液相沉淀Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系超细玻璃粉体的合成工艺及表征

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选用几种含有Al3+、SiO32-、Ca2+、F-、P3O105-、Na+、Cl-的无机盐作为初始反应物,采用液相沉淀法合成了Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系超细玻璃粉体。通过XRD、TEM、EDAX、IR及DSC等手段,研究了液相沉淀法工艺参数对Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系超细玻璃粉体合成效果及特征的影响;表征了液相沉淀Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系粉体的化学组成、微观形貌、结晶状态、玻璃结构及其热处理过程中的晶化行为;对比分析了该液相沉淀玻璃粉体与同体系熔融-淬火-辗磨法玻璃粉体的异同;探讨了液相沉淀Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系超细玻璃粉体的合成机理。主要内容及结果如下:1、探明了反应物配比、反应物摩尔浓度、PH值、清洗及干燥方式等工艺或工艺参数对液相沉淀Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系超细玻璃粉体的合成效果及特征的影响规律。结果表明,反应物配比明显地影响液相沉淀粉体化学元素的相对含量,但对粉体的化学元素种类、微观形貌、结晶状态均无明显影响;反应物摩尔浓度对粉体的化学组成、结晶状态亦无明显影响,但随着反应物摩尔浓度的提高,粉体的颗粒尺寸略微减小,粉体团聚现象加剧;加入适量有机添加剂PA和无机添加剂PB,控制混合溶液的PH值在适当的范围内,可改善粉体的分散效果;采用无水乙醇清洗和红外光干燥,可有效地去除杂质离子,并有利于改善粉体的分散效果。2、提出了常温常压条件下液相沉淀法合成Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系超细玻璃粉体的优化工艺。配制0.7mol/L的Na2SiO3、0.8mol/L的AlCl3、1.0mol/L的CaCl2、0.3mol/L的NaF及0.1mol/L的Na5P3O10溶液,加入0.05mol/L有机添加剂PA和0.2mol/L无机添加剂PB,控制混合溶液的PH值在5.4~6.4范围内,对沉淀物采用去离子水和无水乙醇先后清洗5次以上,最后用红外光进行干燥,可获得粒子尺寸较均匀且分散效果较好的纳米级玻璃态粉体。3、表征了液相沉淀Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系粉体的化学组成、微观形貌、结晶状态及玻璃结构。结果表明,液相沉淀法合成的Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系粉体是一种由Al、Si、Ca、F、P、O元素组成的近球形的非晶态纳米粉体,颗粒尺寸在20~60nm范围,其玻璃结构是由Si-O-Si、O-P-O、Si-O-Al、P-O-Al、Si-O-Ca、P-O-Ca、Si-O、Si-F、Al-F、Ca-F等化学键结合而成的复杂网络结构。4、探明了液相沉淀Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系超细玻璃粉体在不同温度下热处理的晶化特性。结果表明,该体系粉体在500℃~900℃温度范围内发生一系列析晶转变,当温度约为600℃时,粉体优先析出CaF2晶相,随温度的升高,依次析出Al2SiO5、Ca2SiO4、Ca3(PO42等品相。5、对比分析了该液相沉淀玻璃粉体与同体系熔融-淬火-辗磨玻璃粉体特征的异同。传统的熔融-淬火-辗磨粉体多为粒子尺寸在0.5~2μm范围的微米级粉体,粒子呈不规则多面体形貌;液相沉淀粉体与熔融-淬火-辗磨粉体的化学组成、结晶状态及玻璃结构都极为相似;但与熔融-淬火-辗磨玻璃粉体相比,液相沉淀玻璃粉体的玻璃转变温度Tg和析晶峰温度Tp均较低。6、探讨了液相沉淀Al2O3-SiO2-CaF2-P2O5系超细玻璃粉体的合成机理,推测了该玻璃粉体的结构模型。指出在含有Al3+、SiO32-、Ca2+、F-、P3O105-、Na+、Cl-的多离子溶液体系中,除Na+、Cl-外,其它阴阳离子发生快速共沉淀反应,从而生成上述结构复杂的纳米级无机聚合体。该无机玻璃以[SiO4]、[AlO4]和[PO4]四面体相互联结形成网络主体,Ca2+和F-一部分进入网络主体,一部分处于网络间隙。
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