[摘要]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)上的需求，多孔材料的研究、制備及應(yīng)用已有很大的進(jìn)展和深入。本實(shí)驗(yàn)主要研究多孔材料表面涂層方法，使涂層后的材料表面改變微孔直徑，親水性和疏水性及表面強(qiáng)度等性能。學(xué)生通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，了解了多孔玻璃制備技術(shù)及表面處理，提高了創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力，為學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新性人才提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

[關(guān)鍵詞]多孔材料，表面涂層，實(shí)驗(yàn)分析

[中圖分類號(hào)]TQ327[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

1實(shí)驗(yàn)背景

近幾年，多孔材料的研究、制備及應(yīng)用得到了很大的發(fā)展，因?yàn)槠湎鄬?duì)于普通密實(shí)材料具有密度小、質(zhì)量輕、比表面積大、阻尼性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此微孔材料憑借其優(yōu)異的物理、力學(xué)性能已經(jīng)成為一種優(yōu)秀的工程材料，具有功能和結(jié)構(gòu)的雙重屬性，是一類具有巨大應(yīng)用潛力的功能結(jié)構(gòu)材料。多孔材料的應(yīng)用涉及醫(yī)學(xué)、環(huán)保、冶金、吸振、熱交換、電化學(xué)等諸多領(lǐng)域，是上述領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破不可或缺的關(guān)鍵材料。目前的多孔材料都是玻璃與陶瓷的結(jié)合物，玻璃陶瓷傳統(tǒng)的制作方法是將玻璃與陶瓷的粉末狀物長(zhǎng)時(shí)間加熱共熔而成，這種方法能耗高、工藝復(fù)雜，制備出來(lái)的多孔玻璃材料成本較高、強(qiáng)度低，而且孔徑大，限制了多孔材料的推廣。因此，表面涂層使多孔玻璃性能得到充分改善，尤其是對(duì)多孔玻璃管強(qiáng)度的提高和微孔直徑的控制起到了關(guān)鍵性的作用。主要的涂層技術(shù)有表面強(qiáng)化、電化學(xué)鍍膜、化學(xué)與物理氣相沉積和電弧噴涂等。目前以玻璃或玻璃陶瓷粉末為原料進(jìn)行燒結(jié)的研究工作都是為了獲得致密的微晶材料，而用燒結(jié)法制備多孔玻璃陶瓷的研究較少，而且表面強(qiáng)度低孔徑難以控制，已經(jīng)成為需要解決的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)掌握第一手資料。

2多孔玻璃實(shí)驗(yàn)制備

2.1多孔玻璃的制備原理

本實(shí)驗(yàn)采用粉末燒結(jié)法制備多孔玻璃。燒結(jié)，也叫燒成，是粉末冶金工藝中最重要的工序，是指在高溫作用下，坯體發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，由松散狀態(tài)逐漸致密化，且機(jī)械強(qiáng)度大大提高的過(guò)程。物理化學(xué)變化，有機(jī)物的揮發(fā)、坯體內(nèi)應(yīng)力的消除、氣孔率的減少；燒結(jié)氣氛作用下粉末顆粒表明氧化物的還原、原子的擴(kuò)散、黏性流動(dòng)和塑性流動(dòng)；燒結(jié)后期還可能出現(xiàn)二次再結(jié)晶過(guò)程和晶粒長(zhǎng)大等；生成液相時(shí)，還可能發(fā)生固相的溶解與析出。燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力，一般為體系的表面能和缺陷能，燒結(jié)實(shí)際上是體系表面能和缺陷能降低的過(guò)程，通常體系能量的降低靠的是高溫?zé)崮芗せ钕碌奈镔|(zhì)傳遞過(guò)程，燒結(jié)的原動(dòng)力是燒結(jié)頸部與粉末顆粒其他部位之間存在化學(xué)位差。表面張力造成的一種機(jī)械力，垂直作用于燒結(jié)勁曲面上，使燒結(jié)勁向外擴(kuò)大，最終形成孔隙網(wǎng)。過(guò)?？瘴粷舛忍荻葘⒁馃Y(jié)勁表面下微笑區(qū)域內(nèi)的空位向粉末顆粒內(nèi)擴(kuò)散，從而造成原子在反方向上的遷移，使頸部得以長(zhǎng)大。

2.2多孔玻璃的實(shí)驗(yàn)制備

將未處理過(guò)的玻璃粉末化學(xué)組分（見(jiàn)表1）放置于DZF-6000真空干燥箱內(nèi)12小時(shí)，溫度設(shè)置于比室溫略高的溫度50℃。研磨采用QM-3SP2行星式球磨機(jī)，將干燥完畢的玻璃粉末放置于250 ml的陶瓷球磨罐中，其中放置100個(gè)Ф6和25個(gè)Ф10的磨球，球磨1h，繼續(xù)放置干燥箱內(nèi)干燥12h，備用。將球磨好的粉末過(guò)篩，篩出目數(shù)分別為200目～300目的玻璃粉末、150目～100目的玻璃粉末、80目～100目的玻璃粉末，50目～100目的玻璃粉末、AL粉200目，干燥，放置備用。

干燥完畢后，取出粉末，在精密電子天平上稱重5.00 g，再將其倒入研缽中加適（微）量的水，進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆?。然后倒入壓制器中，晃?dòng)使其在壓制器底部?jī)?nèi)均勻分布。蓋上壓制塞，放置壓力機(jī)下，調(diào)節(jié)壓力機(jī)壓力至8 000 N左右，對(duì)粉末狀原材料進(jìn)行壓制（為控制變量，因此統(tǒng)一規(guī)定壓鑄壓力為8 000 N，具體操作可能會(huì)有誤差）。

壓制完成后，小心取出此時(shí)已經(jīng)基本定型為片狀的多孔玻璃基體，將其放入與保溫箱配套的承裝容器中，放入程控箱式電爐內(nèi)進(jìn)行最終玻璃成型的熱處理工藝。

箱式電爐中放入100目的壓制完畢后的片狀多孔玻璃。控制程控箱式電爐注意此時(shí)統(tǒng)一加熱速度為2℃/min，加熱溫度630℃和保溫時(shí)間6 h下處理，最后得到多孔玻璃的成品。

3表面涂層設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法

3.1實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)主要討論兩種表面涂層對(duì)微孔玻璃的孔徑和親水性的影響，兩種表面涂層的試劑分別如下：

1號(hào)試劑：體積分?jǐn)?shù)分別為50%的聚乙烯和乙醇相互溶解，為一號(hào)試劑。

2號(hào)試劑：體積分?jǐn)?shù)為20%的硅烷偶聯(lián)劑，72%的乙醇以及8%的水相互溶解，為二號(hào)試劑。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用上海休瑪噴涂機(jī)械有限公司生產(chǎn)制造的XM-400型電弧噴涂設(shè)備，其工作原理是：利用2根連續(xù)進(jìn)給的帶不同電荷的金屬絲碰撞，產(chǎn)生短路電弧，由電弧產(chǎn)生的高熱能融化金屬絲，然后由高速壓縮空氣將熔融狀態(tài)的金屬絲霧化為微細(xì)金屬顆粒并加速噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的工件表面，牢固黏結(jié)形成理想的涂層，涂層厚度范圍為0.01-3 mm。XM-400型電弧噴涂設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：

1.輸入電源：380 V/50Hz；2.輸出功率：18 kw；3.輸出最大電流：400 A；4.輸出空載電壓：18-45V；5.特性：平特性；6.空氣壓力：≥0.5 Mpa；7.絲材直徑：Φ1.2-3.0 mm；8.重量：180 kg；9.外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：660×460×850 mm；10.噴涂效率：Φ2 mm鋅絲20kg/h，Φ3.0 mm鋅絲30 kg/h。

3.2表面涂層實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法一：聚乙烯是乙烯經(jīng)聚合制得的一種熱塑性樹(shù)脂。聚乙烯無(wú)臭，無(wú)毒，手感似蠟，化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿的侵蝕（不耐具有氧化性質(zhì)的酸），常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，熔點(diǎn)在130～150℃之間，是一種良好成本低的分離膜材料。其疏水性、耐熱性、易于制備等特點(diǎn)，使之成為疏水性膜的較好材料，其步驟如下：

首先將定量的聚乙烯和適量的無(wú)水乙醇充分混合攪拌均勻和多孔玻璃表面清潔處理后，將多孔膜管浸入制備好的溶液中，15分鐘后均勻地刮去多孔膜管表面多余的液體，然后放入烘箱中進(jìn)行120-130攝氏度熱處理，得到白色的疏水性涂層。

實(shí)驗(yàn)方法二：硅烷偶聯(lián)劑kh-560是一種無(wú)色透明的液體，溶于醇、丙酮和在5%以下的正常使用水平溶于大多數(shù)脂肪族酯。用硅烷偶聯(lián)劑處理親水膜使之膜表面呈疏水性，可以通過(guò)提拉法或通過(guò)浸泡的方法改善膜表面的性能，如將親水膜浸泡在油中以增強(qiáng)表面疏水性，方法如下：

正硅酸乙酯為基體，無(wú)水乙醇1：20為溶劑，在堿性催化的條件下，制備出二氧化硅溶液，并加入5wt%的硅烷偶聯(lián)劑，對(duì)其進(jìn)行改性處理。多孔玻璃表面清潔處理后，浸入改性的二氧化硅溶液中進(jìn)行提拉法鍍膜，然后放入烘箱中進(jìn)行100-120攝氏度熱處理，得到透明的疏水性涂層。

將試樣玻璃分為2組，每組2個(gè)，分別編號(hào)為1號(hào)玻璃和2號(hào)玻璃。并用以下方法配置涂層溶液：體積分?jǐn)?shù)分別為50%的聚乙烯和乙醇相互溶解，為1號(hào)試劑；體積分?jǐn)?shù)為20%的硅烷偶聯(lián)劑，72%的乙醇以及8%的水相互攪拌適當(dāng)時(shí)間，使其完全溶解，為2號(hào)試劑。制備好試劑后，進(jìn)行控制變量對(duì)比試驗(yàn)。處理方法如下：

第一組：將1號(hào)微孔玻璃浸入已配置好的1號(hào)試劑中，并且要求完全浸沒(méi)，每隔兩分鐘翻轉(zhuǎn)一次，大約十分鐘后用鑷子取出，并且和同組的未作處理的2號(hào)玻璃一起放入真空干燥箱中，設(shè)置箱內(nèi)溫度為130攝氏度，烘干兩小時(shí)。

第二組：將1號(hào)微孔玻璃浸入已配置好的2號(hào)試劑中，并且要求完全浸沒(méi)，每隔兩分鐘翻轉(zhuǎn)一次，大約10分鐘后用鑷子取出，并且和同組的未作處理的2號(hào)玻璃一起放入真空干燥箱中，設(shè)置箱內(nèi)溫度為130攝氏度，烘干兩小時(shí)。

4表面涂層對(duì)孔徑及性能的影響研究

運(yùn)用顯微鏡觀察法直接觀察表面涂層對(duì)微孔玻璃孔徑的影響，將所要觀察的微孔玻璃樣品放到體式顯微鏡下進(jìn)行觀察。

體式顯微鏡的放大倍數(shù)為物鏡放大倍數(shù)*目鏡放大倍數(shù)，顯微鏡下圖示如下：

第一組：1號(hào)多孔玻璃——該材料是浸沒(méi)在體積分?jǐn)?shù)分別為50%的聚乙烯和乙醇相互溶解的溶液中，2號(hào)多孔玻璃——沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處理。

第二組：1號(hào)多孔玻璃——該材料浸沒(méi)在體積分?jǐn)?shù)為20%的硅烷偶聯(lián)劑，72%的乙醇以及8%的水相互攪拌適當(dāng)時(shí)間，使其完全溶解在溶液中，2號(hào)多孔玻璃——沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處理。

4.1表面涂層對(duì)微孔玻璃孔徑的影響研究

多孔玻璃材料涂層處理與不涂層處理對(duì)微孔孔徑影響較大，涂層處理后，微孔孔徑尺寸均勻，微孔孔徑較小涂層后晶格清晰；不涂層多孔材料孔徑尺寸不均勻，微徑孔徑較大。

4.2表面涂層對(duì)微孔玻璃疏水性的影響研究

分別向第一組、第二組的四塊玻璃上滴上一滴水珠，觀察水珠形態(tài)變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚乙烯涂層比硅烷偶聯(lián)劑涂層疏水性強(qiáng)，表面光滑。

4.3表面涂層多孔玻璃的性能與應(yīng)用

與其他多孔材料相比，多孔玻璃具有以下各種優(yōu)良性能：高度開(kāi)口、內(nèi)連的氣孔；曲折的流程；大的比表面積；室溫及變化溫度下的高強(qiáng)度；低密度；良好的抗熱沖擊性；耐高溫；耐化學(xué)腐蝕；良好的過(guò)濾吸附性能：可作催化劑載體；微生物的固定；反滲透膜特性：微細(xì)發(fā)泡等。

多孔玻璃的性能是由微孔的化學(xué)表面特性和微孔的尺寸特性決定的。決定微孔表面化學(xué)特性的因素有玻璃的組成、狀態(tài)和微孔表面的處理。微孔的尺寸特性中，微孔直徑、分布、形式、比表面積等對(duì)其過(guò)濾、分離性能有很大的影響。不同工藝制備的多孔玻璃其性能有所不同，不同的性能又決定了不同的應(yīng)用方向。例如：利用多孔玻璃的均勻性，可以制作各種過(guò)濾器、分離裝置、流體分布元件、混合元件、滲出元件和節(jié)流元件等；利用多孔玻璃吸收能量的性能，可以用做各種吸聲材料、減震材料等；利用多孔玻璃發(fā)達(dá)的比表面積，可以制成各種多孔電極、催化劑載體、熱交換器、氣體傳感器等；利用多孔玻璃密度低、熱導(dǎo)性能好的特性，可以制成各種保溫材料、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料等。

4.4結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：多孔玻璃通過(guò)表面涂層，改變了微孔孔徑，增加了多孔玻璃表面強(qiáng)度和疏水性，為多孔玻璃性能實(shí)驗(yàn)研究提供了參考價(jià)值。

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