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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定的超穩定泡沫制備的高性能泡沫混凝土）

關鍵詞：多壁核殼結構；超穩定泡沫；泡沫混凝土；力學強度；隔熱

在建筑行業中，具有足夠強度、卓越隔熱性能和節能特性的材料供不應求。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用方面的巨大潛力。然而，由于泡沫穩定性不足，目前泡沫混凝土的強度和隔熱性能未能滿足工程需求，從而阻礙了其廣泛應用。為應對此挑戰，通過耦合表面活性劑、Janus-ZrO2納米顆粒和親水性均勻SiO2的協同效應，成功合成了一種具有多壁核殼結構的超穩定泡沫，通過修改氣液界面來實現這一目標。利用這一創新方法，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出卓越的機械性能（抗壓強度為5.1 MPa）和出色的隔熱性能（導熱系數為0.091 W/(m·K)）。這些改進可以歸因于泡沫混凝土中孔隙結構的優化和閉孔比例的增加，這都得益于超穩定泡沫的使用。引入這種獨特的超穩定泡沫有望擴大泡沫混凝土在建筑領域的應用。

截至目前，全球的能源資源已經被大量消耗，而建筑能耗約占總能耗的30-40% 。建筑施工也貢獻了總碳排放量的30%。鑒于這一現實，建筑節能和可持續性建設引起了學術界和工業界研究人員的極大關注，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保溫材料由于其節能潛力而在建筑中得到了應用。然而，它們的廣泛使用受到機械性能低、成本高和制備方法復雜的限制。因此，迫切需要具有低成本生產、低導熱性和足夠強度的低碳建筑材料。

泡沫混凝土是一種多孔輕質材料，因其可用性、經濟性、耐用性和低導熱性而被認為是有前途的節能建筑材料。泡沫混凝土的性能與其由泡沫產生的多孔微結構密切相關，因此泡沫質量是一個關鍵因素。納米顆粒已被認為是泡沫的有效穩定劑。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重要的作用，形成了致密的保護層。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定。近年來，SiO2、TiO2、Al2O3 、ZrO2 和 CaCO3等納米顆粒已廣泛用于增強泡沫性能。納米顆粒的泡沫穩定性的主要原因是它們可以被氣液界面吸附，而當它們從界面分離時，它們對泡沫的保護作用也會喪失。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 。因此，所產生的泡沫結構仍然脆弱且易于破裂，這導致泡沫穩定性差，在泡沫混凝土中表現不佳。為應對這一挑戰，當前的研究強調了通過改性納米顆粒以實現更好的泡沫穩定化效果。這一趨勢反映了提高泡沫混凝土整體性能的持續努力。

Janus顆粒由于其各向異性的多功能性，在單個顆粒內表現出獨特的雙表面或化學性質。值得注意的是，兩親性的Janus顆粒相比于其均勻的對應物，在氣液界面處表現出三倍的解吸能。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定性。近年來，兩親性Janus顆粒的獨特特性，包括其不對稱結構、組成和表面物理化學性質，已經引起了廣泛關注。這些顆粒在表面活性劑、傳感器、催化劑 、穩定劑和生物醫學應用等領域具有重要應用價值。盡管Janus顆粒應用的廣泛探索，但在文獻中關于它們在泡沫穩定化中的作用及其在泡沫混凝土中的應用仍存在顯著空白。此外，僅依賴于Janus顆粒會導致形成致密的保護層，泡沫穩定性不足。

為了應對納米顆粒僅形成單層保護的問題，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，發現這些顆粒之間存在協同效應，顯著增強了泡沫穩定性。盡管這一進展，但該方法仍在液-氣界面上吸附單一納米顆粒，形成單層保護屏障。Sheng等提出了引入少量親水成分的創新解決方案。此舉促進了疏水顆粒和親水成分在液-氣界面上的同時吸附。協同組裝形成了Janus雙層，展示了有效穩定泡沫氣泡的協同機制。這些見解為多層保護層泡沫的研究和開發提供了寶貴的啟示。

基于以往研究，我們首次提出了一種合成具有多壁核殼結構的超穩定泡沫的新方法。這一創新方法通過協同引入表面活性劑、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合合成，發揮了關鍵作用。所產生的超穩定泡沫表現出顯著的低沉降距離、低出血率和出色的發泡性能。利用這種超穩定泡沫，我們成功制備了具有優異不透水性、機械強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泡沫穩定性的新視角，還拓寬了超穩定泡沫的潛在應用，為高性能泡沫混凝土的發展奠定了基礎。

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表面之間形成穩定的化學鍵，增強了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-水界面上實現穩定分散。

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

3、對比分析表明，采用含有5wt% Janus-ZrO2顆粒的發泡劑制備的泡沫混凝土性能優于其他泡沫混凝土。與對照樣品相比，吸水率和導熱率分別降低了51.9%和22.9%，而抗壓強度和抗彎強度分別提高了59.4%和62.5%。此外，所得到的泡沫混凝土表現出優異的均勻性、防火性和致密的微觀結構。其主要原因在于超穩定泡沫能夠優化孔隙分布，產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.