理学院青年教师在《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》发表科研成果

理学院青年教师在《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》发表科研成果

近日，理学院王超课题组在国际胶体与界面领域期刊《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》（影响因子：5.4，中科院二区）在线发表了题为"High-strength, low shrinkage and lightweight silica foam ceramics made by an emulsion-templated particle-stabilized method"的研究论文。材料科学与技术学院本科生于茜瑶、王五洲为论文共同第一作者，理学院王超老师为通讯作者，材料科学与技术学院本科生张珈闵参与了该研究。

多孔陶瓷因其轻质、多功能的特性，自20世纪下半叶以来受到广泛关注，在吸附、分离、隔热、催化及生物工程等领域展现出重要应用前景。颗粒稳定发泡法（particle-stabilized foaming method）作为一种新兴的多孔陶瓷制备技术，能够利用微纳尺度的陶瓷颗粒构建Pickering泡沫体系，获得孔隙率超过90%且具有足够力学强度的泡沫陶瓷产品。然而，该方法所制备材料的孔径通常处于数十至上百微米量级，限制了多孔材料在精细过滤、催化载体等高附加值领域的潜在应用。如何在保持高孔隙率和优异力学性能的同时，实现孔径的微米级精确调控，一直是该领域亟待解决的关键科学问题。

针对上述挑战，研究团队创新性地采用含不同水油比的O/W Pickering乳液模板体系，结合颗粒稳泡法制备了具有亚微米级精细孔结构的二氧化硅泡沫陶瓷。实验以Ludox TM-40纳米二氧化硅悬浮液为水相、十二烷为油相，通过调控固含量（20%和40%）及水油相比（4:1至1:2），系统研究了乳液组成对泡沫陶瓷微观结构、孔隙特征和力学性能的影响规律（图1）。

表1 氧化硅泡沫陶瓷样品干燥收缩率

Samples	S40-4-1	S40-2-1	S40-3-2	S40-1-1	S40-2-3	S40-1-2	S40-gas
Drying shrinkage / %	12.5±1.6	13.3±2.2	10.7±1.6	9.2±2.8	7.8±1.6	7.7±4.7	17.7±1.1
Samples	S20-4-1	S20-2-1	S20-3-2	S20-1-1	S20-2-3	S20-1-2	S20-gas
Drying shrinkage / %	25.5±4.7	21.6±3.9	21.1±2.9	19.9±3.2	17.7±9.4	10.4±1.3	33.5±0.3

该乳液模板法制备的泡沫陶瓷表现出优异的尺寸稳定性。样品的最低收缩率仅为9.2%（表1），远低于传统气泡模板法的收缩率，这主要归因于油相的引入有效干扰了二氧化硅纳米颗粒之间的氢键作用和疏水相互作用，抑制了干燥过程中颗粒的过度重排与团聚。在力学性能方面，40%固含量样品展现出显著优于20%固含量样品的抗压强度（图2）。通过Gibson-Ashby模型拟合分析，S40系列样品在相同孔隙率水平下的力学强度明显优于已有文献报道的二氧化硅泡沫陶瓷，充分体现了其独特的微观结构——纳米级孔径与致密化的颗粒基质——对力学性能的协同增强效应。

研究团队还借助荧光染料尼罗红对乳液模板湿坯的干燥行为进行了监测（图3）。实验发现，在干燥过程中，油相自发地从内部相向外扩散至颗粒基质中，导致颗粒发生重排、原有团聚体解聚，同时改变了溶剂环境，使得硅醇基团之间的缩合反应受到抑制。基于上述观察，研究提出了乳液模板泡沫陶瓷的四阶段干燥机理，为深入理解此类材料的形成过程提供了重要的理论指导。

该研究将Pickering乳液模板与颗粒稳泡法相结合，突破了传统泡沫陶瓷孔径难以精确调控的瓶颈，成功制备了具有亚微米级微孔结构、低收缩率和高力学强度的轻质二氧化硅泡沫陶瓷。研究系统揭示了水油比、固含量等关键参数对微观结构和性能的影响机制，并提出了乳液模板泡沫陶瓷的干燥机理模型。研究成果为泡沫陶瓷的微结构精确设计提供了新的技术路径，有望在隔热保温、吸声降噪、过滤分离及催化等领域获得广泛应用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2026.141364

撰稿：王五洲、王超 审稿：司林