溶膠凝膠制備玻璃料

溶膠凝膠法低溫玻璃料的

制備與表征班級(jí)：材料14級(jí)學(xué)生：高元學(xué)號(hào)：20149436

1緒論

2

溶膠制備工藝參數(shù)

3

熱處理工藝參數(shù)與樣品結(jié)果表征

4結(jié)論目錄1.1研究背景：

超硬材料陶瓷磨具具有優(yōu)異的使用性能，但在磨具制備過(guò)程中，存在細(xì)粒度超硬磨料在磨具中分布不均勻、超硬磨具的抗沖擊性能較弱的缺陷，從而影響著超硬磨具行業(yè)發(fā)展。陶瓷結(jié)合劑是超硬磨具的重要組成部分，結(jié)合劑的性能會(huì)直接影響磨具的質(zhì)量，因此，提高陶瓷結(jié)合劑的性能，研究有機(jī)-陶瓷材料復(fù)合型結(jié)合劑，將會(huì)有效的增加超硬磨具的韌性，促使磨料與結(jié)合劑的均勻分布，大大提高超硬磨具的性能。

1緒論1.2研究意義：

陶瓷結(jié)合劑原材料中玻璃料的成份占百分之八十，因此玻璃料的結(jié)構(gòu)與性能將直接決定陶瓷結(jié)合劑的性能。溶膠凝膠法是通過(guò)溶液化學(xué)途徑合成玻璃的一項(xiàng)新的技術(shù)，可以制備有機(jī)-陶瓷復(fù)合型的玻璃料。通過(guò)溶膠凝膠法可以在低溫下形成玻璃，其化學(xué)組成均勻，容易制成各種形狀的玻璃，反應(yīng)過(guò)程易于控制，材料的摻雜范圍廣。因此溶膠凝膠法具有十分廣闊的應(yīng)用前景！1緒論1.3研究?jī)?nèi)容：利用溶膠凝膠法制備低溫玻璃料時(shí)，探索溶膠形成的影響因素，以及溶膠形成最佳的工藝條件（加水量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)體系PH、催化劑、攪拌時(shí)間）。探索溶膠凝膠法的基本工藝流程以及凝膠形成的影響因素。利用溶膠凝膠技術(shù)制備硅酸鉛玻璃料，探索溶硅酸鉛干凝膠粉末的熱處理工藝參數(shù)（熱處理溫度、熱處理時(shí)間）。對(duì)實(shí)驗(yàn)所制得的玻璃料樣品進(jìn)行DSC-TG分析、FT-IR分析、XRD分析等進(jìn)行結(jié)果表征。

1緒論2溶膠制備工藝參數(shù)2.1加水量對(duì)溶膠性能的影響從表中可以看出加水量太少，妨礙了醇鹽的水解反應(yīng)，醇鹽水解反應(yīng)不充分。

當(dāng)加入水但如果加水量過(guò)多，會(huì)延長(zhǎng)干燥時(shí)間，而且干燥過(guò)程樣品容易由于干燥應(yīng)力大而破裂。

本實(shí)驗(yàn)選加水量為70ml。

序號(hào)加水量（ml)溶膠狀態(tài)穩(wěn)定性150未膠溶白色沉淀260半透明穩(wěn)定無(wú)沉淀370澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀4100澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀5150澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀表2.1加水量對(duì)溶膠性能的影響2溶膠制備工藝參數(shù)2.2反應(yīng)體系PH對(duì)溶膠性能的影響

當(dāng)pH值過(guò)低時(shí),酸添加量過(guò)多則會(huì)加速硅烷醇基團(tuán)[Si-OH]或烷氧基硅基團(tuán)[Si-OR]縮聚，導(dǎo)致貯存期縮短。但當(dāng)pH值過(guò)高時(shí)，形成溶膠體系無(wú)法形成，而是生成了白色沉淀。綜合分析可知，反應(yīng)體系PH值應(yīng)選定為4.0。PH值溶膠狀態(tài)溶膠穩(wěn)定性1.0無(wú)溶膠形成無(wú)1.5無(wú)溶膠形成無(wú)2.0半透明有白色沉淀3.5半透明有分層4.0澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀5.0澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀表2.2反應(yīng)體系PH對(duì)溶膠性能的影響2溶膠制備工藝參數(shù)2.3水解溫度對(duì)溶膠性能的影響反應(yīng)溫度過(guò)低，則反應(yīng)速率低，無(wú)法充分反應(yīng)，延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)周期。反應(yīng)溫度過(guò)高，會(huì)造成反應(yīng)物質(zhì)的大量揮發(fā)，溶液發(fā)生暴沸，不利于溶膠的穩(wěn)定性由表可以看出，最合適的水解溫度為60℃。溫度（℃）溶膠狀態(tài)溶膠穩(wěn)定性50澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀60澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉錠70澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀80半透明有分層表2.3水解溫度對(duì)溶膠性能的影響2溶膠制備工藝參數(shù)2.4攪拌時(shí)間對(duì)溶膠形成的影響在硅酸鉛前驅(qū)物的溶液相互混合時(shí)，要進(jìn)行劇烈的攪拌，其目的是促進(jìn)正硅酸乙酯的分子與硅酸鉛的分子混合均勻比相互碰撞，為正硅酸乙酯水解反應(yīng)提供基礎(chǔ)根據(jù)表中的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選擇預(yù)水解反應(yīng)時(shí)間30min。預(yù)水解攪拌時(shí)間（min）溶膠狀態(tài)溶膠穩(wěn)定性30澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀45澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀60半透明有溶膠，不穩(wěn)定90半透明有溶膠，不穩(wěn)定120沉淀生成無(wú)150沉淀生成無(wú)表2.4攪拌時(shí)間對(duì)溶膠性能的影響2溶膠制備工藝參數(shù)2.5催化劑對(duì)溶膠形成的影響

當(dāng)用鹽酸作為催化劑，隨著鹽酸的滴入，混合溶液立即開(kāi)始生成白色片狀沉淀，最后會(huì)得到大量白色粘稠不溶物。試驗(yàn)采用醋酸作為催化劑時(shí)，控制好醋酸的加入量，可以得到理想的澄清透明的溶膠，且溶膠陳化時(shí)穩(wěn)定不分層。故本實(shí)驗(yàn)采用的催化劑為醋酸催化劑溶膠狀態(tài)溶膠穩(wěn)定性HCl未膠溶有白色沉淀CH3COOH澄清透明穩(wěn)定無(wú)沉淀表2.5催化劑種類對(duì)溶膠性能的影響2溶膠制備工藝參數(shù)本章小結(jié)

PbO-SiO2體系在形成溶膠的預(yù)水解階段，n(TEOS):n(CH3COO)2Pb·3H2O=1:1，反應(yīng)在常溫下進(jìn)行快速攪拌45min，可以使醇鹽大部分發(fā)生水解。在反應(yīng)體系中加入70ml去離子水，選用醋酸作為催化劑，調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的PH值為4.0，在60℃的恒溫水浴鍋中充分反應(yīng)，即可得到理想的澄清透明的溶膠制品。3熱處理工藝參數(shù)與樣品結(jié)果表征3.1干凝膠的熱重差熱分析圖3.1干凝膠DSC-TG熱分析曲線3熱處理工藝參數(shù)與樣品結(jié)果表征3.1干凝膠的熱重差熱分析

由圖3.1可以看出，所制得的干凝膠粉末在66℃有一個(gè)放熱峰，這個(gè)主要是因?yàn)檎杷嵋阴シ纸獾男》肿游镔|(zhì)的化學(xué)副反應(yīng)和體系中有機(jī)物質(zhì)的揮發(fā)。在277℃有一個(gè)明顯的放熱峰，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，從252℃開(kāi)始，樣品已有反應(yīng)趨勢(shì)，到314℃反應(yīng)完畢。繼續(xù)升溫到900℃沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他峰的出現(xiàn)，說(shuō)明了PbO-SiO2干凝膠粉末在上述溫度范圍內(nèi)發(fā)生了固相反應(yīng)，由非晶態(tài)的凝膠粉末生成了晶態(tài)的硅酸鉛。這個(gè)也可以從TG的失重上看出發(fā)生了反應(yīng)。3熱處理工藝參數(shù)與樣品結(jié)果表征3.2干凝膠的紅外光譜測(cè)試分析

圖3.2干凝膠粉末的紅外光譜圖

從圖中可以看出，凝膠體系中已經(jīng)形成了Si-H、Si-O-Si、Si-OH等集團(tuán)，其中在650cm-1的譜峰與Si-OH鍵的伸縮振動(dòng)有關(guān)；而位于1100cm-1的譜峰與Si-O-Si彎曲振動(dòng)有關(guān)；位于1650cm-1的譜峰與Si-H鍵振動(dòng)有關(guān)。3熱處理工藝參數(shù)與樣品結(jié)果表征3.3熱處理溫度的影響

在熱處理中，燒結(jié)溫度過(guò)高，前驅(qū)物很容易產(chǎn)生硬團(tuán)聚體，燒結(jié)溫度越高，顆粒間的團(tuán)聚越嚴(yán)重顆粒的粒度越大。而燒結(jié)溫度過(guò)低，反應(yīng)又不完全所以在保證前驅(qū)體分解完全的基礎(chǔ)上，燒結(jié)溫度越低越好。由表中結(jié)果以及綜合分析可知，適宜的燒結(jié)溫度應(yīng)為700℃。

溫度（℃）硅酸鉛外觀450灰褐色緊密500灰白色松軟600灰白色松軟700黃色致密750黃紅色致密表3.1熱處理溫度對(duì)硅酸鉛外觀的影響3熱處理工藝參數(shù)與樣品結(jié)果表征3.4熱處理時(shí)間的影響

鍛燒時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致分解不完全，部分干凝膠顆粒的存在會(huì)使所得產(chǎn)物純度不夠然而鍛燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)使分散的粒子又聚集在一起，造成硬團(tuán)聚。干凝膠鍛燒的最佳時(shí)間為4.0h。

熱處理時(shí)間（h）硅酸鉛外觀2.0黑褐色固體松軟3.0灰白色固體松軟4.0黃色固體松軟5.0黃紅色固體松軟表3.2

熱處理時(shí)間對(duì)硅酸鉛外觀的影響3熱處理工藝參數(shù)與樣品結(jié)果表征3.5玻璃料樣品X射線衍射分析

圖3.3

不同熱處理溫度下的樣品的XRD圖譜由圖3.3中可知，在450℃的條件下，硅酸鉛的晶體形成的量較少，多為SiO2的無(wú)定形態(tài)。當(dāng)在500℃熱處理時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)有PbSiO3、PbSiO4的晶體形成，但仍伴隨有SiO2的晶體產(chǎn)生。當(dāng)溫度為600℃，波峰變得更加突出，這說(shuō)明隨著溫度升高，晶體的體積在增大。本章小結(jié)玻璃料干凝膠的熱重分析：得到干凝膠在從252℃開(kāi)始，樣品已有反應(yīng)趨勢(shì)，到314℃反應(yīng)完畢繼續(xù)升溫到900℃沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他峰的出現(xiàn)，PbO-SiO2干凝膠粉末在上述溫度范圍內(nèi)發(fā)生了固相反應(yīng)，由非晶態(tài)的凝膠粉末生成了晶態(tài)的硅酸鉛。紅外光譜測(cè)試分析：凝膠體系中已經(jīng)形成了Si-H、Si-O-Si、Si-OH等集團(tuán)。根據(jù)熱處理的樣品的外觀分析，確定在燒結(jié)溫度為700℃，時(shí)間為為４ｈ的條件下，能夠得到黃色的近似硅酸鉛的玻璃料。并通過(guò)最后的對(duì)所制樣品XRD檢測(cè)分析，能夠確認(rèn)其中有PbSiO3、PbSiO4的晶體的形成。

4結(jié)論溶膠凝膠法制備玻璃料的前驅(qū)物的選擇與比例：選擇正硅酸乙酯作為引入SiO2的前驅(qū)物，醋酸鉛為引入PbO的前驅(qū)物PbO-SiO2體系在形成溶膠的預(yù)水解階段，n(TEOS):n(CH3COO)2Pb·3H2O=1:1。溶膠最佳形成工藝：在反應(yīng)體系中加入70ml去