2020-12-02
介紹
溶膠-凝(ning)膠工(gong)藝經常(chang)用于(yu)(yu)制(zhi)備(bei)介(jie)孔(kong)材料(liao)(liao)，介(jie)孔(kong)材料(liao)(liao)由于(yu)(yu)具有特殊的性能(neng)已經應用于(yu)(yu)多各行業，例如建筑、絕緣材料(liao)(liao)、特殊玻(bo)璃或(huo)陶瓷等(deng)。它們的制(zhi)備(bei)通常(chang)需(xu)要(yao)兩(liang)步(bu)(bu)(bu)工(gong)藝：步(bu)(bu)(bu)聚合形成凝(ning)膠（添加引發劑），第二步(bu)(bu)(bu)干燥凝(ning)膠獲得硬質材料(liao)(liao)。
在(zai)步中，配方(fang)（引發(fa)劑濃(nong)(nong)度、單體性質）和凝(ning)膠(jiao)過程（溫度條件）決定了終的凝(ning)膠(jiao)性質。本文利(li)用Rheolaser Master微流變儀(yi)對溶膠(jiao)-凝(ning)膠(jiao)過程進行了測(ce)試，研究引發(fa)劑濃(nong)(nong)度和溫度條件對凝(ning)膠(jiao)性質的影響。
測試技術回顧
Rheolaser®基(ji)于MS-DWS多重(zhong)光散射(she)測試(shi)技術，測試(shi)過(guo)程對樣品*無(wu)擾動，可以(yi)監測凝膠(jiao)原位(wei)狀態(tai)下(xia)(xia)的(de)粘彈性變(bian)化過(guo)程，儀器具有6個測試(shi)通道(dao)，用于快速和同時篩選(xuan)不同配方(fang)。典型(xing)的(de)溶(rong)膠(jiao)-凝膠(jiao)測試(shi)結(jie)果如下(xia)(xia)所示(shi)。
均方根(gen)位移（MSD）是經典的微流變學(xue)（Microrheology）參(can)數(shu)，它包含了樣品的粘(zhan)彈性(xing)(xing)信息，短直線(xian)（紅色）指示樣品在該時(shi)刻為純液體行(xing)為，隨著(zhu)溫度或(huo)者老化(hua)時(shi)間(jian)的改變，當曲(qu)線(xian)產生(sheng)彈性(xing)(xing)平(ping)臺（粉紅）時(shi)，表(biao)明(ming)樣品變成了凝膠狀或(huo)固體性(xing)(xing)質。
材料和方法
分別在30℃和20℃條(tiao)件下，測量二氧化硅(gui)溶(rong)液加入(ru)不同濃(nong)度的(de)引(yin)發劑后的(de)凝膠過程（樣品1具有(you)較低(di)的(de)引(yin)發劑濃(nong)度，樣本4濃(nong)度高）。
目的：研究引(yin)發(fa)劑濃度(du)、溫度(du)對溶(rong)膠-凝膠動力學的影響。
由(you)于樣(yang)品是透明狀態，無法(fa)形成有效的背散射(she)，所(suo)以在樣(yang)品中加(jia)入(ru)0.1%wt的1μm三聚氰胺樹(shu)脂顆粒作為示(shi)蹤顆粒。樣(yang)品制(zhi)備完成后，直(zhi)接轉(zhuan)移(yi)到20毫(hao)升(sheng)的玻璃(li)小瓶(ping)中，放(fang)入(ru)Rheolaser Master進行測量。
結果與討論
溶膠凝(ning)膠轉變點的測定
彈(dan)(dan)性(xing)(xing)指(zhi)數（EI）可以量化樣品的(de)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)變化過程(cheng)。EI越高(gao)，樣品的(de)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)越高(gao)。圖2比較(jiao)了樣品1到(dao)4的(de)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)指(zhi)數在30°C下1h內的(de)變化過程(cheng)，當引發劑濃(nong)度較(jiao)低(di)時，EI增加緩(huan)慢，未形(xing)成凝(ning)膠。當引發劑濃(nong)度逐漸增大后，EI起始增加的(de)時間提前，終彈(dan)(dan)性(xing)(xing)也有所提升。
從上圖可以確定凝膠過程兩個(ge)特征時間(jian)：
-凝膠時間（凝膠點，軟(ruan)件TCS計(ji)算一鍵獲得(de)）
-凝膠結束時(shi)間（EI到達平衡時(shi)的時(shi)間）
TCS計算凝膠點方法請查閱物理(li)學報Microrheology of the Liquid-Solid Transition during Gelation一文
表1列出了不同引發劑濃度下的凝膠特征時間和實驗結束時（t=60min）的彈性因子EI
凝膠(jiao)點和凝膠(jiao)結束時(shi)(shi)間(jian)隨(sui)著引發劑濃度的增加(jia)而降低。然而，終彈(dan)性EI sample 4＜EI sample 3，這(zhe)說明當引發劑過(guo)大時(shi)(shi)，可能導致(zhi)凝膠(jiao)彈(dan)性較弱。2、3、4樣品的終凝膠(jiao)時(shi)(shi)間(jian)都小于1h，對于本應(ying)用來(lai)說，需(xu)要延長凝膠(jiao)時(shi)(shi)間(jian)以獲(huo)取更高的透明度。
凝膠過程優化
為(wei)了(le)延長凝(ning)(ning)(ning)膠時間，可以通(tong)過(guo)降低反應溫度(du)為(wei)了(le)減緩凝(ning)(ning)(ning)膠速度(du)。圖3顯示了(le)相同4個樣品在20°C下的溶(rong)膠-凝(ning)(ning)(ning)膠過(guo)程，而不(bu)是之前(qian)的30°C。
表2列出了膠凝時間、膠凝結束時間和實驗結束時的彈性（t=60分鐘）。
正如(ru)預期的那(nei)樣，降低反應溫度(du)，延緩(huan)了凝(ning)(ning)膠開始(shi)時間和(he)凝(ning)(ning)膠結束時間。高引發劑濃度的(de)兩個樣品(pin)(pin)（樣品(pin)(pin)3和(he)4）已經看到(dao)了(le)(le)它們的(de)膠凝(ning)時間超過了(le)(le)1h，樣品(pin)(pin)2的(de)終凝(ning)膠時間達到(dao)了(le)(le)120min，對于(yu)本應用(yong)而言，這是(shi)一個非常理想的(de)凝(ning)膠過程。
結論
Rheolaser Master微流變(bian)儀(yi)是分析溶膠(jiao)(jiao)-凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)過程(cheng)非常(chang)有力的工(gong)具，提供樣品凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)過程(cheng)粘彈性變(bian)化的詳細信息(xi)，分析凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)機理(li)和測(ce)量凝(ning)(ning)(ning)膠(jiao)(jiao)特征(zheng)時間。
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