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題目：Superior performance foamed concrete fabricated with amphiphilic and hydrophilic particles stabilized ultra-stable foam（用兩親性和親水性顆粒穩(wěn)定的超穩(wěn)定泡沫制備的高性能泡沫混凝土）

關(guān)鍵詞：多壁核殼結(jié)構(gòu)；超穩(wěn)定泡沫；泡沫混凝土；力學(xué)強(qiáng)度；隔熱

在建筑行業(yè)中，具有足夠強(qiáng)度、卓越隔熱性能和節(jié)能特性的材料供不應(yīng)求。泡沫混凝土以其成本效益高、超輕成分和顯著的隔熱特性，顯示出在提高能效應(yīng)用方面的巨大潛力。然而，由于泡沫穩(wěn)定性不足，目前泡沫混凝土的強(qiáng)度和隔熱性能未能滿足工程需求，從而阻礙了其廣泛應(yīng)用。為應(yīng)對此挑戰(zhàn)，通過耦合表面活性劑、Janus-ZrO2納米顆粒和親水性均勻SiO2的協(xié)同效應(yīng)，成功合成了一種具有多壁核殼結(jié)構(gòu)的超穩(wěn)定泡沫，通過修改氣液界面來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。利用這一創(chuàng)新方法，我們在泡沫混凝土的制備中引入含有5wt% Janus-ZrO2納米顆粒的超穩(wěn)定泡沫，最終密度為500 kg/m3。值得注意的是，這種泡沫混凝土表現(xiàn)出卓越的機(jī)械性能（抗壓強(qiáng)度為5.1 MPa）和出色的隔熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)為0.091 W/(m·K)）。這些改進(jìn)可以歸因于泡沫混凝土中孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和閉孔比例的增加，這都得益于超穩(wěn)定泡沫的使用。引入這種獨(dú)特的超穩(wěn)定泡沫有望擴(kuò)大泡沫混凝土在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

截至目前，全球的能源資源已經(jīng)被大量消耗，而建筑能耗約占總能耗的30-40% 。建筑施工也貢獻(xiàn)了總碳排放量的30%。鑒于這一現(xiàn)實(shí)，建筑節(jié)能和可持續(xù)性建設(shè)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究人員的極大關(guān)注，旨在減緩全球變暖排放。因此，聚氨酯泡沫、真空絕熱板和氣凝膠等輕質(zhì)保溫材料由于其節(jié)能潛力而在建筑中得到了應(yīng)用。然而，它們的廣泛使用受到機(jī)械性能低、成本高和制備方法復(fù)雜的限制。因此，迫切需要具有低成本生產(chǎn)、低導(dǎo)熱性和足夠強(qiáng)度的低碳建筑材料。

泡沫混凝土是一種多孔輕質(zhì)材料，因其可用性、經(jīng)濟(jì)性、耐用性和低導(dǎo)熱性而被認(rèn)為是有前途的節(jié)能建筑材料。泡沫混凝土的性能與其由泡沫產(chǎn)生的多孔微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此泡沫質(zhì)量是一個關(guān)鍵因素。納米顆粒已被認(rèn)為是泡沫的有效穩(wěn)定劑。它們在氣-水界面的吸附在抑制氣泡的粗化和合并中起著至關(guān)重要的作用，形成了致密的保護(hù)層。此外，某些納米顆粒可以集中在普拉特邊界，阻礙物理排水并有助于泡沫的有效穩(wěn)定。近年來，SiO2、TiO2、Al2O3 、ZrO2 和 CaCO3等納米顆粒已廣泛用于增強(qiáng)泡沫性能。納米顆粒的泡沫穩(wěn)定性的主要原因是它們可以被氣液界面吸附，而當(dāng)它們從界面分離時，它們對泡沫的保護(hù)作用也會喪失。使顆粒脫離界面的能量被定義為解吸能。均勻納米顆粒的解吸能約為幾千KBT，不能為泡沫提供足夠的保護(hù) 。因此，所產(chǎn)生的泡沫結(jié)構(gòu)仍然脆弱且易于破裂，這導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性差，在泡沫混凝土中表現(xiàn)不佳。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，當(dāng)前的研究強(qiáng)調(diào)了通過改性納米顆粒以實(shí)現(xiàn)更好的泡沫穩(wěn)定化效果。這一趨勢反映了提高泡沫混凝土整體性能的持續(xù)努力。

Janus顆粒由于其各向異性的多功能性，在單個顆粒內(nèi)表現(xiàn)出獨(dú)特的雙表面或化學(xué)性質(zhì)。值得注意的是，兩親性的Janus顆粒相比于其均勻的對應(yīng)物，在氣液界面處表現(xiàn)出三倍的解吸能。這種較高的解吸能確保了Janus顆粒不會輕易從水-空氣界面上脫落，從而提高了泡沫的穩(wěn)定性。近年來，兩親性Janus顆粒的獨(dú)特特性，包括其不對稱結(jié)構(gòu)、組成和表面物理化學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。這些顆粒在表面活性劑、傳感器、催化劑 、穩(wěn)定劑和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。盡管Janus顆粒應(yīng)用的廣泛探索，但在文獻(xiàn)中關(guān)于它們在泡沫穩(wěn)定化中的作用及其在泡沫混凝土中的應(yīng)用仍存在顯著空白。此外，僅依賴于Janus顆粒會導(dǎo)致形成致密的保護(hù)層，泡沫穩(wěn)定性不足。

為了應(yīng)對納米顆粒僅形成單層保護(hù)的問題，研究人員探索了各種策略。Llamas等通過同時將納米SiO2和納米TiO2引入泡沫，發(fā)現(xiàn)這些顆粒之間存在協(xié)同效應(yīng)，顯著增強(qiáng)了泡沫穩(wěn)定性。盡管這一進(jìn)展，但該方法仍在液-氣界面上吸附單一納米顆粒，形成單層保護(hù)屏障。Sheng等提出了引入少量親水成分的創(chuàng)新解決方案。此舉促進(jìn)了疏水顆粒和親水成分在液-氣界面上的同時吸附。協(xié)同組裝形成了Janus雙層，展示了有效穩(wěn)定泡沫氣泡的協(xié)同機(jī)制。這些見解為多層保護(hù)層泡沫的研究和開發(fā)提供了寶貴的啟示。

基于以往研究，我們首次提出了一種合成具有多壁核殼結(jié)構(gòu)的超穩(wěn)定泡沫的新方法。這一創(chuàng)新方法通過協(xié)同引入表面活性劑、Janus-ZrO2顆粒和親水性均勻SiO2納米顆粒，修改氣液界面。兩親性Janus-ZrO2顆粒通過浸漬法和選擇性表面改性相結(jié)合合成，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。所產(chǎn)生的超穩(wěn)定泡沫表現(xiàn)出顯著的低沉降距離、低出血率和出色的發(fā)泡性能。利用這種超穩(wěn)定泡沫，我們成功制備了具有優(yōu)異不透水性、機(jī)械強(qiáng)度和隔熱性能的泡沫混凝土。本研究的成果不僅提出了通過納米顆粒改性增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的新視角，還拓寬了超穩(wěn)定泡沫的潛在應(yīng)用，為高性能泡沫混凝土的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

Fig. 1. Schematic illustration of the fabrication of Janus-ZrO2 nanoparticle.

Fig. 2. House model test setup: (a) optical photo and (b) numerical construction of the incubator model box.

Fig. 3. (a) XRD, (b) FT-IR, and (c) TG curves of pure ZrO2, OA-ZrO2, and Janus-ZrO2 particles. (d) Crystal structure of monoclinic ZrO2.

Fig. 4. (a) TEM image, (b) schematic diagram, and (c) the corresponding EDS mapping images of the Janus-ZrO2 particles.

Fig. 5. (a) The schematic representation of various surface views of Janus-ZrO2 particles and (b) the fluorescence image of Janus-ZrO2 particles.

Fig. 6. (a) Experimental schematic diagram and (b) contact angles of ZrO2, OA-ZrO2 and Janus-ZrO2 particles.

Fig. 7. Dispersion behavior of (a) pure ZrO2, (b) OA-ZrO2 and (c) Janus-ZrO2 particles in kerosene-water mixture. (d) A schematic representation of Janus-ZrO2 particles dispersion

Fig. 8. Foam and foaming agent properties: (a) Sedimentation distance, (b) drainage, (c) density and foaming multiple and (d) the surface tension and liquid density of different foaming agents.

Fig. 9. Microstructures of the foams (t = 0): (a) M0, (b) MZ-5, (c) MOZ-5, (d) MJZ-1, (e) MJZ-3,

Fig. 10. Schematic diagram of the foam stabilization mechanisms of Janus-ZrO2 particles: (a) Without ZrO2, (b) Janus-ZrO2 particles at a low concentration, (c) Janus-ZrO2 particles at a high concentration and (d) local amplification diagram.

Fig. 11. (a) Schematic diagram, (b) statistical of result, and (c) optical photos of the stability test of foamed concrete samples.

Fig. 12. Water absorption results of foamed concrete specimens with the various foaming agents.

Fig. 13. Images of foamed concrete pores after binarization: (a) FC0, (b) FCZ-5, (c) FCOZ-5, (d) FCJZ-1, (e) FCJZ-3, and (f) FCJZ-5.

Fig. 14. Pore size characteristics of different samples: (a) macroscopic pore size cumulative distribution and (b) percentage of different pore sizes.

Fig. 15. Pore characteristics of different samples: (a) cumulative pore volume against pore diameter and (b) differential intrusion volume against pore diameter (dV/dlogD).

Fig. 16. (a) Compressive strength, (b) flexural strength, and (c) comparison of the compressive strength of foamed concrete prepared with 5 wt% Janus-ZrO2 particles modified foaming agent and previous studies.

Fig. 17. SEM images of the foamed concrete specimens: (a) FC0 and (b) FCJZ-5.

Fig. 18. XRD patterns of foamed concrete specimens with various foaming agents.

Fig. 19. (a) The thermal conductivity of foamed concrete prepared with different foaming agents and (b) comparison of the thermal conductivity of foamed concrete prepared with 5 wt% Janus-ZrO2 particles modified foaming agent and previous studies.

Fig. 20. Temperature distribution of (a) the center YZ plane, (b) the top xy plane inside the box, (c) inner wall, (d) outer wall and (e) outer surface of the box. (f) Comparison of numerical simulation and experimental inner and outer wall center point temperature.

Fig. 21. Infrared images of foamed concretes prepared with the various foaming agents: (a) FC0, (b) FCZ-5, (c) FCOZ-5, (d) FCJZ-1, (e) FCJZ-3, and (f) FCJZ-5.

Fig. 22. Fire resistance test of the FCJZ-5 foamed concrete.

Fig. 23. The fabrication and mechanism of the super-stable foam.

1、OA與ZrO2表面之間形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，增強(qiáng)了Janus顆粒的疏水性。具有兩親性特性的Janus-ZrO2顆粒顯示出82.83°的接觸角，從而在煤油-水界面上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定分散。

2、Janus-ZrO2顆粒的最佳濃度為5wt%，此時泡沫最穩(wěn)定且發(fā)泡倍數(shù)最高。Janus-ZrO2顆粒、HPMC、SiO2和SDS之間的相互作用導(dǎo)致在氣液界面上形成多層固體納米顆粒保護(hù)層。此外，Janus-ZrO2顆粒和SiO2集中在普拉特邊界，防止泡沫排水。這些因素共同促進(jìn)了超穩(wěn)定泡沫的形成。

3、對比分析表明，采用含有5wt% Janus-ZrO2顆粒的發(fā)泡劑制備的泡沫混凝土性能優(yōu)于其他泡沫混凝土。與對照樣品相比，吸水率和導(dǎo)熱率分別降低了51.9%和22.9%，而抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別提高了59.4%和62.5%。此外，所得到的泡沫混凝土表現(xiàn)出優(yōu)異的均勻性、防火性和致密的微觀結(jié)構(gòu)。其主要原因在于超穩(wěn)定泡沫能夠優(yōu)化孔隙分布，產(chǎn)生均勻且小尺寸的閉合孔，從而提高了泡沫混凝土的整體性能。

引自：Qi X ,Bao Y ,Wang W , et al.Superior performance foamed concrete fabricated with amphiphilic and hydrophilic particles stabilized ultra-stable foam[J].Cement and Concrete Composites,2024,152105613.