞直徑使載體能夠更好地吸漿成形。

3.2 網絡間膜除去的結果分析

圖6、圖7所示的是試樣C上幾處明顯的間膜的處理情況。為便于觀察，試驗前把紅色的塑料紙穿過要觀察的間膜下部，起襯托的作用。試驗表明，用40%的NaOH溶液對聚氨酯泡沫進行水解處理可以取得良好的效果。根據觀察，水解處理2h以后，較薄的網絡間膜和棱上的毛刺可以有效除去。如果超過3h，會出現部分棱變細的情況，時間過長時甚至會出現斷棱。所以，為了不破壞載體的網絡結構和使載體保持良好的回彈性能，較厚的間膜不易除去。

3.3 抗壓強度分析

為了準確測量泡沫陶瓷的抗壓強度，制作了一個直徑為20mm的金屬墊片，這樣各組試樣受力面積相同便于比較。測試結果如表4所示。

如表所示，活化劑濃度為2.4%的試樣5的最大抗壓強度最高。試樣1和試樣2雖都未做活化處理，但試樣2的抗壓強度略低于試樣1，其原因在于試樣1的堵孔比試樣2多。事實證明，除間膜的處理可以減少泡沫陶瓷產品的堵孔，卻對產品的強度有一定影響[7～8]。但這種影響完全可以通過活化處理來彌補。雖然9組試樣的強度普遍不高，但在其它條件完全相同的情況下，試樣5的抗壓性能明顯優于其它各組。說明活化這一環節，活化劑的濃度至關重要，活化劑濃度過低則活化效果不明顯，活化劑濃度過高時，有機物揮發期發氣劇烈，使得坯體開裂影響性能。

圖8是試樣5與試樣9的表面形態的比較。可以看到，試樣5掛漿比較均勻，沒有發現破損的棱。而試樣9的表面掛漿很不均勻且棱上有明顯的裂痕。造成裂痕的原因在于活化劑濃度過高，引入了大量的有機物，致使燒結時在有機物揮發階段發氣比較劇烈，坯體內部壓強急劇增高，氣體沖破了載體上附著的陶瓷壁。試樣5的抗壓曲線如圖9所示。

由圖9可見：泡沫陶瓷材料在受壓縮變形直到斷裂的全過程中沒有發生塑性變形，在孔洞還沒有被壓實前骨架就已經斷裂，試件的頂部（與墊片接觸處）首先被壓碎。這是因為這種泡沫陶瓷的骨架為陶瓷，是一種脆性材料[9～10]。受到壓縮時，隨著外加荷載的增加，骨架所承受的力超過其斷裂強度時，便發生脆性斷裂[11]。骨架的變形主要由局部斷裂產生，骨架的局部斷裂形成裂紋，隨著壓力增大裂紋逐漸擴展形成通裂紋，試件被破壞。由于在某一瞬間承受荷載的只是某一截面上的某些陶瓷網絡，當壓縮應力達到一定值時，負載的陶瓷網絡即將斷裂時，力很快傳遞到另外的某些陶瓷網絡上，如此不斷地傳遞直到所有的網絡斷裂[12]。因此其應力-應變曲線表現為不斷波動的曲線。

4 結 論

（1） 用工業酒精進行浸漬對聚氨酯泡沫載體進行增大孔洞直徑的處理和用濃度為40%的NaOH溶液在60℃下對泡沫載體進行水解處理除去網絡間膜的最佳時間為2h；

（2） 對泡沫載體進行活化處理的方法是讓載體表面均勻地附著一層PEI。活化液的濃度以2.4%左右為最好。PEI既是活化劑，本身又是有機物。濃度小時不能達到良好的活化效果，濃度過大又會由于引入大量的有機物而使坯體燒結過程中有機物揮發階段發氣劇烈，使得坯體開裂；

（3） 聚氨酯泡沫載體在240℃左右開始發氣，300℃左右發氣出現高峰，直到600℃有機物才能完全揮發。600℃以前的坯體強度很低，容易受到有機物發氣的影響，所以升溫速度一定要慢。

參考文獻

1 房文斌.過濾對球墨鑄鐵流動過程及力學性能影響的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學工學博士學位論文，2001，1～6

2 Grote R E.Use of ceramic foam filters in the production of steel castings[A].Proceedings of AFS Seminar Filtration of FerrousMetals[C].1985.13～14

3 王耀明.多孔陶瓷及其應用[J].河北陶瓷，1988，12（3）:12～14

4 Casfledine T J. Use of filter materials in gating systems[J]..Foundry Trade Journal， 1985，6(6)：15～21

5 Khan P R，Su W M.Flow of ductile iron through ceramic filters and the effects on the dross and fatigue properties[J].AFS Trans actions[J].1987，(95):105～112

6 Hack J A，Clark H，Child N.The filteration of steel castings[J].The Foundryman，1990，9(4):183

6 王連星等.多孔陶瓷材料[J].硅酸鹽通報，1998，(1):41

7 殷聲等.MgO部分穩定ZrO2泡沫陶瓷的研究[J].硅酸鹽通報，1994，15(4):32

8 韓永生，李建民，魏強民.多孔陶瓷材料應用及制備的研究進展[J].材料導報，2002，16 （3）：262～269

9 Fortini Arthur J.Open-cell silicon foam for ultra2 lightweight mirrors[J].SPIE，1999，3786:440～446

10 Jacoby Marc T，Montgomery IV Edward E，Fortini Arthur J，et al.Design，fabrication and testing of lightweight silicon mirrors[J].SPIE 1999，3786:460～467

11王 斌，何德坪，舒光翼.泡沫Al合金的壓縮性能及其能量吸收[J].金屬學報，2000，36(10):1037～1040

Influence of Foam Carrier Surface Treatment on Performance of Foam Ceramics

Zhao Nengwei1 Liu Linyan2

(1College of Materials Science and Technology Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjingJiangsu 210016 2 College of Materials Science and EngineeringWuhan University of TechnologyWuhanHubei 430070）

Abstract: The performance of foam ceramics was improved by surface treatment of the flexible urethane cellular plastic. The surface of the urethane cellular was mobilized in PEI with consistency of 2.4%， and the urethane foam carrier could be combined with the slurry completely. PEI could not only mobilize the surface of urethane which made the surface of urethane possess hydrophilic property， but also produce gas of organic matter while burning， which affected its dynamic function. The experiments showed that using PEI with consistency of 2.4% to mobilize the foam could get foam ceramic product with high quality.

Keywords： urethane， PEI， foam ceramics， mobilization