從“泡泡”悟出的陶瓷發(fā)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(fā)泡陶瓷的基本原理，發(fā)泡和穩(wěn)定的機理。

關(guān)鍵詞：發(fā)泡陶瓷;肥皂泡;氣液界面;分相;析晶;陶瓷發(fā)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(fā)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(chǎn)不出發(fā)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(wěn)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(wěn)定劑體積百分比大約5%，其他外加質(zhì)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，同樣穩(wěn)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(yōu)于膠水，膠水優(yōu)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(fā)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(zhì)，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(zhì)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)壁的吸附力改變了表面張力的結(jié)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(jié)果。

對空氣中的肥皂泡進行分析，從泡內(nèi)到泡外依次是內(nèi)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(wěn)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(chǎn)生。加入食堿，調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)的形狀。加入食堿和食醋，二者反應產(chǎn)生的醋酸鈉，同樣也是表面活性劑，有助于改善界面性質(zhì)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?shù)恼疹櫍┤缬茖W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(wěn)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(nèi)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(fā)泡陶瓷的啟示

觸類旁通，在高溫下，發(fā)泡劑由于分解反應，產(chǎn)生氣相。如果玻璃液相能及時出現(xiàn)，潤濕、浸潤、溶解晶體的同時能及時包裹、溶解氣相，產(chǎn)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(fā)泡陶瓷中的組分、成分開始進行紛繁復雜熱化學反應和發(fā)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(fā)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(nèi)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(wěn)態(tài)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(wěn)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(shè)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(wěn)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(diào)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(wěn)定劑的晶相。

同時，不同于肥皂泡中空氣，發(fā)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(zhì)，在特定溫度條件下，氣泡中的氣他與氣液界面的氣膜層發(fā)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(fā)泡陶瓷發(fā)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(chǎn)來說，基于什么樣的生產(chǎn)方式就需要選擇什么樣的發(fā)泡劑以及發(fā)泡劑的粒度，這些以后另篇闡述。關(guān)鍵是玻璃液相的產(chǎn)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(jié)構(gòu)，對氣液界面、液固界面有什么影響力?；谏a(chǎn)的意義，原料，原料的穩(wěn)定性，原料的粒度、均勻性，以及生產(chǎn)過程成型、燒成，尤其是燒成的溫度制度，保溫時間都至關(guān)重要。

4 結(jié)論

實驗之余，聯(lián)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(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象產(chǎn)生的機理。觸類旁通，大膽推測分析泡沫玻璃和發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)過程中的一些現(xiàn)象，得出下面幾點有意義的啟示：

1）高溫生產(chǎn)狀態(tài)下，泡沫玻璃和發(fā)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(chǎn)生類似與肥皂液中的表面活性劑、穩(wěn)定劑，它們是泡沫玻璃和發(fā)泡陶瓷研制和生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2）為了促使分相或者析晶，需要調(diào)整硅鋁比至合適狀態(tài)，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(wěn)定劑的晶相。

3）發(fā)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(zhì)，在特定溫度條件下，氣泡中的氣體與氣液界面的氣膜層發(fā)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(fā)和生產(chǎn)有現(xiàn)實意義。

4）生產(chǎn)時，原料的選擇，原料的穩(wěn)定性，原料的粒度、均勻性，以及生產(chǎn)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(guān)重要。他們能影響玻璃液相的粘度，玻璃液相中的異質(zhì)相，改變界面膜結(jié)構(gòu)。

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