从“泡泡”悟出的陶瓷发泡机理

2020-11-20 02:00:44 佛山陶瓷 2020年10期

韩复兴 杨立辉 段延山 吕则武

摘 要:文章从吹泡泡着手,用显浅易懂的道理,通过触类旁通的道理,让大家在读散文、看杂记的轻松气氛中,读懂发泡陶瓷的基本原理,发泡和稳定的机理。

关键词:发泡陶瓷;肥皂泡;气液界面;分相;析晶;陶瓷发泡机理

1 从吹泡泡说起

泡泡水是什么东西?其实就如我们的陶瓷配方,水是主要成份,亦如玻璃相,但是光有水是吹不出泡泡的,做发泡陶瓷亦如此,光有玻璃液相,亦或玻璃液相粘度太低,也是生产不出发泡陶瓷的。

儿时玩的泡泡水就是肥皂水,将大人扔掉的肥皂渣捡起来,用热水溶解,稀释后,就可以吹出泡泡,太多水稀释,就吹弹可破,甚至一吹就破。也许是皮不够皮实,膜不够韧性,所以形不成泡泡或者形不成稳定的泡泡。

配泡泡水所用原料如下:

注:表面活性剂体积百分比大约10%左右,水体积百分比大约85%,稳定剂体积百分比大约5%,其他外加质量1%左右。

分别将肥皂水和纯净水倒入洗干净的两个一模一样中,在快满时逐滴逐滴地加,发现,纯净水表面能凸起的部分比泡泡水高,也就是说肥皂水的表面张力小于纯净水。同时发现,同样稳定剂,表面活性剂,不加食盐、食盐、食醋的成熟配方中,茶叶水效果最好,纯净水一般,自来水效果最差;加入微量胶水、白糖和可溶淀粉效果较好,其中白糖优于胶水,胶水优于可溶淀粉;加入微量食堿有促进作用,同时加入食碱和食醋,且保证微碱性,效果更好,加入食盐几乎不起作用。我们还发现,用直径3mm吸管,很容易吹出泡泡,用直径5mm吸管,能吹出泡泡,用直径10mm吸管,吹出就比较难了;用吸管吹一个泡泡,它是球形的,刺破它,泡泡水会四溅,若吹了一半就放开管口,泡泡又会自己变小。

2 泡泡科学初探

对以上发现进行剖析,泡泡水中由于加入诸如肥皂之类的表面活性剂,使之发生了重大变化。以肥皂泡为例,泡泡水中的肥皂的主要成分是表面活性剂(——硬脂酸钠(C17H35COONa)),在水溶液中分解出Na+和C17H35COO-。其中C17H35是疏水亲油的碳氢尾,COO-是亲水的羧基头。也就是说硬脂酸钠(C17H35COONa),它作为一种表面活性物质,拥有亲水基、憎水基和Na+离子,能改变水的表面性能,可以改善物质吸附力。

由于肥皂的亲水基和憎水基作用,使得肥皂水与空气之间形成三层膜的气液界面,肥皂泡形成五层膜,两层气液界面。肥皂水与空气之间,从以空气为主体的气相主体到气膜,到界面阻力膜,再到液膜,再到以肥皂水为主体的液相主体。在气膜内由于憎水基的碳氢尾对以空气为主体的气相亲和性,吸附力,使得碳氢尾像壁虎的脚,抓住气相,形成气膜;同时有碳氢键形成的胶束,在氢键、范德华力的作用下,形成牢固的界面阻力膜。亲水的羧基头对以肥皂水为主体的液相具有亲和力,吸附力,在Na+离子和水的作用下,将链状、线状、束状分子向液相内伸,在亲和力和吸附力作用下,形成液膜。假如肥皂水接触的是固体、固相,而不是气体,同样也会形成一层固膜,同样也对固相具有亲和性、吸附力,这也解释了为什么容器内的纯净水表面比肥皂水表面凸的原因。主要肥皂水与空气气膜及容器内壁的吸附力改变了表面张力的结果。同样吸管直径越小、越容易吹出泡泡,也是肥皂水与空气气膜及吸管固膜的吸附力的结果。

对空气中的肥皂泡进行分析,从泡内到泡外依次是内气液界面(三层膜——气膜、阻力膜、液膜)、液体(肥皂水)、外气液界面(三层膜——气膜、阻力膜、液膜),气液界面的憎水基相互作用,形成相对稳定的弹性保护层(阻力膜),而由憎水基组成的气液界面(气膜)能改善气体与液体之间的吸附力;液体对亲水基的润湿有助于保持界面(阻力膜)的粘弹性。胶水、白糖、可溶淀粉的加入,可以溶解在水里,修补链接亲水基(液膜),所以有助于泡泡的产生。加入食碱,调节PH值,有助于提高亲水基溶解度、增加Na+离子浓度和改善液膜长链结构的形状。加入食碱和食醋,二者反应产生的醋酸钠,同样也是表面活性剂,有助于改善界面性质的作用,链接液膜,提高阻力膜和薄液体的弹力、韧性。这就解释了各种助剂的作用。

有人说气泡是瞬间的,如何让气泡长期存在?如何让气泡与气泡连接形成聚集的泡沫体?给予泡泡适当的照顾,譬如英国科学家杜瓦,将肥皂泡保存在特制的瓶子里,排除尘埃、防止干燥和空气的震荡,可以把肥皂泡保存一个月之久。如果你用湿润的手,尤其是肥皂水湿润过的手,你可以抓住泡泡,甚至可以捏、拉,让它成为你希望的形状。所以泡泡并不脆弱,给予适当照顾,它不仅稳定,而且会和你心灵相通。

只要给予泡泡适当照顾,泡泡就可以形成泡泡群,而且可以聚集起来形成泡泡流、泡泡体,即所谓泡沫。在泡泡聚集的过程中,几乎所有的泡泡的连线过交点的切线的夹角均为120 °。这也说明泡泡之间达到了力学平衡。当一个小气泡与一个大气泡相连接时,由于小气泡的表面弯曲度大,受到压力也大,内部压强也大,连通后,空气自然从压力大的小气泡冲破阻力膜,跑到压力小的大泡泡中,直到小泡泡被吞没、湮灭。

3 泡泡给发泡陶瓷的启示

触类旁通,在高温下,发泡剂由于分解反应,产生气相。如果玻璃液相能及时出现,润湿、浸润、溶解晶体的同时能及时包裹、溶解气相,产生气泡核,那就具备了给陶瓷或玻璃吹泡泡的可能。玻璃液相或者富含玻璃液相的陶瓷体,需要在特定温度制度下好好照顾气泡核,泡沫玻璃或发泡陶瓷中的组分、成分开始进行纷繁复杂热化学反应和发生纷繁复杂的物理化学变化,玻璃液相开始溶解固相和气相,化学变化、相变化、晶体变化、体积、塑性、热量都发生变化。气泡核之间互相连接、大气泡吞噬小气泡,温度促使气泡核内的压力增大,玻璃液相或者富含玻璃液相的陶瓷体,最终会形成亚稳态的类似泡泡气液界面一样的气膜、界面阻力膜和液膜,气泡核也逐渐长大成为气泡、气泡群、气泡体,均匀稳定分散在玻璃液相中或富含玻璃液相的陶瓷体中。

依葫芦画瓢,假设在特定温度条件下,某中玻璃液相类似与水,那么必将有类似与肥皂一样的其他玻璃液相或者晶相存在,他们起到表面活性剂或者稳定剂作用,也必定有游荡于玻璃液相之中的一价或二价金属阳离子存在。作为硅酸盐玻璃或者硅铝酸盐陶瓷材料,调整适当硅铝比,引入适量氟化物、卤化物、硫酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锆氧化物和钛氧化物,以及稀土氧化物,有助于分相和析晶,也有助于形成类似于表面活性剂或者稳定剂的晶相。

同时,不同于肥皂泡中空气,发泡陶瓷或者泡沫玻璃气泡中的气体极有可能是高温活性物质,在特定温度条件下,气泡中的气他与气液界面的气膜层发生化学变化,形成两层或者多层界面阻力膜,也有可能会破坏界面阻力膜,使得气泡快速湮灭或者快速长大,吞噬其他气泡,这都是不允许,也都是麻烦因素。也基于此,泡沫玻璃和发泡陶瓷发泡机理仍需要大胆推理,精细验证,仍需要很长的路去走。

对生产来说,基于什么样的生产方式就需要选择什么样的发泡剂以及发泡剂的粒度,这些以后另篇阐述。关键是玻璃液相的产生,以及分出什么样的新玻璃相和充分保温反应后,玻璃液体或富含玻璃液相的塑性陶瓷体中,能分出什么液相、析出或残余什么晶相,这些晶相有什么活性特征、形状特征和链状结构,对气液界面、液固界面有什么影响力。基于生产的意义,原料,原料的稳定性,原料的粒度、均匀性,以及生产过程成型、烧成,尤其是烧成的温度制度,保温时间都至关重要。

4 结论

实验之余,联想儿时吹起的肥皂泡,研究制作泡泡过程,分析泡泡各种奇异现象,以及这些现象产生的机理。触类旁通,大胆推测分析泡沫玻璃和发泡陶瓷生产过程中的一些现象,得出下面几点有意义的启示:

1)高温生产状态下,泡沫玻璃和发泡陶瓷中除了类似水一样的玻璃液相,也需要分相或析晶产生类似与肥皂液中的表面活性剂、稳定剂,它们是泡沫玻璃和发泡陶瓷研制和生产的关键。

2)为了促使分相或者析晶,需要调整硅铝比至合适状态,需要考虑配方中的钾钠钙镁离子,除此以外,仍需要加入一定量的氟化物、卤化物、硫酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锆氧化物和钛氧化物,以及稀土氧化物,有助于分相和析晶,也有助于形成类似于表面活性剂或者稳定剂的晶相。

3)发泡陶瓷或者泡沫玻璃气泡中的气体极有可能是高温活性物质,在特定温度条件下,气泡中的气体与气液界面的气膜层发生化学变化,形成两层或者多层界面阻力膜,也有可能会破坏界面阻力膜。尽管推理仍需要实验验证,也对研发和生产有现实意义。

4)生产时,原料的选择,原料的稳定性,原料的粒度、均匀性,以及生产过程成型、烧成制度,尤其是烧成的温度制度,保温时间都至关重要。他们能影响玻璃液相的粘度,玻璃液相中的异质相,改变界面膜结构。

参考文献

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