聚氨酯海绵表面改性对Ti2AlN多孔陶瓷挂浆量的影响

王　刚 何　雄 杨　熠 尚珊珊 严　明

(1湖北工业大学，武汉 430068；2武汉生物工程学院，武汉 430415；3武汉理工大学，武汉 430070)

聚氨酯海绵表面改性对Ti2AlN多孔陶瓷挂浆量的影响

王刚1,2何雄1,3杨熠1尚珊珊1严明1

(1湖北工业大学，武汉 430068；2武汉生物工程学院，武汉 430415；3武汉理工大学，武汉 430070)

摘要:利用有机泡沫浸渍法制备Ti2AlN多孔陶瓷，研究了聚氨酯海绵表面改性对陶瓷挂浆量的影响。通过对不同浓度的NaOH预处理后的海绵增重、坯体堵孔率分析表明，浓度为15 %的NaOH对聚氨酯海绵的挂浆量最好；扫描电镜研究发现，聚氨酯海绵用15% NaOH溶液浸泡4h之后，再用羧甲基纤维素(CMC)预处理24h，海绵挂浆效果最佳。

关键词:聚氨酯海绵；多孔陶瓷；有机泡沫浸渍法；Ti2AlN 表面改性

三维网状多孔陶瓷是一种具有高气孔率的陶瓷，气孔相互贯通，是一种重要的功能材料。该类陶瓷能被广泛应用于过滤，特别是熔融金属过滤、高温烟气处理，固体热交换器，催化剂载体，多孔燃烧器等[1,2]。制备多孔陶瓷的制备方法有很多种，包括有机泡沫浸渍法、发泡法、溶胶凝胶法等[3~6]，相关研究研究人员也分别选用不同的方法进行了相关研究[7~10]。本文利用有机泡沫浸渍法制备Ti2AlN多孔陶瓷。该方法是制备高气孔率多孔陶瓷的有效方法[11]，具有工艺简单、操作方便、制造成本低等优点，具有非常广阔的发展空间[12]。有机泡沫材料(如聚氨酯、胶乳和聚丙乙烯等)一般都是经特定工艺制作的聚合海绵，其中聚氨酯海绵具有低的软化温度，能在挥发排除中避免热应力破坏，从而能确保坯体安全，保证了制品的强度，因此在实际应用中有更多的应用。

本文用浓度分别为10%,15%,20%的NaOH溶液研究NaOH溶液对聚氨酯海绵挂浆量的影响，还通过三组实验(未处理的聚氨酯海绵、用15%NaOH处理的聚氨酯海绵和15%NaOH处理后再用羧甲基纤维素(CMC)处理的聚氨酯海绵)研究聚氨酯海绵表面改性对陶瓷挂浆量的影响，以确定最佳的表面改性条件，为后期无压浸渗工艺制备陶瓷金属基复合材料打下基础。

1 实验部分

1.1 原料

本文选用的聚氨酯海绵(佛山泡沫陶瓷厂；开口气孔率>99%)孔径尺寸约为1.0mm。购置于国药集团化学试剂有限公司的聚丙烯酰胺(纯度≥99.0%)为分散剂，聚乙烯醇(纯度≥99.0%)为粘结剂，无水乙醇为消泡剂。羧甲基纤维素(CMC；国药集团化学试剂有限公司)为流变剂，同时CMC和氢氧化钠溶液(天津市化学试剂工厂)作为表面改性剂。

1.2 聚氨酯海绵的预处理

先将聚氨酯海绵裁成正方体，然后将其置于蒸馏水中反复清洗，晾干。为提高多孔陶瓷的通孔率，增加多孔陶瓷的挂浆量，在浸渍前需对海绵进行相关预处理。有机泡沫先经过10%~30%NaOH预处理后，再经过4%的缩甲基纤维素CMC预处理，当料浆中分散剂采用羧甲基纤维素CMC时，能够促使挂浆均匀、最后得到非常好的成孔质量，因此我们主要探讨用碱液水解处理和聚氨酯海绵表面改性对海绵进行预处理。

(1)不同浓度NaOH溶液下聚氨酯海绵的水解处理研究

配置浓度为10%,15%,20%的NaOH溶液，然后将剪裁好尺寸的聚氨酯海绵分别浸入对应的NaOH溶液中，50℃下处理6h后取出，用蒸馏水冲洗干净，自然干燥，随后进行挂浆处理。最后除去多余浆料后干燥，称量其挂浆后的增重量进行差量分析。

(2)聚氨酯海绵的表面改性研究

配置浓度为4%的羧甲基纤维素(CMC)溶液，然后将15%NaOH处理后的聚氨酯海绵浸泡在CMC中，24h后取出，在空气中自然干燥。与没有做任何处理的海绵和仅用15%NaOH溶液处理的海绵，进行SEM显微形貌分析对比研究。

1.3　陶瓷浆料的制备

本文将制备好的Ti2AlN粉末放入球磨机中球磨1h，使粉末颗粒达到制备浆料所需的要求。配置固含量为60%的Ti2AlN浆料，浆料中的的分散剂、流变剂、消泡剂的加入量均为2%,0.5%,0.5%，采用蒸馏水作为溶剂，然后将浆料用恒温磁力搅拌器搅拌3h，此时浆料具有良好的流动性和稳定性。

2 结果与讨论

2.1 海绵的NaOH溶液水解处理对陶瓷挂浆量的影响

研究不同浓度的NaOH溶液预处理的聚氨酯海绵，挂浆前后海绵的重量和坯体堵孔率，得出相应数据图如图1所示。

由图1可知，挂浆量随NaOH浓度的增加而增加。当NaOH浓度为10%时，由于海绵水解度小，海绵表面的粗糙度小，因此海绵孔径上挂浆量少，从而易导致在烧制过程中，由于浆料过少、强度较低，出现坍塌的现象，另外由于水解度小，海绵的网络间膜未完全水解，导致坯体堵孔率大；当NaOH浓度为15%时，海绵的增重量明显增加，且坯体堵孔率明显减小；NaOH浓度为20%的时候挂浆量继续增加，但堵孔率大幅上升。综合分析确定浓度为15%的NaOH的处理的海绵挂浆量最好。

图1　浓度分别为10%,15%,20%的NaOH溶液处理聚氨酯海绵对挂浆量的影响

2.2　海绵的表面活性处理对陶瓷挂浆量的影响

聚氨酯海绵与水基浆料的相容性和附着力都比较差，制得的陶瓷浆料一般需要有机泡沫难以被充分润湿，结果导致挂浆不均匀、挂浆量低，制得的多孔陶瓷易存在很多缺陷。为改善聚氨酯海绵与水基浆料之间的粘附性和润湿性，增添海绵的挂浆厚度，我们着力探讨了对聚氨酯海绵的表面预处理的最佳条件。选用NaOH碱液处理、表面活性剂处理的方法。对未处理的聚氨酯海绵、15%NaOH处理的聚氨酯海绵和经15%NaOH处理后再用羧甲基纤维素(CMC)处理的聚氨酯海绵分别作扫描电镜分析，得到相应的SEM图像如图2、3和4所示。

图2　未处理的聚氨酯海绵的SEM

图3 15%NaOH处理后的聚氨酯海绵的SEM

图4　15%NaOH处理后再用CMC处理的聚氨酯海绵的SEM

由图2(a)可以看出海绵的网络间膜很明显，图2(b)看出孔径的表面光滑，这些对浆料的附着量和附着强度都不利，故浆料的附着量很少，并且附着后的强度很小。由图3(a)可以看出表面比较清晰且网络间膜都已水解，图3(b)表面变得粗糙平整，并且其亲水性能基本没变。由图4可以看出表面上粘有很多白色覆盖物，这些白色物质为亲水性好的CMC，因而可以明显的增加浆料的附着量并提高附着强度。

总结比较表如下表1所示：

表1　聚氨酯海绵表面处理的比较

因此，选用15%NaOH溶液处理后再用羧甲基纤维素(CMC)处理的海绵挂浆厚度最大最适宜用于对聚氨酯海绵进行预处理。

3 结论

(1)经浓度为15%的NaOH溶液预处理的聚氨酯海绵挂浆量较高，且坯体堵孔率最小。

(2)用15%NaOH溶液预处理聚氨酯海绵之后，再用羧甲基纤维素(CMC)预处理的聚氨酯海绵挂浆厚度最大。

参考文献

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[2]张淑会,薛向欣,姜涛,等.多孔陶瓷的应用、制备及进展[J].材料导报, 2004, 18(12): 14-18.

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[11]朱新文,江东亮.有机泡沫浸渍工艺一种经济实用的多孔陶瓷制备工艺[J].硅酸盐通报, 2000,(3): 45-51.

[12]刘珩,安黛宗,萧劲东.多孔陶瓷的制备和应用研究进展[J].江苏陶瓷, 2003, 36(4): 9-12.

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

作者简介：王刚(1983~)，男，硕士.主要从事先进陶瓷材料的研究.

基金项目：国家自然科学基金项目(50302073)，湖北省教育厅科研项目计划(Q20121407).