非水解溶胶—凝胶法低温合成硅酸锆粉体的研究

论文摘要

本文以工业纯无水四氯化锆、正硅酸乙酯为前驱体,通过非水解溶胶-凝胶法在700℃低温合成出硅酸锆粉体。通过DTA-TG、XRD、FTIR、SEM及TEM等测试手段研究了前驱体溶胶中引入矿化剂LiF对低温合成硅酸锆的影响,并对矿化剂LiF在低温合成硅酸锆过程中的作用机理进行了探讨;系统地研究了非水解缩聚反应温度、前驱物配比、煅烧温度、矿化剂种类和用量及溶剂的添加等工艺参数对硅酸锆合成效果的影响。在此基础上,初步研究了表面活性剂种类及用量对硅酸锆粉体超细化的影响。结果表明:采用非水解溶胶-凝胶法在未引入矿化剂时ZrSiO4的合成温度高达1450℃以上,相比之下,在引入矿化剂LiF后600℃开始有ZrSiO4形成,在700℃便可得到合成效果好、结晶度高的ZrSiO4。在前驱体中引入LiF、LiCl、NaCl、NaF、MgF2、CaF2、CaCl2等不同种类矿化剂都能不同程度地降低硅酸锆的合成温度,其中,以LiF、NaF、MgF2效果明显,LiCl次之,NaCl、CaCl2和CaF2效果最差。并优化出合成ZrSiO4粉体的最佳工艺参数:以LiF为矿化剂,乙醇为溶剂,前驱物硅酸乙酯与四氯化锆摩尔比为1.2:1,氟化锂与硅酸乙酯摩尔比为0.3:1,热处理温度为700℃。运用FTIR和XRD等测试手段分析了引入矿化剂LiF后合成硅酸锆的反应机制及物相变化。结果发现:采用非水解溶胶-凝胶法合成ZrSiO4是通过热处理过程中形成的中间产物t-ZrO2、m-ZrO2和无定形SiO2经固相反应而形成的,这种合成ZrSiO4的过程与固相法合成ZrSiO4的过程颇为相似。当未引入矿化剂LiF时,在热处理过程中硅氧四面体组成了三维网络结构,而引入矿化剂LiF,当热处理温度高于550℃时,矿化剂LiF破坏了无定形SiO2的三维网络结构,降低了Si-O键的结合程度,使无定形SiO2中的桥氧Si-O键合断裂,提高了反应活性,从而有利于Si-O-Zr键合的生成。此外,借助SEM、TEM等测试手段研究了表面活性剂对硅酸锆超细粉体的分散作用,结果发现:添加PEG600和PEG1000后可制备出分散性较好的ZrSiO4粉体,颗粒粒径为30-40nm,晶形为四方双锥形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 2 文献综述
• 2.1 硅酸锆材料简介
• 2.1.1 硅酸锆晶体结构
• 2.1.2 硅酸锆的性能
• 2.1.3 硅酸锆的应用
• 2.1.3.1 硅酸锆在结构陶瓷方面的应用
• 2.1.3.2 硅酸锆在颜料及釉料方面的应用
• 2.2 硅酸锆粉体的制备方法
• 2.2.1 固相法
• 2.2.2 水热法
• 2.2.3 沉淀法
• 2.2.4 溶胶-凝胶法
• 2.2.5 非水解溶胶-凝胶法
• 2.2.6 微乳液法
• 2.2.7 气溶胶水解法
• 2.3 非水解溶胶-凝胶法简介
• 2.3.1 非水解溶胶-凝胶法的概况
• 2.3.2 非水解溶胶-凝胶法的反应原理
• 2.3.3 非水解溶胶-凝胶法与传统溶胶-凝胶法的对比
• 2.4 硅酸锆的合成机理
• 2.5 矿化剂的作用机理
• 3 矿化剂LiF对非水解溶胶-凝胶法低温合成硅酸锆的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验原料及仪器
• 3.2.2 样品制备
• 3.3 测试与表征
• 3.3.1 X射线衍射（XRD）分析
• 3.3.2 综合热分析（DTA-TG）
• 3.3.3 傅立叶变换红外光谱分析（FTIR）
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 矿化剂LiF对干凝胶热处理过程中物相变化的影响
• 3.4.2 引入矿化剂LiF条件下缩聚反应温度对硅酸锆合成效果的影响
• 3.4.3 矿化剂LiF对硅酸锆低温合成作用机理的探讨
• 3.4.4 矿化剂LiF对非水解缩聚反应的物理化学变化的影响
• 3.5 小结
• 4 非水解溶胶-凝胶法合成硅酸锆的工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 样品制备
• 4.2.3 测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 前驱物配比对硅酸锆合成效果的影响
• 4.3.2 煅烧温度对硅酸锆合成效果的影响
• 4.3.3 矿化剂种类与用量对硅酸锆合成效果的影响
• 4.3.3.1 矿化剂种类对硅酸锆合成效果的影响
• 4.3.3.2 矿化剂种类对硅酸锆晶体结构参数的影响
• 4.3.3.3 矿化剂用量对硅酸锆合成效果的影响
• 4.3.4 溶剂对合成硅酸锆粉体的影响
• 4.3.4.1 溶剂添加方式对合成硅酸锆粉体的影响
• 4.3.4.2 溶剂种类对合成硅酸锆粉体的影响
• 4.3.4.3 溶剂用量对合成硅酸锆粉体的影响
• 4.4 小结
• 5 表面活性剂对硅酸锆粉体超细化的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 样品制备
• 5.2.3 测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 表面活性剂种类对硅酸锆粉体超细化的影响
• 5.3.2 PEG分子量对硅酸锆粉体超细化的影响
• 5.3.3 PEG用量对合成硅酸锆粉体超细化的影响
• 5.4 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献