纳米氢氧化铝稳定泡沫性能研究

纳米颗粒CO2泡沫体系稳定性机理研究作者：郭轩李成良戴志鹏刘金鑫来源：《当代化工》2019年第07期摘;;;;; 要：近年来纳米颗粒/表面活性剂复合体系提高CO2泡沫驱性效果明显，其稳定泡沫的机理越来越受到关注。

通过研究不同纳米颗粒体系泡沫的ZETA电位、接触角，深入的研究泡沫稳定的机理，为泡沫稳定剂的选取提供了一个新的筛选方式。

研究结果表明：泡沫体系的ZETA电位与接触角共同决定了泡沫的稳定性，发泡体系溶液的ZETA电位越高、与岩心的接触角越接近90°，纳米颗粒对泡沫液膜吸附强度越高，泡沫越稳定。

关; 键; 词：纳米颗粒;ZETA电位;三相接触角;CO2泡沫驱中图分类号：TE357.46;;;;;; 文献标识码： A;;;;;; 文章编号： 1671-0460（2019）07-1408-04Abstract： In recent years， the effect of nanoparticle/surfactant composite system on improving CO2 foam flooding is obvious. The mechanism of stable foam has attracted more and more attention. By studying the ZETA potential and contact angle of different nanoparticle systems， the mechanism of foam stability was studied in depth， which could provide a new way to select foam stabilizer. The results showed that the ZETA potential and contact angle of the foam system determined the stability of the foam. The higher the ZETA potential of the foaming solution， the closer to 90° the contact angle to the core; The higher the adsorption strength of the nanoparticle to the foam liquid membrane， the more stable the foam.Key words： Nanoparticle ; ZETA potential; Three phase contact angle ; CO2 foam flooding在CO2泡沫驅提高采收率的过程中，为了提高泡沫的稳定性，需要稳定剂迅速迁移到液膜表面形成稳定的泡沫边界，减缓泡沫的液膜排水，提高泡沫稳定性[1，2]。

泡沫氧化铝综述
泡沫氧化铝是一种新型的多孔材料，具有轻质、高强度、高温稳定性、耐腐蚀等优点，因此在各个领域得到了广泛的应用。

泡沫氧化铝的制备方法主要有两种：一种是模板法，即将泡沫聚合物作为模板，通过浸渍、烘干、煅烧等工艺制备而成；另一种是直接发泡法，即将铝粉与发泡剂混合后在高温下发泡，形成泡沫氧化铝。

泡沫氧化铝的应用十分广泛，其中最为重要的是作为催化剂载体。

泡沫氧化铝具有高比表面积和孔隙度，能够提高催化剂的活性和选择性，因此被广泛应用于化学反应中。

此外，泡沫氧化铝还可以用于热隔离、过滤、吸附等领域。

在工业领域中，泡沫氧化铝也有着广泛的应用。

例如，在航空航天领域中，泡沫氧化铝可以用于制造轻质结构材料，如航空发动机的隔热材料、航天器的热控材料等。

在汽车制造领域中，泡沫氧化铝可以用于制造轻质车身结构材料，提高汽车的燃油效率和安全性能。

泡沫氧化铝作为一种新型的多孔材料，具有广泛的应用前景。

随着科技的不断发展和进步，泡沫氧化铝的制备方法和应用领域也将不断拓展和完善。

纳米级氢氧化铝用途有哪些纳米级氢氧化铝是以氢氧化铝为主要组分的微米级或纳米级颗粒物。

由于其具有高比表面积、大孔隙体积和良好的表面活性等特点，纳米级氢氧化铝在众多领域具有广泛的应用。

以下将从催化剂、陶瓷材料、涂料、增强材料、生物医学和环境保护等方面介绍纳米级氢氧化铝的用途。

首先，纳米级氢氧化铝广泛应用于催化剂领域。

由于其高比表面积和表面活性，纳米级氢氧化铝可作为催化剂载体，用于负载贵金属催化剂和其他催化剂，如Pt、Pd、Rh等金属催化剂，提高催化剂的分散性和催化性能。

纳米级氢氧化铝还可用于合成催化剂，制备纳米颗粒、纳米线和纳米纤维等，并应用于有机合成、氧化反应、加氢反应等催化反应中。

其次，纳米级氢氧化铝在陶瓷材料领域具有重要的应用。

由于其具有良好的热稳定性和化学稳定性，纳米级氢氧化铝可用于制备高纯度和高性能的陶瓷材料。

纳米级氢氧化铝可作为陶瓷材料的增强相、增塑剂和阻燃剂，提高陶瓷材料的力学性能、导热性能和阻燃性能。

同时，纳米级氢氧化铝还可用于制备陶瓷涂层、陶瓷薄膜和多孔陶瓷材料等。

此外，纳米级氢氧化铝在涂料领域也有广泛的应用。

纳米级氢氧化铝可作为涂料中的填料，用于增加涂层的硬度、抗磨性和耐腐蚀性。

同时，纳米级氢氧化铝还可以增加涂料的光学性能，如提高涂层的遮盖力和折射率。

此外，纳米级氢氧化铝还可用于制备防火涂料、防腐涂料和高温涂料等。

此外，纳米级氢氧化铝在增强材料领域具有重要的应用。

由于其高比表面积和大孔隙体积，纳米级氢氧化铝可作为增强材料用于增加塑料、橡胶、聚合物等材料的强度和硬度。

纳米级氢氧化铝还可用于制备金属基复合材料、陶瓷基复合材料和高分子基复合材料等。

在生物医学领域，纳米级氢氧化铝也具有广泛的应用。

纳米级氢氧化铝可用于制备药物纳米载体，提高药物的溶解度、稳定性和生物利用度。

纳米级氢氧化铝还可用于制备生物传感器和生物成像剂，实现生物分子的检测和生物组织的成像。

最后，纳米级氢氧化铝在环境保护领域也有重要的应用。

泡沫铝的制备方法、性能及应用概述：泡沫铝是以工业纯铝或铝合金为原材料，采用化学或物理方法，通过多步反应、压制、发泡、固化、切割、表面处理等工序制成的一种具有连续开放的多孔结构材料。

泡沫铝具有轻质、高强度、良好的机械性能、尺寸稳定性和优良的吸音、隔热性能等特点，在航空、航天、汽车、电子、防护等领域有广泛应用。

制备方法：泡沫铝的制备方法主要包括化学发泡法、物理发泡法和电化学发泡法等。

其中，化学发泡法是较为常用的制备方法。

化学发泡法是通过反应剂作用，在铝粉表面生成氢气泡，在加热过程中泡沫化，最终得到多孔铝材料。

化学发泡法的反应剂主要包括金属单质、金属氢化物等，具体反应过程通过选择不同的反应剂、添加剂和控制温度、压力等参数可实现。

性能表现：泡沫铝具有多孔的结构形态，其中孔隙率可以达到70%~95%，孔径分布在数百微米到数毫米之间。

有很多优良性能：机械性能：泡沫铝的压缩强度为1MPa~12MPa，弹性模量为1GPa~10GPa，良好的抗弯、抗拉、抗剪切性能等。

热学性能：泡沫铝的导热系数低，远低于传统金属材料，导热系数通常在0.1~0.3W/m·K之间，隔热性能良好。

声学性能：泡沫铝具有较好的吸收声波的功能，使用于环保建筑或者是飞机等需要控制噪音的场合。

应用领域：泡沫铝广泛应用于以下领域：航空航天：泡沫铝在航空航天行业的应用领域主要在于减轻重量、提高机体强度和刚度，减小燃油消耗，并可制成各种尺寸、形状和复杂的构件，如拱形构件、连肋件等。

汽车工业：泡沫铝在汽车工业中的应用主要在于减轻汽车重量，提高汽车稳定性、安全性和燃油经济性。

在自身性能优越的同时质量轻盈，使汽车设计者能够在既定的车体尺寸框架内最大化地应用高强度材料。

电子领域：泡沫铝在电子领域主要用作电磁波屏蔽材料、导热件、隔热材料、消声材料、弹性件、垫圈等。

防护类领域：泡沫铝可以用作防护材料，如在军工等领域，将泡沫铝切削成各种规格的装甲板，可以有效抵御弹头和炸药的攻击。

纳米氢氧化铝镁的制备及其分散性能研究
陈浩;孙德四;余盛禄;张文杰;赵惠忠
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2006(20)F11
【摘要】以结晶氯化铝（AlCl3·6H2O）、结晶氯化镁（MgCl2·6H2O）为主要原料制备前驱体溶胶。

然后采用超临界流体干燥技术（SCDF）制备纳米氢氧化铝镁超细粉体。

借助透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）和物理吸附仪等仪器对纳米氢氧化铝镁超细粉体进行表征，并对其分散性能进行了探讨。

【总页数】2页(P174-175)
【作者】陈浩;孙德四;余盛禄;张文杰;赵惠忠
【作者单位】九江学院应用化学研究所,九江332005;武汉科技大学纳米材料与技术中心,武汉430081
【正文语种】中文
【中图分类】TQ174.61
【相关文献】
1.纳米氢氧化铝镁的制备及其分散性能研究
2.纳米氢氧化铝镁/PVDF杂化膜的制备研究
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4.氢氧化铝镁正电纳米粉末对Cr(Ⅵ)的吸附性能研究
5.纳米氢氧化铝镁的制备及其吸附性能研究
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混凝土中掺入纳米氧化铝的作用及应用效果一、引言混凝土作为一种广泛应用于建筑物、道路、桥梁等领域的建筑材料，其性能的稳定性和可靠性一直备受人们的关注。

然而，在现代建筑领域中，混凝土结构的使用寿命和耐久性也是在不断地被挑战。

因此，在混凝土中掺入纳米氧化铝是一种提高混凝土性能的有效方法。

二、纳米氧化铝的物理化学性质纳米氧化铝具有较高的比表面积和活性表面，因此具有优异的催化、吸附、电学、光学、热学等性能。

同时，其具有良好的抗氧化性和化学稳定性。

三、混凝土中掺入纳米氧化铝的作用1. 改善混凝土的力学性能纳米氧化铝可以通过填充混凝土内部的空隙和缺陷，增加混凝土的密实性和强度，从而提高混凝土的力学性能。

纳米氧化铝可以填充混凝土内部的微孔和裂缝，形成致密的混凝土结构，从而提高混凝土的抗渗性和耐久性。

3. 改善混凝土的耐久性纳米氧化铝可以在混凝土中形成一种致密的防护层，从而保护混凝土不受外界的侵蚀和损害，提高混凝土的耐久性。

4. 提高混凝土的抗裂性纳米氧化铝可以填充混凝土内部的裂缝和缺陷，形成一种强大的支撑作用，从而提高混凝土的抗裂性能。

四、混凝土中掺入纳米氧化铝的应用效果1. 提高混凝土的力学性能通过掺入适量的纳米氧化铝，可以提高混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度等力学性能。

例如，研究表明，在混凝土中掺入5%的纳米氧化铝可以使抗压强度提高30%左右。

混凝土中掺入纳米氧化铝可以提高混凝土的密实性和致密度，从而提高混凝土的抗渗性和耐久性。

例如，研究表明，在混凝土中掺入5%的纳米氧化铝可以使混凝土的抗渗性提高60%左右。

3. 改善混凝土的耐久性混凝土中掺入纳米氧化铝可以形成一种致密的防护层，从而保护混凝土不受外界的侵蚀和损害。

例如，研究表明，在混凝土中掺入5%的纳米氧化铝可以使混凝土的耐久性提高50%左右。

4. 提高混凝土的抗裂性混凝土中掺入纳米氧化铝可以填充混凝土内部的裂缝和缺陷，从而提高混凝土的抗裂性能。

例如，研究表明，在混凝土中掺入5%的纳米氧化铝可以使混凝土的抗裂性能提高40%左右。

氢氧化铝混悬剂的制备实验报告一、实验目的：了解氢氧化铝混悬剂的制备方法，掌握溶液制备中的常用技能并进行实践，加深对混悬剂的理解。

二、实验原理：氢氧化铝混悬剂是一种稳定的悬浮液，通常用于涂料、化妆品、医药等领域。

它通常是由氢氧化铝和表面活性剂（如十二烷基苯磺酸钠）混合而成。

在制备混悬剂时，正确地选择和掌握表面活性剂的用量和类型，是保证混悬液稳定性的重要因素之一。

三、实验仪器与试剂：1、烧杯、试管等常用玻璃器皿；2、蒸馏水、氢氧化铝、十二烷基苯磺酸钠等试剂；3、滴定管、天平等辅助仪器。

四、实验步骤：1、将蒸馏水倒入烧杯中，并在搅拌下加入适量的氢氧化铝；2、加入表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠）并充分混合搅拌；3、将混合物转移至试管中，并利用滴定管将一定量的氢氧化钠溶液慢慢地滴入，并不断搅拌；4、继续滴加氢氧化钠溶液，直到混合液中出现明显的沉淀；5、用滴定管加入较少的氢氧化铝溶液，使得沉淀重新悬浮在溶液中；6、根据需要可以调整混合液的pH值，在调制过程中注意加入的酸碱度量不能过大。

五、实验结果与分析：1、混悬剂的颜色和透明度；2、混悬剂在不同 pH 值下的悬浮稳定性；3、混悬剂的粒径分布及分散性。

六、实验注意事项：1、实验过程中应注意安全，涉及到化学试剂的使用，工作要穿戴实验服和手套，并进行良好的通风；2、溶液的制备需要控制好试剂的用量和添加顺序，避免溶液出现不均匀和析出等问题；3、进行混悬剂的制备时，应仔细控制 pH 值，混悬剂的稳定性与 pH 值有很大关系。

七、实验总结：本次实验主要是对氢氧化铝混悬剂的制备进行了一次探究，通过实验深入了解混悬剂的构成和制备方法，也认识到安全和精确控制试剂量在实验中的重要性。

在实验中掌握好技巧和方法，可以使制备出来的混悬剂效果更佳，应用范围更广。

氢氧化铝混悬剂具有多种应用，如在医药领域中可用于口腔溃疡和消炎等，它的稳定性和分散性对于应用效果的影响很大。

制备氢氧化铝混悬剂需要注意的是，不同的表面活性剂的选择会对混悬液的稳定产生影响。

收稿日期:2022-06-07;修改日期:2022-08-02作者简介:周日峰(1987-),男,山东青岛人,中国石油大学(华东)油气储运专业毕业博士研究生,副研究员,研究方向为罐区安全和消防装备技术等㊂通讯作者:周日峰,E -m a i l :z h o u r f .q d a y @s i n o pe c .c o m第31卷第4期2022年12月火 灾 科 学F I R ES A F E T YS C I E N C EV o l .31,N o .4D e c .2022文章编号:1004-5309(2022)-0224-09D O I :10.3969/j.i s s n .1004-5309.2022.04.04含纳米二氧化硅颗粒三相泡沫性能与作用机理研究周日峰*(1.中石化安全工程研究院有限公司,青岛,266000;2.化学品安全控制国家重点实验室,青岛,266000)摘要:为提升水成膜泡沫(A F F F )的灭火性能,基于A F F F 泡沫液和纳米硅颗粒,制得新型三相灭火泡沫㊂实验研究了三相泡沫发泡性和稳定性的变化规律,分析了泡沫组成和工况参数对泡沫性能的影响规律㊂通过分子动力学(M D )模拟,研究了泡沫溶液中表面活性剂分子吸附对颗粒表面润湿性的影响,揭示了泡沫中颗粒与表面活性剂间相互作用对泡沫稳定性的影响机理㊂研究发现:随着颗粒浓度增加,泡沫稳定时间和抗烧时间显著增长,而发泡性变化不大㊂泡沫中颗粒表面润湿性影响颗粒与表面活性剂间的相互作用,进而影响泡沫稳定性㊂在亲水颗粒泡沫中,表面活性剂浓度增加能够强化二者间的协同作用,利于泡沫稳定;在疏水颗粒泡沫中,随着表面活性剂浓度增加,二者间由协同作用转变成抵抗作用㊂研究成果对优化三相灭火泡沫配方和提升泡沫灭火效率有指导意义㊂关键词:三相泡沫;纳米颗粒;发泡性;稳定性;协同作用中图分类号:X 932;T P 394.1 文献标识码:A0 引言石油储存安全对我国经济发展和国家安全意义重大㊂根据‘国家石油储备中长期规划(2008-2020年)“,计划在15年左右时间内分3期建成国家储备石油基地,总容量约为7300万m 3[1]㊂油库火灾是威胁石油储存安全的主要因素㊂雷击等异常因素能够引发油库火灾,常造成重大经济损失及周边环境污染[2]㊂大规模油品火灾救援需要用到灭火泡沫[3-9]㊂当泡沫暴露在热辐射环境下时,析液速度㊁蒸发速率和泡沫消退速度都加快[10,11]㊂所以,当发生较大规模油品火灾时,需要大量泡沫才能完成灭火㊂例如,2015年4月6日,福建古雷一化工厂内发生爆炸,引燃4个储罐,着火面积达43910m 2㊂灭火期间发生了4次较大的复燃㊂历时4天,共消耗了1467吨泡沫浓缩液,才完成灭火[12]㊂如果灭火泡沫的性能不佳,不但浪费大量的消防水和灭火剂,而且严重影响灭火救援效率㊂所以高性能的灭火泡沫对于提升灭火救援效率有极其重大的意义,对于油库消防至关重要[13]㊂灭火泡沫的性能主要体现在稳定性㊁抗烧性和隔热性等[11],其中稳定性和抗烧性决定了灭火泡沫覆盖油面的持久性,隔热性决定了泡沫阻断火焰向油面传热的能力㊂然而,属于气液两相流体的泡沫具有较大的表面积㊁较高的表面自由能和较大的相间密度差,属于热力学不稳定体系,会随着时间发生老化[14-16]㊂所以,提升灭火泡沫的性能需要从强化泡沫的稳定性着手,而泡沫稳定性与泡沫的组成及微观结构紧密相关[17]㊂常规灭火泡沫中的关键组分是表面活性剂,能够降低气液界面张力,减小体系表面能,利于发泡[18-20]㊂由于油品的密度比水低,所以扑灭油池火或油品流淌火需要用到特殊类型的灭火泡沫㊂当前性能最佳的是水成膜泡沫(A F F F)[5,13,21-23]㊂水成膜泡沫中因含有氟碳和碳氢表面活性剂,气液界面张力更低,泡沫析出的液体能够在油面上铺展形成一层液膜,有助于泡沫稳定,并起到隔离作用,阻止油气向泡沫中扩散㊂蛋白类型的泡沫成本较低,但灭油火性能不如水成膜泡沫㊂面对日益提升的石化罐区灭火救援需求,气液两相水成膜泡沫的灭火性能很有限㊂当发泡倍数为7时,气液两相水成膜泡沫的50%析液时间只有7m i n左右,外盘50%面积燃烧的抗烧时间只有6m i n左右㊂标准配置的水成膜泡沫液中,表面活性剂的浓度已经在临界胶束浓度(C M C)以上,故单纯增加灭火剂浓度不能有效提升泡沫的稳定性㊂颗粒可被用作灭火泡沫的稳定剂,同时含有气液固三相的泡沫也被称为三相泡沫㊂在三相泡沫中,颗粒与表面活性剂间能够发生协同作用,提升泡沫的稳定性[17,24]㊂泡沫中的颗粒能够增加泡沫对热辐射的吸收和散射能力,从而能提升泡沫的隔热性[11,25]㊂泡沫抗烧性是其稳定性和隔热性的综合指标,故颗粒加入也能够强化泡沫的抗烧性[26]㊂多种颗粒材质被尝试应用于提升泡沫稳定性,如粉煤灰/黏土[27,28]㊁二氧化硅[29-31]㊁空心玻璃微珠[12,32,33]㊁碳粉[34]㊁二氧化钛[35-37]㊁磷酸三钙[38]㊁分散颗粒凝胶[39,40]等㊂另外,泡沫的灭火效率还与其发泡性和流动性相关,泡沫流动性影响其覆盖油品表面的能力㊂通常泡沫中加入颗粒会增大粘度并抑制其发泡性和流动性,因此泡沫中颗粒浓度不是越高越好,发泡倍数过高也不利于其流动性,故需要综合考虑发泡性㊁稳定性㊁流动性㊁隔热性和抗烧性等性能指标,来优化三相泡沫的组成和工况参数㊂当前文献和工程应用中,尚没有研究和使用水成膜三相灭火泡沫的技术成果㊂本文基于水成膜泡沫和微纳米功能颗粒配制的新型水成膜三相灭火泡沫,采用实验和数值模拟手段,研究泡沫发泡性和稳定性的变化规律及其作用机理,分析泡沫组成和工况参数对泡沫性能的影响规律,优化三相泡沫配方和工程应用中泡沫使用的工况参数㊂研究成果对于研发高性能灭火泡沫,提升泡沫灭火效率,具有重要意义㊂1泡沫制备和测试分析方法1.1A F F F灭火剂和纳米硅颗粒所用的A F F F泡沫灭火剂原液是3%型(扬州江亚消防药剂有限公司),其中有75w t%水㊁6.5w t%水溶性两性离子型表活剂㊁10w t%共溶剂(乙二醇)㊁5w t%降凝剂(尿素)以及3.5w t%的其他组分,其中关键组分为两性离子型表活剂,主要为十二烷基酰胺丙基甜菜碱和全氟环氧丙烷齐聚物-酰胺丙基甜菜碱(J1C171121-2,中国赞宇科技集团股份有限公司)㊂制备三相泡沫用到的功能颗粒主要为纳米二氧化硅颗粒,原始粒径为20n m左右,来自赢创德固赛特种化学(上海)有限公司㊂颗粒的表面浸润性分为亲水型和疏水型,疏水颗粒是由亲水颗粒表面做疏水改性得到,即在亲水颗粒表面接枝烷烃链㊂采用胶粘法来测量颗粒的表观接触角㊂首先,用双面胶将颗粒粉末粘附在玻璃片的一侧,形成颗粒薄层;然后在表面接触角测量仪(D a t a p h y sO C A25,德国)上,将玻璃片的颗粒面朝上放平,竖直滴上水滴,测量颗粒的表面接触角㊂用面板法测得亲水和疏水颗粒在空气中水的接触角分别为(85.8ʃ0.16)ʎ和(141.5ʃ1.3)ʎ㊂1.2泡沫制备方法搅拌发泡是普遍的发泡方法,很多泡沫研究者采用该方法进行发泡,如Z h a o[40]㊁L v[41]和R u b y[42]等,本文也采用高速搅拌发泡方法,如图1所示㊂高速搅拌器(W a r r i n g-H G B50E-2L)的转速12000r/m i n,容积2L㊂首先配置出含指定A F F F浓度(C A)的泡沫液100m L,然后加入固体颗粒,得到含指定颗粒浓度(C P)的泡沫混合液㊂然后将泡沫混合液倒入高速搅拌器的容器中,在12000r/m i n转速下搅拌60s左右,得到三相泡沫㊂图1高速搅拌发泡方法和析液时间测量方法F i g.1F l o wc h a r t o f t h e c o m p r e s s e d g a s f o a m i n g s y s t e m522V o l.31N o.4周日峰:含纳米二氧化硅颗粒三相泡沫性能与作用机理研究1.3 发泡倍数和析液时间测量方法制得泡沫样品后,发泡性测试和稳定性测试连续进行,使用少量泡沫(100g )和细口析液量筒(容积1L ,青岛诺安机电科技有限公司)来测量泡沫的发泡倍数和析液时间[42],如图1所示㊂细口析液量筒上端的内径为50mm ,下端靠近底部区域收缩,直径为20mm ;量筒下端较细主要是为了便于精确测量泡沫的析液量㊂在析液量筒下端的25m L 和50m L 容量的位置分别做有标记,以便于测量和观察㊂测量时,将100m L 泡沫混合液制备出的泡沫倒入到细口析液量筒,根据量筒上刻度读取泡沫体积,该泡沫体积除以泡沫混合液体积得到发泡倍数㊂将泡沫倒入到细口析液量筒的同时,开始用秒表计时,当析液量达到25m L 和50m L 时,分别记为泡沫的t 25%和t 50%析液时间㊂当测量不同环境温度下泡沫的稳定性时,将泡沫倒入到细口析液量筒,测量读取发泡倍数,然后将细口析液量筒放置在指定温度的恒温箱内,并记录泡沫的t 25%和t 50%析液时间㊂1.4 泡沫层抗烧性测试方法实验装置由两个大小油盘组成,其中:大油盘直径为1.48m ,深度为15c m ;小油盘直径为0.5m ,深度为25c m ;小油盘放置在大油盘的中心区域,如图2所示㊂具体实验方案如下所述㊂图2 泡沫抗烧性测试实验装置F i g .2 M e a s u r e m e n t s e t u p f o r t h e b u r n b a c k p e r f o r m a n c e o f t h e f i r e -e x t i n g u i s h i n g fo a m 1)大油盘内铺设2c m 厚水层㊂2)小油盘内倒入4L ~8L 的120溶剂油,大油盘中倒入4L 的120溶剂油㊂3)将30L 被测泡沫样品倒在大油盘中的油面上,并使其均匀铺展,完全覆盖住油面,形成密封㊂4)点燃小油盘内的溶剂油㊂小油盘中油品燃烧释放出的热量能够对大油盘中的泡沫层和溶剂油层进行加热㊂大油盘中靠近小油盘区域的泡沫层受热后的破碎速度较其他区域快,待该区域的泡沫层消退后,露出下方的油层在持续加热作用下会逐步发生燃烧㊂用摄像机(S O N YF D R -A X 700)拍摄记录全过程,并记录大油盘中油层出现25%面积燃烧和50%面积燃烧的时间,分别记为25%抗烧时间和50%抗烧时间㊂1.5 分子模拟方法(1)分子构型所用水成膜泡沫液中的关键组分为甜菜碱型两性离子型表面活性剂,主要是全氟环氧丙烷齐聚物-酰胺丙基甜菜碱(缩写为P O O A B )和十二烷基酰胺丙基甜菜碱(缩写为D A B ),分子式分别为C 21H 19F 23N 2O 6和C 20H 40N 2O 3㊂模拟中选用P O O A B ㊁D A B 和水分子为研究对象㊂在分子动力学(M D )模拟之前,需要对P O O A B ㊁D A B 和水分子进行结构优化,以获得稳定的几何构型,优化后的分子构型如图3所示㊂(原子颜色:O -,H -,C H 2-,N -,F -)图3 泡沫溶液中表面活性剂分子和水分子的C P K 模型F i g.3 T h eC P K m o d e l o fm o l e c u l a r s t r u c t u r e s o fP O O A B ,D A Ba n dw a t e r i n t h e f o a ms o l u t i o n(2)硅颗粒表面构型天然硅颗粒的表面含有羟基官能团,呈亲水性㊂通过取代反应,将烷烃链接枝到亲水颗粒表面的羟基上,得到疏水性硅颗粒㊂实验所用的疏水颗粒(B E T 比表面积为140m 2㊃g -1)是在亲水颗粒(B E T 比表面积为170m 2㊃g-1)表面接枝二甲基二氯硅烷得到的㊂分子模拟中,分别对亲水性和疏水性的硅颗粒表面进行了建模;在表面活性剂分子吸附模拟之前,需要对硅颗粒表面进行结构优化,以获得稳定的几何构型,优化后的两种润湿性硅颗粒表面结构如图4所示㊂622火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第31卷第4期(原子颜色:O -,H -,C H2-,S i -,C l -)图4分子动力学模拟中硅颗粒表面结构侧视图F i g.4S n a p s h o t s o f t h e c o n f i g u r a t i o no f(a)h y d r o p h i l i c a n d (b)h y d r o p h o b i c s i l i c a s u r f a c e u s e d i n t h eM Ds i m u l a t i o n(3)模型设置和计算方法分子模拟采用的模拟盒子尺寸为29.4Åˑ34.0Åˑ148.8Å,其中z轴垂直于硅表面㊂在x㊁y方向均采用周期边界条件㊂硅颗粒界面包括亲水性和疏水性两种,在计算过程中设置为固定㊂8个P O O A B㊁8个D A B和700个水分子放置到模拟盒子中,初始速度随机分布㊂整个M D模拟规程是通过M a t e r i a l sS t u d i o8.0软件中的f o r c i t e模块实现的㊂C OM P A S S力场也称之为从头算力场,能够在很大范围内,准确模拟和预测单个分子或凝聚态物质的结构㊁构象㊁振动频率和热力学性质,可以研究包括不同界面和材料的复杂体系[43]㊂为了较准确描述体系中分子间相互作用,选用C OM P A S S力场,体系的总能量包括共价键能㊁共价交叉项和非键能(v a nd e rW a a l s力㊁静电力和氢键)㊂体系中原子和基团的电荷由力场指定㊂采用L e n n a r d-J o n e s势来计算分子间的v a nd e rW a a l s相互作用,截断半径设置为10.0Å㊂采用E w a l d方法来计算C o u l o m b 势描述的分子间静电相互作用㊂水分子采用简单水分子模型(s i m p l ew a t e rm o d e l s)中的S P C模型[43]㊂模拟计算的时间步长设置为1f s㊂建立模拟系统后,首先通过快速下降法将初始构型的能量最小化,以消除原子重叠,得到体系的优化结构㊂然后,在正则系综(N V T)下运行5000p s,得到系统稳定状态㊂在正则系综(N V T)中,采用N o sé-H o o v e r热浴法控制体系温度维持在298K㊂2结果及讨论2.1协同作用和抵抗作用(1)颗粒浓度影响图5颗粒浓度对三相泡沫发泡倍数和析液时间的影响(C A=3.0%)F i g.5E f f e c t o f p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o no n(a)F E Ra n d(b) f o a md r a i n a g e t i m e o f t h e t h r e e-p h a s e f o a m(C A=3.0%)在图5(a)中,随着颗粒浓度增加,亲水颗粒泡沫的发泡倍数先增大后减小,而疏水颗粒泡沫的发泡倍数则一直降低㊂泡沫中亲水颗粒泡沫主要分布在液相区域内,提升了泡沫流体的粘度,当颗粒浓度较大时会抑制泡沫的分散性和发泡性;而疏水颗粒主要吸附在气液界面上,提升了界面粘弹性和流体表观粘度,对泡沫分散性和发泡性的抑制作用更大,且随着颗粒浓度增大抑制作用增强㊂在图5(b)中,随着颗粒浓度增加,三相泡沫的析液时间迅速增加,尤其当颗粒浓度超过1.0w t%后㊂当颗粒浓度为1.5w t%时,三相泡沫稳定时间约为气液两相泡沫的40倍㊂不同表面润湿性的颗粒对泡沫稳定性提升的作用机理不同㊂亲水颗粒主要以颗粒群层状形式存在于泡沫的液膜和柏拉图通道的内部,提升了液相的粘度,延缓了液膜和柏拉图722V o l.31N o.4周日峰:含纳米二氧化硅颗粒三相泡沫性能与作用机理研究通道析液,同时还能抑制相邻间气泡的聚并和歧化过程㊂疏水颗粒主要吸附在泡沫的液膜和柏拉图通道的气液界面上,提高了界面的黏弹性和流体表观粘度,一方面抑制了气泡聚并和歧化过程,另一方面也延缓了液膜和柏拉图通道析液过程㊂另外,液膜和柏拉图通道内部和气液界面上的颗粒群结构都对泡沫的单元结构有一定的支撑作用,有利于泡沫稳定㊂在相同的颗粒浓度下亲水颗粒泡沫的稳定性略高于疏水颗粒泡沫,说明液相内颗粒群对泡沫稳定性的贡献略突出;总体上,亲水颗粒和疏水颗粒对泡沫稳定性的贡献差别不大,但对发泡性能的影响有较明显的区别,亲水颗粒更利于发泡㊂(2)表面活性剂浓度影响(线1~5分别代表:1.0w t %疏水颗粒泡沫,0.5w t %疏水颗粒泡沫,1.0w t %亲水颗粒泡沫,0.5w t %亲水颗粒泡沫,气液两相泡沫)图6 A F F F 泡沫液浓度对三相泡沫发泡位置和析液时间的影响F i g .6 E f f e c t o f t h e c o n c e n t r a t i o no fA F F Fa ge n t t o (a )F E Ra n d (b )50%f o a md r a i n a ge t i m e of t h e t h r e e -ph a s e f o a m 在图6(a )中,当C A 不超过2.0%时,三相泡沫的发泡倍数(F E R )随C A 增加而迅速增大,原因是泡沫中表面活性剂增加有效降低了气液界面张力,有助于泡沫分散和发泡㊂当C A 超过2.0%时,发泡倍数随C A 的增加增速放缓,原因是泡沫中表面活性剂浓度达到了临界胶束浓度(C M C ),气液界面张力随表面活性剂浓度增加而变化有限[44]㊂在图6(b )中,当C A 不超过4.0%时,两相泡沫㊁亲水颗粒泡沫和疏水颗粒泡沫的稳定时间都随C A 增加而增加,原因是越来越多的表面活性剂分子吸附在气液界面上,一方面导致气液界面张力降低,体系的分散性增强,液膜和柏拉图通道变薄变细;另一方面,表面活性剂分子吸附增强了气液界面的粘弹性,有利于液相结构稳定㊂三相泡沫的稳定性显著高于两相泡沫,主要是三相泡沫中表面活性剂和颗粒间形成协同作用,无论是液相内还是界面上的颗粒群都能显著提升液相结构的稳定性,并延缓析液,还能抑制气泡聚并和歧化过程㊂当C A 超过4.0%时,气液两相泡沫的稳定性随C A 增加不断增加,主要原因是随着气液界面上表面活性剂分子增多,界面的粘弹性不断增强,体系的分散性也缓慢增大㊂然而,含不同润湿性颗粒泡沫的稳定性则表现出不同的变化趋势,亲水颗粒泡沫的稳定时间随C A 增加一直增加,而疏水颗粒泡沫的稳定时间则随C A 增加而降低㊂分析原因是:当C A 超过4.0%时,亲水颗粒泡沫中表面活性剂和颗粒间依旧是协同作用,而疏水颗粒泡沫中表面活性剂和颗粒间发生抵抗作用㊂亲水颗粒主要分散在泡沫中液相结构的内部,界面上表面活性剂浓度增加甚至表面活性剂分子在颗粒表面少量吸附都未对亲水颗粒群结构的稳定性形成干扰,故泡沫稳定性在协同作用下随C A 增加不断增强㊂疏水颗粒主要吸附在气液界面上,与表面活性剂间发生的抵抗作用主要包括两方面:一方面,由于气液界面上的吸附空间有限,疏水颗粒和表面活性剂分子间发生竞争吸附,不利于界面稳定;另一方面,表面活性剂分子在疏水作用力和范德华力的作用下吸附到疏水颗粒表面,亲水基朝外,导致颗粒的亲水性增强,不利于气液界面上颗粒群结构的稳定性㊂2.2 表面活性剂分子吸附模拟(1)亲水颗粒表面分子吸附特性通过分子动力学(M D )模拟,分析了P O O A B和D A B 混合分子在亲水硅颗粒表面的吸附现象,截取了分子运动模拟前后的分子构型视图,如图7所示㊂图7(a )为计算初始时刻的分子构型,P O O A B 和D A B 分子较为均匀地分散在水分子中,表面活性剂分子间未形成明显的聚集㊂计算5000p s822火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第31卷第4期后,结果如图7(b )所示,一方面硅颗粒表面吸附有明显的水分子层,表现出明显的亲水性;另一方面,表面活性剂分子在水分子中间聚集,且聚集体位置离固体表面有一定距离,说明表面活性剂分子在亲水性硅颗粒表面未发生明显的吸附㊂(原子颜色:O -,S i -,H -,C H 2-,C l -,N -,F -)图7 计算前后亲水颗粒表面附近区域的分子分布视图F i g .7 S n a p s h o t s o f t h e c o n f i gu r a t i o n s o f t h em o l e c u l e s c l o s e t o t h e h y d r o p h i l i c s u r f a c e a t t h e b e g i n n i n ga n d t h e e n do f t h e s i m u l a t i o n r u n在泡沫稳定性实验(图5)中,发现含亲水颗粒泡沫的稳定性随着表面活性剂浓度增大而一直增大㊂结合分子模拟结果可以得知:在含亲水颗粒泡沫中,表面活性剂浓度增大未对颗粒表面润湿性产生影响,而是增强了颗粒与表面活性剂间的协同作用,进而增加了泡沫稳定性㊂(2)疏水颗粒表面分子吸附特性通过分子动力学(M D )模拟,分析了P O O A B和D A B 分子在疏水性硅颗粒表面的运动和吸附过程,截取了分子模拟前后的分子构型视图,如图8所示㊂在计算初始时刻(图8(a )),由于硅颗粒表面疏水基的疏水作用,水分子主要分布在远离颗粒表面的区域;P O O A B 和D A B 分子均匀地分散在水分子中㊂计算5000p s 后(图8(b )),表面活性剂分子和水分子出现了分离,表面活性剂分子倾向于分布在水分子外围,包括固液界面和气液界面㊂P O O A B 和D A B 分子在疏水相互作用下在疏水性硅颗粒表面形成了明显吸附,表面活性剂分子的疏水基朝向颗粒,亲水基朝外,水分子在表面活性剂分子层外与其亲水基接触,表明溶液中疏水硅颗粒表面由于表(原子颜色:O -,S i -,H -,C H 2-,C l -,N -,F -)图8 计算前后疏水颗粒表面附近区域的分子分布视图F i g .8 S n a p s h o t s o f t h e c o n f i gu r a t i o n s o f t h em o l e c u l e s c l o s e t o t h e h y d r o p h o b i c s u r f a c e a t t h e b e g i n n i n ga n d t h e e n do f t h e s i m u l a t i o n r u n面活性剂分子吸附而变得亲水㊂在泡沫稳定性实验(图6)中,发现当泡沫中表面活性剂浓度超过0.26w t %(C A 超过4.0%)时,疏水颗粒泡沫的稳定性随着表面活性剂浓度增大而减小㊂结合分子模拟结果可以认为:在疏水颗粒泡沫中,当表面活性剂浓度超过一定值时,表面活性剂分子在疏水基相互作用下吸附到颗粒表面,导致颗粒表面变得亲水,不利于疏水颗粒在气液界面上稳定吸附,从而不利于界面上疏水颗粒群结构的稳定性和泡沫稳定性㊂2.3 泡沫层抗烧性实验泡沫中添加纳米颗粒能够提升泡沫的粘度,但由于纳米颗粒浓度较低(不超过3.0w t %),泡沫仍具有较好的流淌性,能够在油品表面铺展形成覆盖隔离层㊂在泡沫层抗烧性实验中,主要采用亲水颗粒,因为亲水颗粒利于固液混合㊂将不同颗粒浓度泡沫层的抗烧时间测试结果做成柱状图,如图9所示㊂发现三相泡沫层的抗烧时间较气液两相泡沫有明显提升,且泡沫层抗烧性随着颗粒浓度增加不断提升㊂三相泡沫中的纳米硅颗粒一方面能延缓泡沫析液㊁抑制歧化过程,从而提升泡沫的热稳定性,另一方面还能吸收和散射来自火焰的热辐射,提升泡沫层的辐射热阻,从而提升泡沫层的隔热性和抗烧性㊂在实际灭火过程中,泡沫的稳定性和抗烧性优良,能够提升泡沫的灭火效率㊂922V o l .31N o .4周日峰:含纳米二氧化硅颗粒三相泡沫性能与作用机理研究图9不同亲水颗粒浓度泡沫层的抗烧性测试结果F i g.9R e s u l t s o f t h e b u r n b a c k t e s t o f f o a ml a y e rw i t hd i f fe r e n t h y d r o p h i l i c p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n s3结论基于两性离子型的水成膜泡沫液和纳米硅颗粒,制得新型水成膜三相灭火泡沫㊂实验研究了三相泡沫发泡性和稳定性的变化规律,分析了泡沫组成和工况参数对泡沫性能的影响规律,其中影响参数主要包括颗粒浓度㊁颗粒表面润湿性㊁表面活性剂浓度等㊂通过分子动力学(M D)模拟,研究了泡沫溶液中表面活性剂分子吸附对硅颗粒表面润湿性的影响,揭示了泡沫中颗粒与表面活性剂间相互作用对泡沫稳定性的影响机理㊂主要结论如下:(1)随着颗粒浓度增加,泡沫稳定时间和抗烧能力显著增长,而对发泡性影响不大㊂当颗粒浓度为1.5w t%时,三相泡沫的稳定时间约为气液两相泡沫的40倍㊂(2)三相泡沫中颗粒表面润湿性影响颗粒与表面活性剂间的相互作用,进而影响泡沫稳定性㊂在亲水颗粒泡沫中,泡沫溶液中表面活性剂分子对颗粒表面润湿性的影响不大,表面活性剂浓度增加能够强化二者间的协同作用,利于泡沫稳定㊂而在疏水颗粒泡沫中,当表面活性剂浓度不高时,表面活性剂浓度增加能够强化二者间的协同作用;当表面活性剂浓度超过一定值时,二者间出现抵抗作用㊂两个原因导致抵抗作用:一是表面活性剂分子吸附导致疏水颗粒表面的亲水性增强,二是表面活性剂分子和疏水颗粒在气液界面上发生竞争吸附,都不利于气液界面上疏水颗粒群结构稳定㊂实验测得水成膜三相泡沫中泡沫液的适用浓度是3.0%㊂研究成果为优化三相灭火泡沫配方和提升泡沫灭火效率提供了科学依据㊂参考文献[1]祝超,刘钊,梁龙群.地下水封石洞油库工程智慧化施工解决方案[J].人民长江,2021,52(s2):326-329.[2]A r g y r o p o u l o s C D,S i d e r i s G M,C h r i s t o l i s M N,N i v o l i a n i t o uZ,M a r k a t o s N C.M o d e l l i n g p o l l u t a n t s d i s p e r s i o na n d p l u m e r i s e f r o ml a r g eh y d r o c a r b o nt a n k f i r e s i nn e u t r a l l y s t r a t i f i e d a t m o s p h e r e[J].A t m o s p h e r-i cE n v 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纳米SiO2对泡沫混凝土强度的影响研究及机理分析纳米 SiO2 对泡沫混凝土强度的影响研究及机理分析张静1,2，刘向东1，于建民1,3(1. 内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特 010050; 52. 内蒙古建筑职业技术学院机电与暖通工程分院，呼和浩特 010070;3. 内蒙古建筑职业技术学院建筑工程分院，呼和浩特 010070)2O2、Fecl3 等物质 H摘要:以快硬型硫铝硅酸盐水泥为主要原料,用粉煤灰取代部分水泥, 以作为发泡剂,以硬质酸钙作为稳泡剂制备泡沫混凝土。

探讨了纳米 SiO2 对泡沫混凝土抗压强度的影响。

初步探讨纳米 SiO2 泡沫混凝土形成过程的机理分析。

研究表明,通过添加纳米 10SiO2，7 天的抗压强度最高可提高 15%，28 天的抗压强度最高可提高 18%。

纳米 SiO2 的加入改变了泡沫表面吸附分子的分子结构与他们之间的相互作用。

关键词:建筑材料;泡沫混凝土;纳米 SiO2;粉煤灰;H2O2;Fecl3中图分类号:TU528.042.415Effect of nano SiO2 on the properties and form mechanismof foamed concreteZhang Jing1,2, Liu Xiangdong1, Yu Jianmin1,3(1. School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology,20 Hohhot 010051;2. Mechanical and Electrical Department,Inner Mongolia Technical Collage of Construction, Hohhot 010070;3. Construction Department,Inner Mongolia Technical Collage of Construction, Hohhot 010070) Abstract: In this paper,foamed concrete is prepared with sulphate aluminium cement, fly ash, 25 2O2, Fecl3,calcium stearate and nano SiO2. The impact of the content of ano SiO2 on the Hproperties of compressive strength of foamed concrete is investigated, as well as the additive of ano SiO2 in the formation of foamed concrete is analyzed. Results of the study show that compressive strength of 7 days can be increased 15% and compressive strength of 28 days can be increased 18% respectively through adding nano SiO2. Nano SiO2 can be used as foam stabilizer, make shorting the foaming time, improving the foaming ability. 30 Keywords: Building materials; Foamed concrete; Nano SiO2; Fly ash; H2O2; Fecl30 引言泡沫混凝土是以水泥、粉煤灰、发泡剂等为主要原料,通过加入添加剂,经自然养护成型而制得的多孔混凝土材料[1]。