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用来做泡沫陶瓷的「蛋白发泡工艺」是咋回事?
2020年11月18日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:199
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泡沫陶瓷,顾名思义就是一种与“泡沫”很相似的多孔陶瓷材料,孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%~95%之间,使用温度为常温~1600℃。

泡沫陶瓷

由于具有高比面积、高气孔率、低密度、低热传导系数,对液体和气体介质有选择透过性,并具有能量吸收和阻尼特性等优异性能,因此泡沫陶瓷被广泛用于熔融金属过滤、 催化剂载体、生物功能材料和吸声材料等领域,有关其制备工艺的研究也成为国内外学术界的热点。

近年来,一种绿色环保型的发泡陶瓷制备工艺逐渐受到人们关注,那就是“蛋白发泡工艺”。只看名字你可能会先想到做蛋糕的必要步骤——打发蛋白(就是下图),其实两者的原理确实是差不多的,都是利用蛋白质天然的发泡功能,用来增加产品的松软度和形成不同的结构。

泡沫陶瓷

插播一个小科普——为什么蛋白质可以“发”起来?

蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。这些蛋白质分子在蛋清中的存在形态是卷曲的,如果把蛋白质拉长了,你就会发现蛋白质分子其实是由一条长长的肽链组成,它们同时具有亲水亲油基团,能吸附于水和空气的界面,亲水基团与水分子接触,亲油基团与空气接触。

当搅拌器不停的在蛋清中搅拌的时候,打蛋器就会逐渐拉扯蛋白质分子,将“卷曲”的蛋白质拉开,把里面的疏水基团暴露出来。当很多疏水基共同挤一个空气分子的时候,就行成了内部空气、外部是蛋白质分子的气团,气团外部的亲水基和水共同构成了气团的外壁,这样一个蛋白质气球诞生了。打发的过程就是产生蛋白气球的过程。打发的越多,越多的蛋白质被打开,从而与空气行成气团。这些气团组合成宏观的物理表现就是我们看到的蛋白被打发,体积变大,变大的体积其实就是增加的很多空气分子。

同样的,当蛋白质用于陶瓷的发泡时,机械搅拌产生的气泡就能稳定地保留在陶瓷浆料中。这个过程主要包括以下几步

首先蛋白质分子扩散到气-液界面

其次蛋白质分子在气-液界面的取向排列

最后蛋白质分子形成黏性的气-液界面膜。在气-液界面黏性膜形成以后,为了降低系统总的吉布斯自由能,陶瓷粉体颗粒会吸附在气-液界面蛋白质分子所形成的黏性膜上。当改变泡沫浆料的温度或者 pH值时,蛋白质分子局部肽链之间会发生不可逆的相互作用,使蛋白质的构像发生不可逆的变化,即蛋白质的变性,固定泡沫浆料的三维立体网络结构,随后经干燥、低温烧除蛋白质、高温烧结陶瓷等步骤可制备泡沫陶瓷。如图为蛋白质发泡法制备泡沫陶瓷的原理示意图。

发泡陶瓷

胶体粒子直接发泡法

蛋白发泡法的优势与局限

与传统的发泡方法相比,蛋白发泡法具有来源广泛,环境友好,分解不产生有毒气体;与水相容性好,有利于陶瓷浆料保持稳定;兼具发泡、粘结和固化作用等优点。但要注意的是,这种方法也有一定的局限性,尤其是在泡沫陶瓷粉体固相含量较高或较低时——固相含量较高时,陶瓷浆料粘度较高,流变性较差,成型后样品的微观结构均匀性较差,同时,由于水分较少,发泡过程受到限制,导致发泡不充分,样品的孔隙率较低固相含量较低时,发泡较剧烈,样品的开孔率较高,干燥时体积收缩较大,样品易开裂。

目前可通过加入添加剂的方法来解决上述问题,环境良好型的蔗糖和淀粉都是很不错的选择。其中蔗糖分子既能以氢键的形式实现分子间缔合,从而形成网状结构,又能与水分子中的氢原子形成氢键。以蔗糖为发泡剂制备泡沫陶瓷材料时,在固化后的干燥过程中,由于陶瓷浆料中氢键作用的存在,水分挥发过程变缓,固化后的陶瓷坯体收缩较慢,开裂风险降低。

发泡陶瓷

蛋白发泡法制备的氧化铝泡沫陶瓷

此外,蔗糖在陶瓷浆料中形成的网状结构还能在一定程度上增加坯体强度和发泡均匀性烧失蔗糖时留下的空隙可以调节气孔的结构。蔗糖作为粘结剂,可增加坯体的强度,提高可加工性能,加入蔗糖可降陶瓷低浆料粘度,提高浆料流变性。

资料来源:

蛋白发泡工艺制备泡沫陶瓷及其性能研究,柴宇新。

蛋白质发泡制备氮化硅泡沫陶瓷吸声材料研究,殷刘彦。

蛋白质发泡法制备多孔氧化锆陶瓷刘海燕,刘家臣,张鹏宇,宋宪瑞,门荣磊。

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