從“泡泡”悟出的陶瓷發泡機理

韓復興 楊立輝 段延山 呂則武

摘 要：文章從吹泡泡著手，用顯淺易懂的道理，通過觸類旁通的道理，讓大家在讀散文、看雜記的輕松氣氛中，讀懂發泡陶瓷的基本原理，發泡和穩定的機理。

關鍵詞：發泡陶瓷;肥皂泡;氣液界面;分相;析晶;陶瓷發泡機理

1 從吹泡泡說起

泡泡水是什么東西？其實就如我們的陶瓷配方，水是主要成份，亦如玻璃相，但是光有水是吹不出泡泡的，做發泡陶瓷亦如此，光有玻璃液相，亦或玻璃液相粘度太低，也是生產不出發泡陶瓷的。

兒時玩的泡泡水就是肥皂水，將大人扔掉的肥皂渣撿起來，用熱水溶解，稀釋后，就可以吹出泡泡，太多水稀釋，就吹彈可破，甚至一吹就破。也許是皮不夠皮實，膜不夠韌性，所以形不成泡泡或者形不成穩定的泡泡。

配泡泡水所用原料如下：

注：表面活性劑體積百分比大約10%左右，水體積百分比大約85%，穩定劑體積百分比大約5%，其他外加質量1%左右。

分別將肥皂水和純凈水倒入洗干凈的兩個一模一樣中，在快滿時逐滴逐滴地加，發現，純凈水表面能凸起的部分比泡泡水高，也就是說肥皂水的表面張力小于純凈水。同時發現，同樣穩定劑，表面活性劑，不加食鹽、食鹽、食醋的成熟配方中，茶葉水效果最好，純凈水一般，自來水效果最差;加入微量膠水、白糖和可溶淀粉效果較好，其中白糖優于膠水，膠水優于可溶淀粉;加入微量食堿有促進作用，同時加入食堿和食醋，且保證微堿性，效果更好，加入食鹽幾乎不起作用。我們還發現，用直徑3mm吸管，很容易吹出泡泡，用直徑5mm吸管，能吹出泡泡，用直徑10mm吸管，吹出就比較難了;用吸管吹一個泡泡，它是球形的，刺破它，泡泡水會四濺，若吹了一半就放開管口，泡泡又會自己變小。

2 泡泡科學初探

對以上發現進行剖析，泡泡水中由于加入諸如肥皂之類的表面活性劑，使之發生了重大變化。以肥皂泡為例，泡泡水中的肥皂的主要成分是表面活性劑（——硬脂酸鈉（C17H35COONa）），在水溶液中分解出Na+和C17H35COO-。其中C17H35是疏水親油的碳氫尾，COO-是親水的羧基頭。也就是說硬脂酸鈉（C17H35COONa），它作為一種表面活性物質，擁有親水基、憎水基和Na+離子，能改變水的表面性能，可以改善物質吸附力。

由于肥皂的親水基和憎水基作用，使得肥皂水與空氣之間形成三層膜的氣液界面，肥皂泡形成五層膜，兩層氣液界面。肥皂水與空氣之間，從以空氣為主體的氣相主體到氣膜，到界面阻力膜，再到液膜，再到以肥皂水為主體的液相主體。在氣膜內由于憎水基的碳氫尾對以空氣為主體的氣相親和性，吸附力，使得碳氫尾像壁虎的腳，抓住氣相，形成氣膜;同時有碳氫鍵形成的膠束，在氫鍵、范德華力的作用下，形成牢固的界面阻力膜。親水的羧基頭對以肥皂水為主體的液相具有親和力，吸附力，在Na+離子和水的作用下，將鏈狀、線狀、束狀分子向液相內伸，在親和力和吸附力作用下，形成液膜。假如肥皂水接觸的是固體、固相，而不是氣體，同樣也會形成一層固膜，同樣也對固相具有親和性、吸附力，這也解釋了為什么容器內的純凈水表面比肥皂水表面凸的原因。主要肥皂水與空氣氣膜及容器內壁的吸附力改變了表面張力的結果。同樣吸管直徑越小、越容易吹出泡泡，也是肥皂水與空氣氣膜及吸管固膜的吸附力的結果。

對空氣中的肥皂泡進行分析，從泡內到泡外依次是內氣液界面（三層膜——氣膜、阻力膜、液膜）、液體（肥皂水）、外氣液界面（三層膜——氣膜、阻力膜、液膜），氣液界面的憎水基相互作用，形成相對穩定的彈性保護層（阻力膜），而由憎水基組成的氣液界面（氣膜）能改善氣體與液體之間的吸附力;液體對親水基的潤濕有助于保持界面（阻力膜）的粘彈性。膠水、白糖、可溶淀粉的加入，可以溶解在水里，修補鏈接親水基（液膜），所以有助于泡泡的產生。加入食堿，調節PH值，有助于提高親水基溶解度、增加Na+離子濃度和改善液膜長鏈結構的形狀。加入食堿和食醋，二者反應產生的醋酸鈉，同樣也是表面活性劑，有助于改善界面性質的作用，鏈接液膜，提高阻力膜和薄液體的彈力、韌性。這就解釋了各種助劑的作用。

有人說氣泡是瞬間的，如何讓氣泡長期存在？如何讓氣泡與氣泡連接形成聚集的泡沫體？給予泡泡適當的照顧，譬如英國科學家杜瓦，將肥皂泡保存在特制的瓶子里，排除塵埃、防止干燥和空氣的震蕩，可以把肥皂泡保存一個月之久。如果你用濕潤的手，尤其是肥皂水濕潤過的手，你可以抓住泡泡，甚至可以捏、拉，讓它成為你希望的形狀。所以泡泡并不脆弱，給予適當照顧，它不僅穩定，而且會和你心靈相通。

只要給予泡泡適當照顧，泡泡就可以形成泡泡群，而且可以聚集起來形成泡泡流、泡泡體，即所謂泡沫。在泡泡聚集的過程中，幾乎所有的泡泡的連線過交點的切線的夾角均為120 °。這也說明泡泡之間達到了力學平衡。當一個小氣泡與一個大氣泡相連接時，由于小氣泡的表面彎曲度大，受到壓力也大，內部壓強也大，連通后，空氣自然從壓力大的小氣泡沖破阻力膜，跑到壓力小的大泡泡中，直到小泡泡被吞沒、湮滅。

3 泡泡給發泡陶瓷的啟示

觸類旁通，在高溫下，發泡劑由于分解反應，產生氣相。如果玻璃液相能及時出現，潤濕、浸潤、溶解晶體的同時能及時包裹、溶解氣相，產生氣泡核，那就具備了給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體，需要在特定溫度制度下好好照顧氣泡核，泡沫玻璃或發泡陶瓷中的組分、成分開始進行紛繁復雜熱化學反應和發生紛繁復雜的物理化學變化，玻璃液相開始溶解固相和氣相，化學變化、相變化、晶體變化、體積、塑性、熱量都發生變化。氣泡核之間互相連接、大氣泡吞噬小氣泡，溫度促使氣泡核內的壓力增大，玻璃液相或者富含玻璃液相的陶瓷體，最終會形成亞穩態的類似泡泡氣液界面一樣的氣膜、界面阻力膜和液膜，氣泡核也逐漸長大成為氣泡、氣泡群、氣泡體，均勻穩定分散在玻璃液相中或富含玻璃液相的陶瓷體中。

依葫蘆畫瓢，假設在特定溫度條件下，某中玻璃液相類似與水，那么必將有類似與肥皂一樣的其他玻璃液相或者晶相存在，他們起到表面活性劑或者穩定劑作用，也必定有游蕩于玻璃液相之中的一價或二價金屬陽離子存在。作為硅酸鹽玻璃或者硅鋁酸鹽陶瓷材料，調整適當硅鋁比，引入適量氟化物、鹵化物、硫酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鋯氧化物和鈦氧化物，以及稀土氧化物，有助于分相和析晶，也有助于形成類似于表面活性劑或者穩定劑的晶相。

同時，不同于肥皂泡中空氣，發泡陶瓷或者泡沫玻璃氣泡中的氣體極有可能是高溫活性物質，在特定溫度條件下，氣泡中的氣他與氣液界面的氣膜層發生化學變化，形成兩層或者多層界面阻力膜，也有可能會破壞界面阻力膜，使得氣泡快速湮滅或者快速長大，吞噬其他氣泡，這都是不允許，也都是麻煩因素。也基于此，泡沫玻璃和發泡陶瓷發泡機理仍需要大膽推理，精細驗證，仍需要很長的路去走。

對生產來說，基于什么樣的生產方式就需要選擇什么樣的發泡劑以及發泡劑的粒度，這些以后另篇闡述。關鍵是玻璃液相的產生，以及分出什么樣的新玻璃相和充分保溫反應后，玻璃液體或富含玻璃液相的塑性陶瓷體中，能分出什么液相、析出或殘余什么晶相，這些晶相有什么活性特征、形狀特征和鏈狀結構，對氣液界面、液固界面有什么影響力。基于生產的意義，原料，原料的穩定性，原料的粒度、均勻性，以及生產過程成型、燒成，尤其是燒成的溫度制度，保溫時間都至關重要。

4 結論

實驗之余，聯想兒時吹起的肥皂泡，研究制作泡泡過程，分析泡泡各種奇異現象，以及這些現象產生的機理。觸類旁通，大膽推測分析泡沫玻璃和發泡陶瓷生產過程中的一些現象，得出下面幾點有意義的啟示：

1）高溫生產狀態下，泡沫玻璃和發泡陶瓷中除了類似水一樣的玻璃液相，也需要分相或析晶產生類似與肥皂液中的表面活性劑、穩定劑，它們是泡沫玻璃和發泡陶瓷研制和生產的關鍵。

2）為了促使分相或者析晶，需要調整硅鋁比至合適狀態，需要考慮配方中的鉀鈉鈣鎂離子，除此以外，仍需要加入一定量的氟化物、鹵化物、硫酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鋯氧化物和鈦氧化物，以及稀土氧化物，有助于分相和析晶，也有助于形成類似于表面活性劑或者穩定劑的晶相。

3）發泡陶瓷或者泡沫玻璃氣泡中的氣體極有可能是高溫活性物質，在特定溫度條件下，氣泡中的氣體與氣液界面的氣膜層發生化學變化，形成兩層或者多層界面阻力膜，也有可能會破壞界面阻力膜。盡管推理仍需要實驗驗證，也對研發和生產有現實意義。

4）生產時，原料的選擇，原料的穩定性，原料的粒度、均勻性，以及生產過程成型、燒成制度，尤其是燒成的溫度制度，保溫時間都至關重要。他們能影響玻璃液相的粘度，玻璃液相中的異質相，改變界面膜結構。

參考文獻

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