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：材料14級學(xué)生：高元學(xué)號：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，但在磨具制備過程中，存在細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-陶瓷材料復(fù)合型結(jié)合劑，將會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。溶膠凝膠法是通過溶液化學(xué)途徑合成玻璃的一項新的技術(shù)，可以制備有機-陶瓷復(fù)合型的玻璃料。通過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研究內(nèi)容：利用溶膠凝膠法制備低溫玻璃料時，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、熱處理時間）。對實驗所制得的玻璃料樣品進行DSC-TG分析、FT-IR分析、XRD分析等進行結(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。

當加入水但如果加水量過多，會延長干燥時間，而且干燥過程樣品容易由于干燥應(yīng)力大而破裂。

本實驗選加水量為70ml。

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

當pH值過低時,酸添加量過多則會加速硅烷醇基團[Si-OH]或烷氧基硅基團[Si-OR]縮聚，導(dǎo)致貯存期縮短。但當pH值過高時，形成溶膠體系無法形成，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無溶膠形成無1.5無溶膠形成無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)定無沉淀5.0澄清透明穩(wěn)定無沉淀表2.2反應(yīng)體系PH對溶膠性能的影響2溶膠制備工藝參數(shù)2.3水解溫度對溶膠性能的影響反應(yīng)溫度過低，則反應(yīng)速率低，無法充分反應(yīng)，延長了實驗周期。反應(yīng)溫度過高，會造成反應(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)定無沉淀60澄清透明穩(wěn)定無沉錠70澄清透明穩(wěn)定無沉淀80半透明有分層表2.3水解溫度對溶膠性能的影響2溶膠制備工藝參數(shù)2.4攪拌時間對溶膠形成的影響在硅酸鉛前驅(qū)物的溶液相互混合時，要進行劇烈的攪拌，其目的是促進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，本實驗選擇預(yù)水解反應(yīng)時間30min。預(yù)水解攪拌時間（min）溶膠狀態(tài)溶膠穩(wěn)定性30澄清透明穩(wěn)定無沉淀45澄清透明穩(wěn)定無沉淀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150沉淀生成無表2.4攪拌時間對溶膠性能的影響2溶膠制備工藝參數(shù)2.5催化劑對溶膠形成的影響

當用鹽酸作為催化劑，隨著鹽酸的滴入，混合溶液立即開始生成白色片狀沉淀，最后會得到大量白色粘稠不溶物。試驗采用醋酸作為催化劑時，控制好醋酸的加入量，可以得到理想的澄清透明的溶膠，且溶膠陳化時穩(wěn)定不分層。故本實驗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)定無沉淀表2.5催化劑種類對溶膠性能的影響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℃有一個放熱峰，這個主要是因為正硅酸乙酯分解的小分子物質(zhì)的化學(xué)副反應(yīng)和體系中有機物質(zhì)的揮發(fā)。在277℃有一個明顯的放熱峰，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，從252℃開始，樣品已有反應(yīng)趨勢，到314℃反應(yīng)完畢。繼續(xù)升溫到900℃沒有發(fā)現(xiàn)其他峰的出現(xiàn)，說明了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，其中在650cm-1的譜峰與Si-OH鍵的伸縮振動有關(guān)；而位于1100cm-1的譜峰與Si-O-Si彎曲振動有關(guān)；位于1650cm-1的譜峰與Si-H鍵振動有關(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)溫度過高，前驅(qū)物很容易產(chǎn)生硬團聚體，燒結(jié)溫度越高，顆粒間的團聚越嚴重顆粒的粒度越大。而燒結(jié)溫度過低，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熱處理時間的影響

鍛燒時間過短，會導(dǎo)致分解不完全，部分干凝膠顆粒的存在會使所得產(chǎn)物純度不夠然而鍛燒時間過長，則會使分散的粒子又聚集在一起，造成硬團聚。干凝膠鍛燒的最佳時間為4.0h。

熱處理時間（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

熱處理時間對硅酸鉛外觀的影響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的無定形態(tài)。當在500℃熱處理時，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。當溫度為600℃，波峰變得更加突出，這說明隨著溫度升高，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℃開始，樣品已有反應(yīng)趨勢，到314℃反應(yīng)完畢繼續(xù)升溫到900℃沒有發(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。紅外光譜測試分析：凝膠體系中已經(jīng)形成了Si-H、Si-O-Si、Si-OH等集團。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。并通過最后的對所制樣品XRD檢測分析，能夠確認其中有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