2.2 孔結(jié)構(gòu)分析

為了比較摻入不同表面活性劑試樣的孔形貌差異，對(duì)其進(jìn)行了 SEM 測(cè)試。由于同一種表面活性劑在形貌上區(qū)別不顯著，選取了一部分試樣進(jìn)行分析，如圖5所示。試樣K1(見(jiàn)圖5a)呈現(xiàn)出彈坑狀的閉孔，孔徑小且均勻。試樣M2(見(jiàn)圖5b)的內(nèi)部形成了大小均勻的孔，與試樣K1相比，出現(xiàn)大量通孔。試樣S1(見(jiàn)圖5c)的閉孔數(shù)量較多，孔大小均勻，但地聚物質(zhì)地較為疏松。C4(見(jiàn)圖5d)試樣主要為閉孔，僅有少量通孔，而T5(見(jiàn)圖5e)試樣則主要為大的通孔，孔壁上散布著大量小孔。A4(見(jiàn)圖5f)試樣孔結(jié)構(gòu)兼具通孔和閉孔形態(tài)，其中通孔數(shù)量相對(duì)較多。經(jīng)對(duì)比，不同表面活性劑對(duì)多孔地聚物孔形貌的影響不同：陰離子表面活性劑(Meap-k/SDS)通過(guò)與 K+ 的電荷吸引作用，減少分子間的緊密結(jié)合，從而增加孔隙的通透性；但表面活性劑濃度過(guò)高時(shí)可能阻礙氣泡生成和長(zhǎng)大，因此摻入 SDS 的試樣形成較多閉孔；陽(yáng)離子表面活性劑(CTAB)通過(guò)電荷作用促使地聚物顆粒凝聚，導(dǎo)致孔隙聚集或增大，同時(shí)局部交聯(lián)密度的增加導(dǎo)致更易形成閉孔結(jié)構(gòu)；非離子表面活性劑(APG/Tween-80)通過(guò)調(diào)節(jié)疏水-親水平衡控制孔形態(tài)，具體結(jié)構(gòu)受基團(tuán)比例與濃度調(diào)控。

Fig.5 不同表面活性劑下多孔地聚物的SEM照片 (a) K1; (b) M2; (c) S1; (d) C4; (e) T5; (f) A4

為了探究多孔地聚物孔徑分布和不同類型表面活性劑之間的關(guān)系，對(duì)孔徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。K1試樣內(nèi)部孔徑最小，主要集中在20~90 μm區(qū)間內(nèi)。摻入 Meap-k 的試樣(M1-M5)的孔徑分布相對(duì)集中于50~700 μm范圍內(nèi)，少數(shù)孔徑大于700 μm，且隨著Meap-k添加量的增加，試樣的平均孔徑呈增加趨勢(shì)。S1-S5試樣孔徑分布相對(duì)均勻，S4的分布范圍較大，最大孔徑可達(dá)到850 μm。摻入CTAB/Tween-80的試樣多數(shù)孔徑達(dá)到毫米級(jí)水平，其中C3試樣最大孔徑接近4 mm。添加 APG 表面活性劑的試樣整體孔徑小于添加其他表面活性劑的試樣，主要分布在50~200 μm區(qū)間內(nèi)，當(dāng)添加量為0.5%時(shí)，孔徑最小，平均孔徑可降至141.5 μm。多孔地聚物試樣孔徑分布的差異可以根據(jù)表面張力和漿料體積膨脹率來(lái)解釋，研究發(fā)現(xiàn)大孔徑的試樣表面張力低，膨脹率較高，而小孔徑的樣品表面張力相對(duì)較高，而膨脹率相對(duì)較低。這可能是因?yàn)楸砻鎻埩Φ蜁r(shí)，氣泡的生成和生長(zhǎng)速度通常較快。氣體更容易進(jìn)入液體，并在氣泡內(nèi)部積聚，導(dǎo)致氣泡迅速變大。因?yàn)闅馀菽ぽ^薄，氣泡更容易膨脹并形成較大的孔徑，在表面活性劑的作用下，大孔徑氣泡可以在漿料中穩(wěn)定存在。

Fig.6 不同表面活性劑下多孔地聚物的孔徑分布

通過(guò)對(duì)試樣孔形貌和粒徑分布的觀察，發(fā)現(xiàn)表面活性劑的種類和添加量對(duì)多孔地聚物孔結(jié)構(gòu)有顯著影響。

多孔地聚物的過(guò)濾性能取決于孔隙率(總孔隙體積)與通孔率(連通孔道占比)的協(xié)同作用，高通孔率通過(guò)構(gòu)建低迂曲度通道提升過(guò)濾通量，而適度孔徑分布可實(shí)現(xiàn)篩分截留與高通量的平衡。需注意閉孔雖能提升表觀孔隙率卻會(huì)阻礙傳質(zhì)，優(yōu)化表面活性劑的類型和添加量以提升通孔率并調(diào)控孔徑，是平衡過(guò)濾通量與截留精度的關(guān)鍵。為此本研究測(cè)試了表面活性劑種類和添加量對(duì)多孔地聚物孔隙率和通孔率的影響，結(jié)果如圖7所示。

K1試樣的孔隙率和通孔率最低，分別為25.1%和9.4%。隨著表面活性劑的加入，試樣的孔隙率和通孔率顯著提升。在這些樣品組中，Meap-k 系最優(yōu)，M2孔隙率和通孔率達(dá)83.8%和71.4%。APG 系總孔隙率大于70%，通孔率在60%左右。其中，A4試樣通孔率最高，為67.4%。其次是 Tween-80 和 SDS, Tween-80 的總孔隙率較高，T3總孔隙率最高接近90%，而通孔率隨添加量的增大呈下降趨勢(shì)，通孔率最高為53.1%；SDS 的總孔隙率最大值為79.3%，通孔率相差較小，通孔率平均值為44.3%。CTAB 的孔隙率和通孔率測(cè)試結(jié)果偏低，孔隙率在64.3%~71.5%之間，通孔率在40%~50%范圍內(nèi)。

Fig.7 不同表面活性劑下多孔地聚物的孔隙率與通孔率

根據(jù)孔隙率和通孔率的評(píng)估結(jié)果，幾種表面活性劑的性能優(yōu)劣順序依次為 Meap-k, APG, Tween-80, SDS 和 CTAB。