2.2 孔結構分析

為了比較摻入不同表面活性劑試樣的孔形貌差異，對其進行了 SEM 測試。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行分析，如圖5所示。試樣K1(見圖5a)呈現(xiàn)出彈坑狀的閉孔，孔徑小且均勻。試樣M2(見圖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(見圖5d)試樣主要為閉孔，僅有少量通孔，而T5(見圖5e)試樣則主要為大的通孔，孔壁上散布著大量小孔。A4(見圖5f)試樣孔結構兼具通孔和閉孔形態(tài)，其中通孔數(shù)量相對較多。經(jīng)對比，不同表面活性劑對多孔地聚物孔形貌的影響不同：陰離子表面活性劑(Meap-k/SDS)通過與 K+ 的電荷吸引作用，減少分子間的緊密結合，從而增加孔隙的通透性；但表面活性劑濃度過高時可能阻礙氣泡生成和長大，因此摻入 SDS 的試樣形成較多閉孔；陽離子表面活性劑(CTAB)通過電荷作用促使地聚物顆粒凝聚，導致孔隙聚集或增大，同時局部交聯(lián)密度的增加導致更易形成閉孔結構；非離子表面活性劑(APG/Tween-80)通過調(diào)節(jié)疏水-親水平衡控制孔形態(tài)，具體結構受基團比例與濃度調(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系，對孔徑進行統(tǒng)計，結果如圖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。S1-S5試樣孔徑分布相對均勻，S4的分布范圍較大，最大孔徑可達到850 μm。摻入CTAB/Tween-80的試樣多數(shù)孔徑達到毫米級水平，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)，當添加量為0.5%時，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較高，而膨脹率相對較低。這可能是因為表面張力低時，氣泡的生成和生長速度通常較快。氣體更容易進入液體，并在氣泡內(nèi)部積聚，導致氣泡迅速變大。因為氣泡膜較薄，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

通過對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多孔地聚物孔結構有顯著影響。

多孔地聚物的過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，高通孔率通過構建低迂曲度通道提升過濾通量，而適度孔徑分布可實現(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，是平衡過濾通量與截留精度的關鍵。為此本研究測試了表面活性劑種類和添加量對多孔地聚物孔隙率和通孔率的影響，結果如圖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，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試結果偏低，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估結果，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。