无机盐前驱体复合陶瓷膜制备及表征

【摘要】：本研究以硝酸铝、正硅酸乙酯、氧氯化锆为前躯体，采用溶胶凝胶法制备了单组份Al2O3、SiO2和ZrO2溶胶，并进一步制备Al2O3-SiO2、SiO2-ZrO2及Al2O3-SiO2-ZrO2复合膜,探讨了复合膜制备的最佳工艺参数及影响因素。通过TG-DTG、XRD、IR、AFM、BET等分析手段，对复合膜进行了热稳定性、微观结构、化学组成等方面的测试和分析。 采用溶胶凝胶法以廉价无机盐硝酸铝为前驱体制备Al2O3溶胶，研究加料方式和顺序、胶溶剂、水解温度、原料浓度和陈化条件对溶胶性能的影响，得到了制备Al2O3溶胶的优化工艺条件：1mol/L硝酸铝在80℃水浴恒温下高速搅拌，向其中缓慢滴入2mol/L NH3·H2O直至pH值达到9.2，得到稳定的AlOOH沉淀，加入一定量的胶溶剂(HNO3)，其中H+/Al3+摩尔比为3~5，使沉淀完全溶解，回流搅拌1h，80℃恒温水浴陈化4h以上，即可得到稳定、无色、透明的Al2O3溶胶。 利用Al2O3、SiO2、ZrO2单组份溶胶制备了Al2O3-SiO2、SiO2-ZrO2及Al2O3-SiO2-ZrO2复合溶胶。考察化学组成、水解反应温度、搅拌时间、DMF添加量对溶胶性能的影响。得到最佳工艺参数为：Al2O3：SiO2(mol/mol)=1：2、 SiO2：ZrO2(mol/mol)=2：0.5、Al2O3：SiO2：ZrO2(mol/mol/mol)=1：2：0.5，添加30%（体积分数）DMF，水浴40℃搅拌30min。 考察热处理过程对凝胶成膜的影响，得到最佳热处理条件为：复合溶胶在常压、60℃、相对环境湿度为70%干燥后，以0.5℃/min的升温速率从常温升至600℃焙烧2h，其中在质量损失较快处缓慢升温并且适当保温，随炉冷却至室温后可得完好的复合薄膜样品。 通过TG-DTG、IR和XRD分析表明，由此方法制得的复合膜以γ-Al2O3、m-ZrO2和非晶态SiO2为主存在，由SiO2构成网络骨架，保持了复合膜纳米多孔的特点。随着铝含量增加，越来越多的Al3+离子进入到SiO2破坏Si-O-Si网络结构，形成Si-O-Al键，同时Al2O3和ZrO2的加入，提高了复合膜的热稳定性。 通过BET和AFM分析表明制备的Al2O3-SiO2膜比表面积634.21m2/g，平均孔半径18.06nm；SiO2-ZrO2膜比表面积444.52m2/g，平均孔半径均16.94nm；Al2O3-SiO2-ZrO2膜比表面积197.80m2/g，平均孔半径11.81nm。所制备的复合膜均为纳米颗粒组成的多孔结构，其中Al2O3-SiO2和SiO2-ZrO2膜具有较高的比表面积和较窄的孔径分布，属于介孔材料，Al2O3-SiO2-ZrO2膜比表面积相对较低，除含有介孔结构还存在一定微孔结构。