泡沫载体的表面处理对泡沫陶瓷性能的影响

2019-05-04 版权声明 举报文章

摘 要 本研究通过对软质聚氨酯泡沫塑料的表面进行处理,改善了泡沫陶瓷的性能。用浓度为2.4%的聚乙烯亚胺(PEI)溶液加以活化,可以使聚氨酯泡沫载体更好地和陶瓷浆料结合。聚乙烯亚胺既可以活化聚氨酯表面使其具有亲水性,同时又因其为有机物,燃烧时产生气体从而对坯体的抗压强度性能产生影响。试验证明,用浓度为2.4%的聚乙烯亚胺活化处理泡沫载体可以得到抗压强度最高的泡沫陶瓷产品。

关键词 聚氨酯,聚乙烯亚胺,泡沫陶瓷,活化

1 前 言

在生产泡沫陶瓷的诸多工艺中,有机泡沫浸渍工艺是制备高气孔率(70~90%)多孔陶瓷的一种有效工艺,且此工艺制备的多孔陶瓷具有开孔三维网状骨架结构[1]。这种特殊结构是过滤材料的一个显著优点[2]。因此,有机泡沫浸渍工艺得到了越来越广泛的应用。

目前,该工艺的研究还主要围绕在泡沫陶瓷的浆料配方和烧成制度等方面。其泡沫载体决定着泡沫陶瓷的形态,泡沫载体质量的好坏直接影响着泡沫陶瓷的质量,所以泡沫载体的预处理作为一项重要工序应该得到足够的重视。已有研究显示[3~6]:工业酒精的浸泡有增大聚氨酯泡沫载体孔洞直径的效果;用氢氧化钠溶液对聚氨酯泡沫载体进行水解处理可以除去载体上的网络间膜;经常作为浆料添加剂使用的聚乙烯亚胺(PEI)可以用来活化泡沫载体表面以提高载体的亲水性。目前前两种方法的研究还仅处于定性的阶段,活化处理在国内几乎还是空白。

为了完善有机泡沫浸渍工艺,提高产品性能,对泡沫载体表面处理工艺做深入研究具有重要意义。鉴于此,本文从宏观的角度分析了泡沫载体表面处理对泡沫陶瓷性能的影响。

2 试验过程

泡沫陶瓷的制备工艺流程如图1所示。

主要原料:软质聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料(PPI:10)、工业酒精、NaOH和聚乙烯亚胺(PEI)。为研究聚乙烯亚胺(PEI)的活化效果,选用典型的水性浆料配方,浆料的原料配比如表1所示。

其中添加剂1与水的配比为1:4,添加剂2的浓度为2%。SiC、粘土均过260目筛。将聚氨酯泡沫按照40mm×40mm×19mm的规格裁成若干块,选出其中5块分别编号为A、B、C、D、E,试样A不做处理,B、C、D、E试样放入工业酒精中分别浸泡1h、2h、3h和4h。

接着除去泡沫载体上的间膜。载体的网络间膜通常不规则地存在于泡沫载体的表面和内部。为便于观察,将试样C表面具有代表性的间膜用红色塑料纸做好标记,然后投入40%的NaOH溶液中,加热到60℃,进行水解处理。每隔半小时观察一次做标记处的间膜的情况,将试验结果记录拍摄下来。

配置的聚乙烯亚胺溶液浓度分别为:1%、1.5%、2.4%、3%、4%、4.5%和5%(饱和)。将经过增大孔径和除间膜处理的泡沫载体分成7组分别放入不同浓度的聚乙烯亚胺中挤压、揉捏,使其充分吸收活化剂。再挤出多余的活化剂,用空气压缩机吹开被活化剂堵住的孔。

根据实验的需要,将处理过的和未经处理的泡沫载体分组进行吸浆成形。其分组方式如表2所示。

将几块处理好的载体,盛在高温坩埚里并放入电阻炉中加热。分别记下软化、起始发气、发气高峰、发气低谷和完全燃烧的温度。实验表明,泡沫载体在220℃时开始发黑软化;240℃时开始有少量烟气产生;300℃左右有大量烟气产生,保温一段时间变得不明显;400℃以后没有明显的烟气产生,但坩埚中仍有大量残余物质;600℃以后,坩埚中没有残余物,载体完全燃烧。烧结工艺见图2。

3 结果与讨论

3.1 增大孔洞直径处理的结果分析

使用工业酒精浸泡前后载体的尺寸及回弹能力比较如表3所示。

试验表明,随着在工业酒精中浸泡时间的延长,泡沫载体的孔洞直径会增加。但是时间以2h为宜,时间过短(如试样B所示)效果不是很明显;时间过长(如试样D和E)泡沫载体的回弹性降低,影响吸浆成形时的回弹。所以,试样C的处理方案较佳。试样C在处理前后与试样A的大小比较见图3、图4。试样A和C 原本大小相同,将试样C放入工业酒精中浸泡2h后,其尺寸涨大了大约1/5,载体的PPI降到了8个左右。故可以使用这种方法得到PPI略大的载体;对于PPI合适的载体,在不影响产品要求的情况下也可以使用该方法略微增大孔洞直径使载体能够更好地吸浆成形。

3.2 网络间膜除去的结果分析

图6、图7所示的是试样C上几处明显的间膜的处理情况。为便于观察,试验前把红色的塑料纸穿过要观察的间膜下部,起衬托的作用。试验表明,用40%的NaOH溶液对聚氨酯泡沫进行水解处理可以取得良好的效果。根据观察,水解处理2h以后,较薄的网络间膜和棱上的毛刺可以有效除去。如果超过3h,会出现部分棱变细的情况,时间过长时甚至会出现断棱。所以,为了不破坏载体的网络结构和使载体保持良好的回弹性能,较厚的间膜不易除去。

3.3 抗压强度分析

为了准确测量泡沫陶瓷的抗压强度,制作了一个直径为20mm的金属垫片,这样各组试样受力面积相同便于比较。测试结果如表4所示。

如表所示,活化剂浓度为2.4%的试样5的最大抗压强度最高。试样1和试样2虽都未做活化处理,但试样2的抗压强度略低于试样1,其原因在于试样1的堵孔比试样2多。事实证明,除间膜的处理可以减少泡沫陶瓷产品的堵孔,却对产品的强度有一定影响[7~8]。但这种影响完全可以通过活化处理来弥补。虽然9组试样的强度普遍不高,但在其它条件完全相同的情况下,试样5的抗压性能明显优于其它各组。说明活化这一环节,活化剂的浓度至关重要,活化剂浓度过低则活化效果不明显,活化剂浓度过高时,有机物挥发期发气剧烈,使得坯体开裂影响性能。

图8是试样5与试样9的表面形态的比较。可以看到,试样5挂浆比较均匀,没有发现破损的棱。而试样9的表面挂浆很不均匀且棱上有明显的裂痕。造成裂痕的原因在于活化剂浓度过高,引入了大量的有机物,致使烧结时在有机物挥发阶段发气比较剧烈,坯体内部压强急剧增高,气体冲破了载体上附着的陶瓷壁。试样5的抗压曲线如图9所示。

由图9可见:泡沫陶瓷材料在受压缩变形直到断裂的全过程中没有发生塑性变形,在孔洞还没有被压实前骨架就已经断裂,试件的顶部(与垫片接触处)首先被压碎。这是因为这种泡沫陶瓷的骨架为陶瓷,是一种脆性材料[9~10]。受到压缩时,随着外加荷载的增加,骨架所承受的力超过其断裂强度时,便发生脆性断裂[11]。骨架的变形主要由局部断裂产生,骨架的局部断裂形成裂纹,随着压力增大裂纹逐渐扩展形成通裂纹,试件被破坏。由于在某一瞬间承受荷载的只是某一截面上的某些陶瓷网络,当压缩应力达到一定值时,负载的陶瓷网络即将断裂时,力很快传递到另外的某些陶瓷网络上,如此不断地传递直到所有的网络断裂[12]。因此其应力-应变曲线表现为不断波动的曲线。

4 结 论

(1) 用工业酒精进行浸渍对聚氨酯泡沫载体进行增大孔洞直径的处理和用浓度为40%的NaOH溶液在60℃下对泡沫载体进行水解处理除去网络间膜的最佳时间为2h;

(2) 对泡沫载体进行活化处理的方法是让载体表面均匀地附着一层PEI。活化液的浓度以2.4%左右为最好。PEI既是活化剂,本身又是有机物。浓度小时不能达到良好的活化效果,浓度过大又会由于引入大量的有机物而使坯体烧结过程中有机物挥发阶段发气剧烈,使得坯体开裂;

(3) 聚氨酯泡沫载体在240℃左右开始发气,300℃左右发气出现高峰,直到600℃有机物才能完全挥发。600℃以前的坯体强度很低,容易受到有机物发气的影响,所以升温速度一定要慢。

参考文献

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

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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 王连星等.多孔陶瓷材料[J].硅酸盐通报,1998,(1):41

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8 韩永生,李建民,魏强民.多孔陶瓷材料应用及制备的研究进展[J].材料导报,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合金的压缩性能及其能量吸收[J].金属学报,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

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