摘 要 本研究通過對軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的表面進(jìn)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(jié)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(jī)物，燃燒時產(chǎn)生氣體從而對坯體的抗壓強(qiáng)度性能產(chǎn)生影響。試驗(yàn)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(qiáng)度最高的泡沫陶瓷產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞 聚氨酯，聚乙烯亞胺，泡沫陶瓷，活化

1 前 言

在生產(chǎn)泡沫陶瓷的諸多工藝中，有機(jī)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(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)[1]。這種特殊結(jié)構(gòu)是過濾材料的一個顯著優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，有機(jī)泡沫浸漬工藝得到了越來越廣泛的應(yīng)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(tài)，泡沫載體質(zhì)量的好壞直接影響著泡沫陶瓷的質(zhì)量，所以泡沫載體的預(yù)處理作為一項(xiàng)重要工序應(yīng)該得到足夠的重視。已有研究顯示[3～6]：工業(yè)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(jìn)行水解處理可以除去載體上的網(wǎng)絡(luò)間膜；經(jīng)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(nèi)幾乎還是空白。

為了完善有機(jī)泡沫浸漬工藝，提高產(chǎn)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(yàn)過程

泡沫陶瓷的制備工藝流程如圖1所示。

主要原料：軟質(zhì)聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料（PPI:10）、工業(yè)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(guī)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(yè)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(wǎng)絡(luò)間膜通常不規(guī)則地存在于泡沫載體的表面和內(nèi)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(biāo)記，然后投入40%的NaOH溶液中，加熱到60℃，進(jìn)行水解處理。每隔半小時觀察一次做標(biāo)記處的間膜的情況，將試驗(yàn)結(jié)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(jīng)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(jī)吹開被活化劑堵住的孔。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，將處理過的和未經(jīng)處理的泡沫載體分組進(jìn)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(fā)氣、發(fā)氣高峰、發(fā)氣低谷和完全燃燒的溫度。實(shí)驗(yàn)表明，泡沫載體在220℃時開始發(fā)黑軟化；240℃時開始有少量煙氣產(chǎn)生；300℃左右有大量煙氣產(chǎn)生，保溫一段時間變得不明顯；400℃以后沒有明顯的煙氣產(chǎn)生，但坩堝中仍有大量殘余物質(zhì)；600℃以后，坩堝中沒有殘余物，載體完全燃燒。燒結(jié)工藝見圖2。

3 結(jié)果與討論

3.1 增大孔洞直徑處理的結(jié)果分析

使用工業(yè)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(yàn)表明，隨著在工業(yè)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(yè)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)間膜除去的結(jié)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(yàn)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(yàn)表明，用40%的NaOH溶液對聚氨酯泡沫進(jìn)行水解處理可以取得良好的效果。根據(jù)觀察，水解處理2h以后，較薄的網(wǎng)絡(luò)間膜和棱上的毛刺可以有效除去。如果超過3h，會出現(xiàn)部分棱變細(xì)的情況，時間過長時甚至?xí)霈F(xiàn)斷棱。所以，為了不破壞載體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(qiáng)度分析

為了準(zhǔn)確測量泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)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(jié)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)證明，除間膜的處理可以減少泡沫陶瓷產(chǎn)品的堵孔，卻對產(chǎn)品的強(qiáng)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(bǔ)。雖然9組試樣的強(qiáng)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(yōu)于其它各組。說明活化這一環(huán)節(jié)，活化劑的濃度至關(guān)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(jī)物揮發(fā)期發(fā)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(tài)的比較。可以看到，試樣5掛漿比較均勻，沒有發(fā)現(xiàn)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(jī)物，致使燒結(jié)時在有機(jī)物揮發(fā)階段發(fā)氣比較劇烈，坯體內(nèi)部壓強(qiáng)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(fā)生塑性變形，在孔洞還沒有被壓實(shí)前骨架就已經(jīng)斷裂，試件的頂部（與墊片接觸處）首先被壓碎。這是因?yàn)檫@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(qiáng)度時，便發(fā)生脆性斷裂[11]。骨架的變形主要由局部斷裂產(chǎn)生，骨架的局部斷裂形成裂紋，隨著壓力增大裂紋逐漸擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)，當(dāng)壓縮應(yīng)力達(dá)到一定值時，負(fù)載的陶瓷網(wǎng)絡(luò)即將斷裂時，力很快傳遞到另外的某些陶瓷網(wǎng)絡(luò)上，如此不斷地傳遞直到所有的網(wǎng)絡(luò)斷裂[12]。因此其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為不斷波動的曲線。

4 結(jié) 論

（1） 用工業(yè)酒精進(jìn)行浸漬對聚氨酯泡沫載體進(jìn)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(jìn)行水解處理除去網(wǎng)絡(luò)間膜的最佳時間為2h；

（2） 對泡沫載體進(jìn)行活化處理的方法是讓載體表面均勻地附著一層PEI?；罨旱臐舛纫?.4%左右為最好。PEI既是活化劑，本身又是有機(jī)物。濃度小時不能達(dá)到良好的活化效果，濃度過大又會由于引入大量的有機(jī)物而使坯體燒結(jié)過程中有機(jī)物揮發(fā)階段發(fā)氣劇烈，使得坯體開裂；

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

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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