2.3 XRD和FTIR分析

為了分析表面活性劑對多孔地聚物物相組成和化學(xué)組成的影響，對試樣進(jìn)行了 XRD 和 FTIR 表征，結(jié)果如圖8所示。所有試樣均未生成新晶相，仍然能觀察到18~32°之間代表 K-A-S-H 凝膠的饅頭狀寬泛峰，說明加入表面活性劑后不能阻礙地聚物凝膠生成。譜圖中代表石英和莫來石晶體的特征峰明顯，但是峰的強(qiáng)度不同，可以看出摻入離子表面活性劑 Meap-k, SDS, CTAB 后，石英峰強(qiáng)度比摻入非離子表面活性劑 Tween-80, APG 的強(qiáng)度低。研究表明，表面活性劑可以通過吸附到原材料、凝膠和相間邊界的表面上而影響地聚物，石英相的峰強(qiáng)變化可能是由于表面活性劑影響了石英的轉(zhuǎn)化。離子型表面活性劑因其分子結(jié)構(gòu)與石英表面電荷匹配性較差，導(dǎo)致其在石英表面的吸附效率較低。石英顆粒未被過度包裹，堿性溶液與石英的接觸未被顯著抑制，石英溶解量接近未添加表面活性劑的體系。

Fig.8 多孔地聚物的XRD譜圖

圖9為不同表面活性劑添加量的多孔地聚物的 FTIR 譜，在1650~1660 cm-1 處的弱峰是由于 O-H 鍵的彎曲振動。這些峰的強(qiáng)度變化可以歸因于多孔地聚物中存在的結(jié)構(gòu)水。在地聚物體系中，尤其是在堿性條件下，KOH 與空氣中的 CO2 反應(yīng)，會形成 K2CO3 等碳酸鹽。因此在1410~1430 cm-1處的吸收帶對應(yīng)于 O-C-O 的伸縮振動峰，確認(rèn)了碳酸鹽基團(tuán)的存在。在1079 cm-1 附近的吸收峰歸屬于聚合過程中形成的 Si-O-T (T為Al或K)鍵的不對稱伸縮振動，是與堿性鋁硅酸鹽凝膠相關(guān)的重要峰，這意味著基體中發(fā)生了化學(xué)變化，即生成了 K-A-S-H 凝膠，這一結(jié)果與XRD的分析結(jié)果相對應(yīng)，即表面活性劑的加入不會阻止水化反應(yīng)的進(jìn)行。

Fig.9 多孔地聚物的FTIR譜圖

2.4 比強(qiáng)度和密度分析

為了探究添加不同類型和濃度的表面活性劑對材料力學(xué)性能的影響，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度測試、密度測試及比強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度與密度的比值)計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。未添加表面活性劑的 K1 樣品比強(qiáng)度最高(21.34 MPa·cm3/g)。添加后比強(qiáng)度顯著下降，其中 Meap-k, CTAB 和 APG 的比強(qiáng)度均超過1.03 MPa·cm3/g，而 Tween-80 和 SDS 的比強(qiáng)度則低于0.60 MPa·cm3/g。M1試樣的比強(qiáng)度為2.01 MPa·cm3/g，隨著 Meap-k 摻量的增加，比強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的趨勢。S3試樣的比強(qiáng)度為0.56 MPa·cm3/g，添加 SDS 的試樣表現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律。

在添加 CTAB 的試樣中，C1, C2 和 C4 試樣的比強(qiáng)度相近，均在1.10 MPa·cm3/g左右。T2試樣的比強(qiáng)度為0.61 MPa·cm3/g，在五組樣品中相對較高。A1 和 A4 試樣的比強(qiáng)度分別為1.63 和 1.52 MPa·cm3/g，表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能。表面活性劑類型對比強(qiáng)度影響顯著，原因在于：摻 Meap-k 時(shí)，雖孔隙率高，但多孔結(jié)構(gòu)緊實(shí)，比強(qiáng)度較高；CTAB 生成較多閉孔，APG 生成小孔徑分布孔隙，均有助于增加抗壓強(qiáng)度；而摻 SDS 時(shí)，地聚物結(jié)構(gòu)較疏松；Tween-80 生成較大孔徑通孔，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。

密度測試結(jié)果顯示，K1密度最大，為1.67 g/cm3。Meap-k 和 CTAB 的密度均先減后增，分別在 M2 和 S3 試樣達(dá)最低點(diǎn)(0.52 g/cm3)。CTAB 的密度隨摻量增加而持續(xù)下降。T2 試樣的密度在添加 Tween-80 的試樣中最低，為0.73 g/cm3。APG 的密度則呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。

綜合孔隙率、比強(qiáng)度和密度測試結(jié)果，確定幾種表面活性劑最佳添加量：Meap-k 0.04%, SDS 3%, CTAB 2%, Tween-80 1%, APG 0.7%，以獲得最佳多孔地聚物性能。本研究揭示了表面活性劑種類對多孔地聚物制備的顯著影響，表明通過調(diào)整表面活性劑類型和用量，可定制材料性能以滿足應(yīng)用需求。深入理解其作用機(jī)制，對探索不同類型表面活性劑的協(xié)同效應(yīng)至關(guān)重要，為地聚物性能優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

Fig.10 不同表面活性劑下多孔地聚物的比強(qiáng)度與密度

3 結(jié)論

本工作系統(tǒng)探討了五種表面活性劑(Meap-k, APG, Tween-80, SDS, CTAB)對粉煤灰基多孔地聚物孔結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有表面活性劑的引入均能顯著降低堿性溶液的表面張力，并通過延緩漿料發(fā)泡進(jìn)程、增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性優(yōu)化了發(fā)泡工藝。具體而言，表面活性劑延長了氣泡形成與穩(wěn)定時(shí)間，從而為形成均勻孔結(jié)構(gòu)提供了動力學(xué)條件。XRD 和 FTIR 分析顯示，表面活性劑的加入并未改變地聚物的物相組成和化學(xué)組成。進(jìn)一步分析孔結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，不同表面活性劑對孔形態(tài)與孔徑分布具有特異性調(diào)控作用，SEM 及孔徑分布測試顯示，表面活性劑類型與添加量是決定孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。

通過綜合評估比強(qiáng)度、密度與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，五種表面活性劑的性能排序?yàn)?Meap-k > APG > Tween-80 > SDS > CTAB。其中，Meap-k 在0.04%低添加量下即展現(xiàn)出最優(yōu)異的調(diào)控效果，而 SDS, CTAB, Tween-80 和 APG 的最佳添加量分別為3%、2%、1%和0.7%。該研究為定向設(shè)計(jì)高性能多孔地聚物提供了理論依據(jù)與工藝優(yōu)化方案。