溶胶凝胶制备玻璃料

溶胶凝胶法低温玻璃料的

制备与表征班级：材料14级学生：高元学号：20149436

1绪论

2

溶胶制备工艺参数

3

热处理工艺参数与样品结果表征

4结论目录1.1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，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。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。

1绪论1.2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十分广阔的应用前景！1绪论1.3研究内容：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PH、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。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）。对实验所制得的玻璃料样品进行DSC-TG分析、FT-IR分析、XRD分析等进行结果表征。

1绪论2溶胶制备工艺参数2.1加水量对溶胶性能的影响从表中可以看出加水量太少，妨碍了醇盐的水解反应，醇盐水解反应不充分。

当加入水但如果加水量过多，会延长干燥时间，而且干燥过程样品容易由于干燥应力大而破裂。

本实验选加水量为70ml。

序号加水量（ml)溶胶状态稳定性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2.1加水量对溶胶性能的影响2溶胶制备工艺参数2.2反应体系PH对溶胶性能的影响

当pH值过低时,酸添加量过多则会加速硅烷醇基团[Si-OH]或烷氧基硅基团[Si-OR]缩聚，导致贮存期缩短。但当pH值过高时，形成溶胶体系无法形成，而是生成了白色沉淀。综合分析可知，反应体系PH值应选定为4.0。PH值溶胶状态溶胶稳定性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2.2反应体系PH对溶胶性能的影响2溶胶制备工艺参数2.3水解温度对溶胶性能的影响反应温度过低，则反应速率低，无法充分反应，延长了实验周期。反应温度过高，会造成反应物质的大量挥发，溶液发生暴沸，不利于溶胶的稳定性由表可以看出，最合适的水解温度为60℃。温度（℃）溶胶状态溶胶稳定性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2.3水解温度对溶胶性能的影响2溶胶制备工艺参数2.4搅拌时间对溶胶形成的影响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，为正硅酸乙酯水解反应提供基础根据表中的结果，本实验选择预水解反应时间30min。预水解搅拌时间（min）溶胶状态溶胶稳定性30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2.4搅拌时间对溶胶性能的影响2溶胶制备工艺参数2.5催化剂对溶胶形成的影响

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白色片状沉淀，最后会得到大量白色粘稠不溶物。试验采用醋酸作为催化剂时，控制好醋酸的加入量，可以得到理想的澄清透明的溶胶，且溶胶陈化时稳定不分层。故本实验采用的催化剂为醋酸催化剂溶胶状态溶胶稳定性HCl未胶溶有白色沉淀CH3COOH澄清透明稳定无沉淀表2.5催化剂种类对溶胶性能的影响2溶胶制备工艺参数本章小结

PbO-SiO2体系在形成溶胶的预水解阶段，n(TEOS):n(CH3COO)2Pb·3H2O=1:1，反应在常温下进行快速搅拌45min，可以使醇盐大部分发生水解。在反应体系中加入70ml去离子水，选用醋酸作为催化剂，调节反应体系的PH值为4.0，在60℃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。3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图3.1干凝胶DSC-TG热分析曲线3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

由图3.1可以看出，所制得的干凝胶粉末在66℃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的化学副反应和体系中有机物质的挥发。在277℃有一个明显的放热峰，从图中可以发现，从252℃开始，样品已有反应趋势，到314℃反应完毕。继续升温到900℃没有发现其他峰的出现，说明了PbO-SiO2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晶态的硅酸铅。这个也可以从TG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3.2干凝胶的红外光谱测试分析

图3.2干凝胶粉末的红外光谱图

从图中可以看出，凝胶体系中已经形成了Si-H、Si-O-Si、Si-OH等集团，其中在650cm-1的谱峰与Si-OH键的伸缩振动有关；而位于1100cm-1的谱峰与Si-O-Si弯曲振动有关；位于1650cm-1的谱峰与Si-H键振动有关。3热处理工艺参数与样品结果表征3.3热处理温度的影响

在热处理中，烧结温度过高，前驱物很容易产生硬团聚体，烧结温度越高，颗粒间的团聚越严重颗粒的粒度越大。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础上，烧结温度越低越好。由表中结果以及综合分析可知，适宜的烧结温度应为700℃。

温度（℃）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黄红色致密表3.1热处理温度对硅酸铅外观的影响3热处理工艺参数与样品结果表征3.4热处理时间的影响

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所得产物纯度不够然而锻烧时间过长，则会使分散的粒子又聚集在一起，造成硬团聚。干凝胶锻烧的最佳时间为4.0h。

热处理时间（h）硅酸铅外观2.0黑褐色固体松软3.0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3.2

热处理时间对硅酸铅外观的影响3热处理工艺参数与样品结果表征3.5玻璃料样品X射线衍射分析

图3.3

不同热处理温度下的样品的XRD图谱由图3.3中可知，在450℃的条件下，硅酸铅的晶体形成的量较少，多为SiO2的无定形态。当在500℃热处理时，可以发现有PbSiO3、PbSiO4的晶体形成，但仍伴随有SiO2的晶体产生。当温度为600℃，波峰变得更加突出，这说明随着温度升高，晶体的体积在增大。本章小结玻璃料干凝胶的热重分析：得到干凝胶在从252℃开始，样品已有反应趋势，到314℃反应完毕继续升温到900℃没有发现其他峰的出现，PbO-SiO2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晶态的硅酸铅。红外光谱测试分析：凝胶体系中已经形成了Si-H、Si-O-Si、Si-OH等集团。根据热处理的样品的外观分析，确定在烧结温度为700℃，时间为为４ｈ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XRD检测分析，能够确认其中有PbSiO3、PbSiO4的晶体的形成。

4结论溶胶凝胶法制备玻璃料的前驱物的选择与比例：选择正硅酸乙酯作为引入SiO2的前驱物，醋酸铅为引入PbO的前驱物PbO-SiO2体系在形成溶胶的预水解阶段，n(TEOS):n(CH3COO)2Pb·3H2O=1:1。溶胶最佳形成工艺：在反应体系中加入70ml去