溶胶凝胶制备玻璃料

1、LOGO 溶胶凝胶法低温玻璃料的溶胶凝胶法低温玻璃料的 制备与表征制备与表征 n班班级级：材料：材料14级级 n学学生：高元生：高元 n学号学号：20149436 u 1 绪论 u 2 溶胶制备工艺参数 u 3 热处理工艺参数与样品结果表征 u 4 结论 目目 录录 1.1 研究背景研究背景： 超硬材料陶瓷磨具具有优异的使用性能，但在磨具制备过程中，超硬材料陶瓷磨具具有优异的使用性能，但在磨具制备过程中， 存在细粒度超硬磨料在磨具中分布不均匀、超硬磨具的抗冲击性能较存在细粒度超硬磨料在磨具中分布不均匀、超硬磨具的抗冲击性能较 弱的缺陷，从而影响着超硬磨具行业发展。弱的缺陷，从而影响着超硬磨具行

2、业发展。陶瓷结合剂是超硬磨具的陶瓷结合剂是超硬磨具的 重要组成部分，结合剂的性能会直接影响磨具的质量，因此，提高陶重要组成部分，结合剂的性能会直接影响磨具的质量，因此，提高陶 瓷结合剂的性能，研究有机瓷结合剂的性能，研究有机- -陶瓷材料复合型结合剂，将会有效的增陶瓷材料复合型结合剂，将会有效的增 加超硬磨具的韧性，促使磨料与结合剂的均匀分布，大大提高超硬磨加超硬磨具的韧性，促使磨料与结合剂的均匀分布，大大提高超硬磨 具的性能具的性能。 1 绪论绪论 1.2 研究意义研究意义： 陶瓷结合剂原材料中玻璃料的成份占百分之八十，因此陶瓷结合剂原材料中玻璃料的成份占百分之八十，因此 玻璃料的结构与性能

3、将直接决定陶瓷结合剂的性能。溶胶凝玻璃料的结构与性能将直接决定陶瓷结合剂的性能。溶胶凝 胶法是通过溶液化学途径合成玻璃的一项新的技术，可以制胶法是通过溶液化学途径合成玻璃的一项新的技术，可以制 备有机备有机- -陶瓷复合型的玻璃料。通过溶胶凝胶法可以在低温下陶瓷复合型的玻璃料。通过溶胶凝胶法可以在低温下 形成玻璃，其化学组成均匀，容易制成各种形状的玻璃，反形成玻璃，其化学组成均匀，容易制成各种形状的玻璃，反 应过程易于控制，材料的掺杂范围广。因此溶胶凝胶法具有应过程易于控制，材料的掺杂范围广。因此溶胶凝胶法具有 十分广阔的应用前景！十分广阔的应用前景！ 1 绪论绪论 1.3 研究内容：研究内容

4、： 利用溶胶凝胶法制备低温玻璃料时，探索溶胶形成的影响因素，利用溶胶凝胶法制备低温玻璃料时，探索溶胶形成的影响因素， 以及溶胶形成最佳的工艺条件（加水量、反应温度、反应体系以及溶胶形成最佳的工艺条件（加水量、反应温度、反应体系 PHPH、催化剂、搅拌时间）。、催化剂、搅拌时间）。 探索溶胶凝胶法的基本工艺流程以及凝胶形成的影响因素。探索溶胶凝胶法的基本工艺流程以及凝胶形成的影响因素。 利用溶胶凝胶技术制备硅酸铅玻璃料，探索溶硅酸铅干凝胶粉利用溶胶凝胶技术制备硅酸铅玻璃料，探索溶硅酸铅干凝胶粉 末的热处理工艺参数（热处理温度、热处理时间）。末的热处理工艺参数（热处理温度、热处理时间）。 对实验所

5、制得的玻璃料样品进行对实验所制得的玻璃料样品进行DSC-TGDSC-TG分析、分析、FT-IRFT-IR分析分析、XRDXRD 分析等进行结果表征。分析等进行结果表征。 1 绪论绪论 2 溶胶制备工艺参数溶胶制备工艺参数 2.1 加水量对溶胶性能加水量对溶胶性能 的影响的影响 v从表中可以看出加水量太少，妨从表中可以看出加水量太少，妨 碍了醇盐的水解反应，醇盐水解碍了醇盐的水解反应，醇盐水解 反应不充分。反应不充分。 v 当加入水但如果加水量过多，会当加入水但如果加水量过多，会 延长干燥时间，而且干燥过程样延长干燥时间，而且干燥过程样 品容易由于干燥应力大而破裂。品容易由于干燥应力大而破裂。

6、v 本实验选加水量为本实验选加水量为70ml。 序号序号 加水量加水量 （ml) 溶胶状溶胶状 态态 稳定性稳定性 150未胶溶 白色沉 淀 260半透明 稳定无 沉淀 370 澄清透 明 稳定无 沉淀 4100 澄清透 明 稳定无 沉淀 5150 澄清透 明 稳定无 沉淀 表表2.1 加水量对溶胶性能加水量对溶胶性能 的影响的影响 2 溶胶制备工艺参数溶胶制备工艺参数 2.2 反应体系反应体系PH对溶对溶 胶性能的影响胶性能的影响 v 当当pH值过低时值过低时,酸添加量过多则酸添加量过多则 会加速硅烷醇基团会加速硅烷醇基团Si-OH或烷或烷 氧基硅基团氧基硅基团Si-OR缩聚，导致缩聚，导致

7、 贮存期缩短。贮存期缩短。 v 但当但当pH值过高时，形成溶胶体值过高时，形成溶胶体 系无法形成，而是生成了白色沉系无法形成，而是生成了白色沉 淀。淀。 v综合分析可知，反应体系综合分析可知，反应体系PH值值 应选定为应选定为4.0。 PH值值溶胶状态溶胶状态 溶胶稳定溶胶稳定 性性 1.0 无溶胶形 成 无 1.5 无溶胶形 成 无 2.0半透明 有白色沉 淀 3.5半透明有分层 4.0澄清透明 稳定无沉 淀 5.0澄清透明 稳定无沉 淀 表表2.2 2.2 反应体系反应体系PHPH对溶胶性能对溶胶性能 的影响的影响 2 溶胶制备工艺参数溶胶制备工艺参数 2.3 水解温度对溶胶性水解温度对溶

8、胶性 能的影响能的影响 v反应温度过低，则反应速率低，反应温度过低，则反应速率低， 无法充分反应，延长了实验周期无法充分反应，延长了实验周期 。 v反应温度过高，会造成反应物质反应温度过高，会造成反应物质 的大量挥发，溶液发生暴沸，不的大量挥发，溶液发生暴沸，不 利于溶胶的稳定性利于溶胶的稳定性 v由表可以看出，最合适的水解温由表可以看出，最合适的水解温 度为度为60。 温度（温度（ ） 溶胶状溶胶状 态态 溶胶稳定溶胶稳定 性性 50 澄清透 明 稳定无沉 淀 60 澄清透 明 稳定无沉 锭 70 澄清透 明 稳定无沉 淀 80半透明有分层 表表2.3 2.3 水解温度对溶胶性能的水解温度对

9、溶胶性能的 影响影响 2 溶胶制备工艺参数溶胶制备工艺参数 2.4 搅拌时间对溶胶形搅拌时间对溶胶形 成的影响成的影响 v在硅酸铅前驱物的溶液相互混合在硅酸铅前驱物的溶液相互混合 时，要进行剧烈的搅拌，其目的时，要进行剧烈的搅拌，其目的 是促进正硅酸乙酯的分子与硅酸是促进正硅酸乙酯的分子与硅酸 铅的分子混合均匀比相互碰撞，铅的分子混合均匀比相互碰撞， 为正硅酸乙酯水解反应提供基础为正硅酸乙酯水解反应提供基础 v根据表中的结果，本实验选择预根据表中的结果，本实验选择预 水解反应时间水解反应时间30min。 预水解搅预水解搅 拌时间（拌时间（ min） 溶胶状态溶胶状态 溶胶稳定溶胶稳定 性性 3

10、0澄清透明 稳定无沉 淀 45澄清透明 稳定无沉 淀 60半透明 有溶胶， 不稳定 90半透明 有溶胶， 不稳定 120沉淀生成无 150沉淀生成无 表表 2.4 2.4 搅拌时间对溶胶性能的搅拌时间对溶胶性能的 影响影响 2 溶胶制备工艺参数溶胶制备工艺参数 2.5 催化剂对溶胶形成催化剂对溶胶形成 的影响的影响 v当用盐酸作为催化剂，随着盐酸当用盐酸作为催化剂，随着盐酸 的滴入，混合溶液立即开始生成的滴入，混合溶液立即开始生成 白色片状沉淀，最后会得到大量白色片状沉淀，最后会得到大量 白色粘稠不溶物。白色粘稠不溶物。 v试验采用醋酸作为催化剂时，控试验采用醋酸作为催化剂时，控 制好醋酸的加

11、入量，可以得到理制好醋酸的加入量，可以得到理 想的澄清透明的溶胶，且溶胶陈想的澄清透明的溶胶，且溶胶陈 化时稳定不分层。化时稳定不分层。 v故本实验采用的催化剂为醋酸故本实验采用的催化剂为醋酸 催化剂催化剂溶胶状态溶胶状态 溶胶稳定溶胶稳定 性性 HCl未胶溶 有白色沉 淀 CH3COOH澄清透明 稳定无沉 淀 表表2.5 催化催化剂种类对剂种类对溶溶胶胶性能的性能的 影影响响 2 溶胶制备工艺参数溶胶制备工艺参数 本章小结本章小结 v P b O - S i O 2 体 系 在 形 成 溶 胶 的 预 水 解 阶 段 ，体 系 在 形 成 溶 胶 的 预 水 解 阶 段 ， n(TEOS):

12、n(CH3COO)2Pb3H2O=1:1，反应在常温下进行快，反应在常温下进行快 速搅拌速搅拌45min，可以使醇盐大部分发生水解。，可以使醇盐大部分发生水解。 v 在反应体系中加入在反应体系中加入70ml去离子水，选用醋酸作为催化剂，去离子水，选用醋酸作为催化剂， 调节反应体系的调节反应体系的PH值为值为4.0，在，在60的恒温水浴锅中充分反的恒温水浴锅中充分反 应，即可得到理想的澄清透明的溶胶制品。应，即可得到理想的澄清透明的溶胶制品。 3 热处理工艺参数与样品结果表征热处理工艺参数与样品结果表征 3.1 干凝胶的热重差热分析干凝胶的热重差热分析 图图3.1 3.1 干凝胶干凝胶DSC-T

13、GDSC-TG热分析曲线热分析曲线 3 热处理工艺参数与样品结果表征热处理工艺参数与样品结果表征 3.1 干凝胶的热重差热分析干凝胶的热重差热分析 由图由图3.1可以看出，所制得的干凝胶粉末在可以看出，所制得的干凝胶粉末在66有一有一 个放热峰，这个主要是因为正硅酸乙酯分解的小分子物质个放热峰，这个主要是因为正硅酸乙酯分解的小分子物质 的化学副反应和体系中有机物质的挥发。在的化学副反应和体系中有机物质的挥发。在277有一个有一个 明显的放热峰，从图中可以发现，从明显的放热峰，从图中可以发现，从252开始，样品已开始，样品已 有反应趋势，到有反应趋势，到314反应完毕。继续升温到反应完毕。继续升

14、温到900没有没有 发现其他峰的出现，说明了发现其他峰的出现，说明了PbO-SiO2干凝胶粉末在上述干凝胶粉末在上述 温度范围内发生了固相反应，由非晶态的凝胶粉末生成了温度范围内发生了固相反应，由非晶态的凝胶粉末生成了 晶态的硅酸铅。这个也可以从晶态的硅酸铅。这个也可以从TG的失重上看出发生了反应的失重上看出发生了反应 。 3 热处理工艺参数与样品结果表征热处理工艺参数与样品结果表征 3.2 干凝胶的红外光谱测试分析干凝胶的红外光谱测试分析 450040003500300025002000150010005000 0 10 20 30 40 50 60 Si-OH Si-OH Si-O-Si

15、Si-O-C Si-H T% 1/cm 图图3.2 干凝干凝胶胶粉末的粉末的红红外光外光谱图谱图 从图从图中可以看出，凝中可以看出，凝 胶胶体系中已体系中已经经形成了形成了Si-H、 Si-O-Si、Si-OH等集等集团团， 其中在其中在650cm-1的的谱谱峰峰与与Si- OH键键的伸的伸缩缩振振动动有有关关； 而位于而位于1100cm-1的的谱谱峰峰与与 Si-O-Si弯弯曲振曲振动动有有关关；位；位 于于1650cm-1的的谱谱峰峰与与Si-H 键键振振动动有有关关。 3 热处理工艺参数与样品结果表征热处理工艺参数与样品结果表征 3.3 热处理温度的影响热处理温度的影响 v在热处理中，烧

16、结温度过高，前在热处理中，烧结温度过高，前 驱物很容易产生硬团聚体，烧结驱物很容易产生硬团聚体，烧结 温度越高，颗粒间的团聚越严重温度越高，颗粒间的团聚越严重 颗粒的粒度越大。颗粒的粒度越大。 v而烧结温度过低，反应又不完全而烧结温度过低，反应又不完全 所以在保证前驱体分解完全的基所以在保证前驱体分解完全的基 础上，烧结温度越低越好。础上，烧结温度越低越好。 v由表中结果以及综合分析可知，由表中结果以及综合分析可知， 适宜的烧结温度应为适宜的烧结温度应为700 。 温度（温度（）硅酸铅外观硅酸铅外观 450灰褐色 紧密 500灰白色 松软 600灰白色 松软 700黄色 致密 750黄红色 致

17、密 表表3.1 热处热处理理温温度度对对硅酸硅酸铅铅外外观观的的 影影响响 3 热处理工艺参数与样品结果表征热处理工艺参数与样品结果表征 3.4 热处理时间的影响热处理时间的影响 v 锻烧时间过短，会导致分解不完锻烧时间过短，会导致分解不完 全，部分干凝胶颗粒的存在会使全，部分干凝胶颗粒的存在会使 所得产物纯度不够所得产物纯度不够 v然而锻烧时间过长，则会使分散然而锻烧时间过长，则会使分散 的粒子又聚集在一起，造成硬团的粒子又聚集在一起，造成硬团 聚。聚。 v干凝胶锻烧的最佳时间为干凝胶锻烧的最佳时间为4.0h。 热处理时间（热处理时间（h）硅酸铅外观硅酸铅外观 2.0 黑褐色固体 松软 3.

18、0 灰白色固体 松软 4.0 黄色固体 松 软 5.0 黄红色固体 松软 表表3.2 热处热处理理时间对时间对硅酸硅酸铅铅外外观观 的影的影响响 3 热处理工艺参数与样品结果表征热处理工艺参数与样品结果表征 3.5 玻璃料样品玻璃料样品X射线衍射分析射线衍射分析 图图3.3 不同不同热处热处理理温温度下的度下的样样品的品的 XRD图谱图谱 由图由图3.3中可知，在中可知，在 450的条件下，硅酸的条件下，硅酸 铅的晶体形成的量较少，铅的晶体形成的量较少， 多为多为SiO2的无定形态。的无定形态。 当在当在500热处理时，热处理时， 可以发现有可以发现有PbSiO3、 PbSiO4的晶体形成，但

19、的晶体形成，但 仍伴随有仍伴随有SiO2的晶体产的晶体产 生。当温度为生。当温度为600， 波峰变得更加突出，这波峰变得更加突出，这 说明随着温度升高，晶说明随着温度升高，晶 体的体积在增大。体的体积在增大。 本章小结本章小结 v 玻璃料干凝胶的热重分析：得到干凝胶在从玻璃料干凝胶的热重分析：得到干凝胶在从252252开始，样品已有开始，样品已有 反应趋势，到反应趋势，到314314反应完毕继续升温到反应完毕继续升温到900900没有发现其他峰的没有发现其他峰的 出现，出现，PbO-SiOPbO-SiO2 2干凝胶粉末在上述温度范围内发生了固相反应，干凝胶粉末在上述温度范围内发生了固相反应，

20、由非晶态的凝胶粉末生成了晶态的硅酸铅。由非晶态的凝胶粉末生成了晶态的硅酸铅。 v 红外光谱测试分析：凝胶体系中已经形成了红外光谱测试分析：凝胶体系中已经形成了Si-HSi-H、Si-O-SiSi-O-Si、Si-Si- OH OH 等集团。等集团。 v 根据热处理的样品的外观分析，确定在烧结温度为根据热处理的样品的外观分析，确定在烧结温度为700700，时间为，时间为 为的条件下，能够得到黄色的近似硅酸铅的玻璃料。并通过为的条件下，能够得到黄色的近似硅酸铅的玻璃料。并通过 最后的对所制样品最后的对所制样品XRDXRD检测分析，能够确认其中有检测分析，能够确认其中有PbSiOPbSiO3 3、PbSiOPbSiO4 4 的晶体的形成。的晶体的形成。 4 结论结论 1.1. 溶