二氧化硅溶胶凝胶涂层.docx

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二氧化硅溶胶凝胶涂层

氧化硅溶胶凝胶涂层

一、前言

溶胶—凝胶法是湿化学反应的一种方法。

其特点是用液体化学试剂（或将粉状试剂溶于溶剂）或溶胶为原料，而不是用传统的粉状物体，反应物在液相下均匀混合并进行反应，反应生成物是稳定的溶胶体系，不应该有沉淀发生，经过放置一定时间转变为凝胶。

配置的溶液在溶胶或凝胶状态下即可成型为所需的制品，然后在较低的温度下烧结。

用溶胶—凝胶法不仅可以制得孔径小、孔径分布狭窄的陶瓷膜，也可以制得单组分或多组分的金属氧化物陶瓷膜。

二氧化硅溶胶是二氧化硅胶体粒子在溶剂中均匀分散形成的胶体。

在溶胶合成无机膜工艺中，溶胶的稳定性十分重要

溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点:

（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。

（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。

（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。

（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。

溶胶一凝胶法也存在某些问题：

首先是目前所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；其次通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周：

第三是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。

二氧化硅溶胶是溶胶—凝胶工艺中的一种重要交替材料，广泛应用于无机膜的制备。

在溶胶—凝胶法制备二氧化硅膜时，由于要用溶胶对基体材料反复浸涂，因此溶胶性能对膜的质量有重要影响在膜的制备过程中，溶胶的稳定性十分重要，同时由于溶胶的粘度对成膜的厚度有重要影响，而溶胶的颗粒粒径则影响最终成膜的孔径及孔径分布，同事由于溶胶的粘度、粒径凝胶时间等成为溶胶性能表征中通常要讨论的指标，而在制备二氧化硅溶胶的过程中，醇、催化剂和水的加入量都会影响溶胶的这些性能，因此本实验对DNF（N,N—二甲基酰胺）添加剂对二氧化硅溶胶稳定性的影响做了研究。

二、实验方法

实验目的

凝胶时间通常作为表征溶胶稳定性的指标，本文对干燥控制添加剂对二氧化硅溶胶—凝胶时间的影响进行比较系统的研究，从而利用这些因素来实现对二氧化硅溶胶稳定性的控制。

实验原理

硅氧烷水解的溶胶—凝胶的反应是一个比较复杂的过程，TEOS的水解与缩聚反应同时进行，催化剂同时催化这两个反应，反应过程为

水解反应：

（C2H5O）3Si—OC2H5+H2O→（C2H5O）3Si—OH+C2H5OH；

失水缩聚：

（C2H5O）3Si—OH+OH—Si（OC2H5）3→（C2H5O）3—O—Si（OC2H5）3+H2O；

失醇缩聚：

（C2H5O）3Si—OC2H5+HO—Si（OC2H5）3→（C2H5O）3—O—Si（OC2H5）3+C2H5OH。

干燥控制化学添加剂（DCCA）是一类具有低蒸汽压的有机液体，其本身具有低挥发性，能大大减少不同孔径中醇溶剂不均匀蒸发的现象，使凝胶中孔的尺寸分布更加集中，干燥应力降低。

本实验选择N,N—二甲基甲酰胺（DMF）作为添加剂，研究其对溶胶凝胶时间的影响。

实验试剂

正硅酸乙酯（TEOS，西安化学试剂厂），硝酸（HNO3，西安化学试剂厂），无水乙醇（EtOH，西安化学制药厂），N,N—二甲基甲酰胺（DMF，天津密欧化学试剂开发中心），所有试剂均为分析纯。

实验设备

94-2型恒温磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）；DELTA320型pH计（梅特勒—托利多仪器有限公司）；电接点式玻璃水银温度计（上海华辰医用仪表有限公司）；乌氏粘度计（上海申力玻璃仪器有限公司）；GKL—11—CR2型点子恒温浴锅（上海金桥科析仪器厂）；AL204电子天平（梅特勒—托利多仪器有限公司）。

实验步骤

（1）按照正硅酸乙酯（TEOS）：

乙醇（EtOH）：

H2O：

H+=1：

：

：

的摩尔比例，将一定量的正硅酸乙酯与无水乙醇充分混合。

（2）在磁力搅拌器强烈搅拌下逐滴加入去离子水和酸性催化剂混合物。

（3）滴加完毕后将反应混合物在一定温度下搅拌回流一定时间。

（4）待溶胶冷却后加入一定量的N，N—二甲基甲酰胺（DMF）作为干燥控制化学添加剂，继续搅拌15min即得SiO2溶胶。

（5）加入不同量的DMF重复上述步骤。

工艺流程

涂膜附着力的测定法：

漆膜附着力是指漆膜与被涂物件表面结合在一起的坚固程度。

附着力是涂料物理机械性能的重要指标之一。

测定附着力的方法有：

划圈法、划格法、拉开法、扭开法及美国ASTM中的划X法等数种用前三种方法。

（1）、划圈法测定附着力

划圈法所采用的附着力测定仪是按照划痕范围内的漆膜完整程度进行评定，以级表示。

是按照制备好的马口铁板固定在测定仪上，为确保划透漆膜，酌情添加砝码，按顺时针方向，以80-100r/min均匀摇动摇柄，以圆滚线划痕，标准圆长，取出样板，评级。

（2）、划格法测定附着力

划格法附着力测试标准主要有ASTMD3359、ISO-2409和GB9286-98。

其测试方法和描述基本相同，只是对于附着力级别的说明次序刚好相反。

ASTMD3359是5B-OB级由好到坏，而ISO-2409是0-5为由好到坏。

实验工具是划格测试器，它是具有6个切割面的多刀片切割器，切刀间隙1mm、2mm和3mm（刀头可以更换）。

将试样涂于样板上，干燥16小时后，用划格器平行拉动3-4cm，有六道切痕，应切穿漆膜至底材；然后用同样的方法与前者垂直，切痕同样六道；这样形成许多小方格。

对于软底材，用软毛刷沿网格图形成每一条对角线，轻轻向前和后各扫几次，即可评定等级；而对于硬质底材，先清扫，之后贴上胶带（一般使用3M胶带），且要保证胶带与实验区全面接触，可以用手指来回摩擦使之接触良好，然后迅速拉开，使用目视或者放大镜对照标准与说明附图进行对比定级。

在划格法测定附着力时，可以最高测定250μm厚度的涂膜。

根据涂层厚度大小，可以选择不同的划格间距，一般为涂层小于60μm，硬质底材间距1mm，软质底材间距为2mm；涂层厚度为60-120μm，软硬质底材间距均为2mm；涂层厚度大于120μm，软硬质底材间距选择3mm。

在ISO12944中规定，附着力需要达到1级才能认定为合格；在GB中，附着力达到1-2级时认定为合格。

划圈法与划格不同处在于，划圈交叉所形成部位的面积是递增的，评级考察的是不受损区域所处的位置，而划格法每一个划格面积是固定的，评级采用受损面积比率。

（3）、拉开法测定附着力

拉开法测定的附着力是指在规定的速率下，在试样的胶结面上施加垂直、均匀的拉力，以测定涂层或涂层与底材间的附着破坏时所需的力，以Mpa表示。

此方法不仅可检验涂层与底材的粘接程度，也可检测涂层之间的层间附着力；考察涂料的配套性是否合理，全面评价涂层的整体附着效果。

拉开法测试的相关标准有ISO4624-2004（最新版标准）、ASTMD-4514、GB5210等

三、实验方案

将TEOS与乙醇按一定比例放置在冷水浴中（避免过早水解）搅拌10min使其充分混合成均相溶液，在磁力恒温搅拌器强烈搅拌下逐滴地滴加硝酸和水的混合物，滴加完毕后将反应混合物升温至一定温度搅拌回流数小时，冷却得SiO2溶胶。

溶胶制成后均匀滴加DMF，制得有添加剂的溶胶样品。

本实验研究改变DMF的滴加量对实验结果的影响。

四、实验结果表

五、结果总结

六、参考文献

[1]　王兴利,邱国民,张克铮.SiO2溶胶稳定性的正交试验[J].辽宁石油化工大学学报,2006.26

（1）:

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[2]　邱春阳,张克铮.二氧化硅溶胶稳定性的研究[J].辽宁石油化工大学学报,2005.25

（2）:

1-4.

[3]杨靖,陈杰,张建民,等.二氧化硅反应物的配比对性能的影响研究[J].西安工程科技学院学报,2007,21

（1）:

126-130.