复合溶胶范文

复合溶胶范文（精选7篇）

复合溶胶 第1篇

关键词：铝合金,硅溶胶,复合涂料,防火,氟乳液

0 前 言

无机黏合剂型防火涂料对环境最友好,但其涂膜存在刚性强、光泽差、干燥快、易龟裂、流平性差等缺陷。为使涂膜具有较好的保护性、装饰性,一般采用硅溶胶与有机基料(聚合物乳液)混拼或在乳液聚合时引入硅氧基发生接枝反应[1],以其在性能上取长补短。

氟碳涂料是以氟树脂为主要成膜物的涂料,涂料中引入氟元素后电负性大、原子半径小、键能强,并具有优异的耐候性、耐热性、耐化学药品性、耐沾污性和绝缘性等。在美国佛罗里达曝晒场,最早的喷氟碳涂层试板经历了37 a的试验依然完好如新,展示了优异的耐侯性[2]。而且氟涂料也正向着水性化方向发展[3],并已经取得了成功。

本工作对铝合金表面进行喷砂及其他前处理后,从涂料颜基比的确定,分散剂、增稠剂用量的影响以及成膜温度的确定等工艺出发,采用廉价的无机硅溶胶与单组分水性氟乳液进行物理混拼复合,即在硅溶胶中拼入单组分水性氟乳液,以改良其性能,使其既具有硅溶胶无机组分的硬度高、附着力强、耐水、耐碱、耐沾污等特点,又具有氟聚合物成膜性好、耐候性和耐老化性优异等特性。在实验室制备了硅溶胶-单组分水性氟乳液复合涂料,并对其应用于铝合金表面的理化性能和防火阻燃作用进行了考察。

1 试 验

1.1 原料及仪器

试验主要原料:硅溶胶JN-30;单组分水性氟树脂F-500;金红石钛白粉;硅微粉;煅烧高岭土;气相二氧化硅;有机膨润土;分散剂(聚缩酸钠型分散剂)、消泡剂(硅油类)等。

试验仪器:电热恒温干燥箱、涂-4黏度计、NDJ-1型旋转式黏度计、SDF400型试验分散砂磨两用机、喷砂机、JB-IC表面粗糙度测试仪、附着力测试仪及其他涂料性能检测仪。

1.2 试验配方及工艺

试验选用金红石型钛白粉、硅微粉、高岭土为主要的颜填料。颜填料的添加配方为:9.0%～12.0% 钛白粉、5.0%～8.0% 硅微粉、16.0%～20.0% 高岭土、0.5%～1.0%AMP-95、2.0%～3.0%其他助剂,水适量。

其中,AMP-95是一种多功能助剂,可以防止颜填料再凝聚,改进增稠性能,有效地控制pH值,同时涂层的耐摩擦性、耐水性都能得到显著提高。其他助剂主要包括增稠剂、分散剂以及消泡剂。

涂料的制备工艺路线见图1。

1.3 测试方法

涂料性能检测及其他试验环境:温度18～25 ℃,相对湿度30%～60%。

黏度测试:旋转黏度计,60 r/min。

pH值测试:pH值精密试纸。

粗糙度测试:采用JB-IC表面粗糙度测试仪测定,λn=2.5 mm;Ln=12.5 mm。

其他涂料性能检测按饰面型防火涂料的国家标准GB 15442.1-1995进行。

1.4 试验过程

1.4.1 铝合金表面喷砂处理

铝合金在喷涂前先进行喷砂处理,以去除氧化皮,使工件表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度,增加其和涂层之间的附着力,延长涂膜的耐久性。为此,有必要对喷砂机在不同喷砂时间下的粗糙度进行测试。使用石英砂、压缩空气0.4～0.6 MPa、喷距0.5 m以内、喷射角度45～80°。固定工件,在不同时间下进行喷砂,得到喷砂时间与试样表面粗糙的关系见图2。

由图2可见,喷砂时间在25～50 s时,Ra值(算术平均粗糙度)和Ry值(平均峰谷深度)最大,随着喷砂时间的延长,粗糙度开始减小,直到120 s后,粗糙度变得平缓,说明此时铝合金表面喷砂致密、平整,不会再有大的凸凹坑,有利于提高涂层的附着力。试验时,喷砂时间定为120 s。

1.4.2 复合乳液制备

选择硅溶胶作为主要的基料,一方面,其不会燃烧;另一方面,硅-氧-硅键具有较好的键合稳定性,涂膜表现出耐候、耐高温特性,而硅-氧-硅键在涂料成膜时所形成的网状结构又具有不可逆性,可使涂膜坚硬、附着力强、耐水和耐化学性能优异。

硅溶胶具有广泛的pH值使用范围,原则上能与各种聚合物乳液混拼使用。而有机的水性氟乳液有单组分和双组分两种,将两种水性氟乳液分别以各种比例加入硅溶胶乳液中发现,水性双组分氟乳液与硅溶胶无论按怎样的比例混合,在静置72 h后都会胶化,不再流动。而水性单组分的氟乳液未发生此类现象,为此选择单组分的氟乳液与硅溶胶复合。

试验中将硅溶胶与单氟乳液按各种比例(质量比)配制,然后加入固定量的钛白粉,补加适量水,分散均匀后刷涂于经过处理后的铝片上,放置烘箱中[(23±2) ℃],自然干燥24 h进行测试。结果发现,当硅溶胶与单组分水性氟乳液的质量比在(2.0 ∶1.0)～(2.5 ∶1.0)范围内时,涂膜不易龟裂,耐水性和耐冲击性及附着力都较好,说明无机硅溶胶与有机氟乳液在该比例范围时,涂层具有良好的理化性能。如无特殊说明,以下试验的复合乳液、硅溶胶与单组分水性氟乳液的质量比按2 ∶1配制,同时,在复合乳液中引入少量消泡剂(硅油类消泡剂)、成膜助剂醇酯-12和少量水,调节pH值在8.5～9.5之间。在分散机中低速分散30 min后,便制备出均匀、无泡的复合乳液作为基料待用。

1.4.3 确定助剂用量

按1.2中的试验配方配制色浆,分别改变助剂用量进行测试。

1.4.4 贮存稳定性测试

将配制好的色浆倒入10 mL试管中,在烘箱23±2 ℃温度下静置,观察上层清液的高度和分层情况。

2 结果与分析

2.1 确定涂料中颜填料与基料的最佳比例

基料的用量直接影响涂膜的附着力及其他理化性能(见表1)。颜基比大于3.27 ∶1.00时,基料用量少,基料粒子不能包覆颜填料颗粒和形成连续涂膜,故附着力差,涂层耐冲击性不好;当基料用量多时(颜基比小于2.18 ∶1.00),基料粒子对颜填料颗粒包覆层加厚,使颗粒之间及颗粒与基层之间附着力降低,且涂料成本增加,也不利于涂层的成膜。故此,涂料配方中颜基比在(2.18～3.27) ∶1.00较适宜。

2.2 分散剂用量对涂料黏度的影响

分散剂用量不足时,颜填料表面不能被完全覆盖,达不到稳定效果,影响涂膜的对比率;而且被分散后的颗粒会因范德华力和重力作用而重新聚集、絮凝,使涂料在贮存过程中易出现后增稠现象;当分散剂用量过多时会在体系中形成胶束,影响涂膜的性能及涂料的贮存稳定性。因此,试验中固定颜填料的用量,在一定范围内改变分散剂用量,测定了体系不同速度下的旋转黏度,同时通过不同分散速度下黏度的差距确定分散的程度,所得结果见图3。由图3可见,聚缩酸钠型分散剂用量在0.15%～0.20%范围时,旋转黏度最低,且黏度差也最小,说明此类分散剂在这个用量范围时分散均匀、稳定。絮凝程度低,有利于涂料的分散和贮存。

2.3 增稠剂用量对涂料黏度和贮存稳定性的影响

增稠剂的引入可使涂料具有适当的黏度,以改善其施工性能、流平性能及贮存稳定性。在制备色浆时,增稠剂的加入可使研磨浆稠度增加,加强了剪切作用,有利于颜填料的分散。试验中采用膨润土和气相二氧化硅为涂料的流平增稠剂,通常水性膨润土吸水膨胀后形成触变性的凝胶矿物, 吸水后体积为原体积的数倍,其不但起到增稠作用,而且还能防沉、防流挂、防浮色发花,且增稠效果要好于同样用量的碱溶胀丙烯酸类和聚氨酯类增稠剂。除此之外,其还具有广泛的pH值适应性,良好的冻融稳定性和生物稳定性。由于不含水溶性表面活性剂,干膜中的微细粒子有阻止水分迁移和扩散的作用,能增强涂膜的耐水性等。气相二氧化硅由于硅-氧键所形成的网状结构,一方面可起防沉降作用,提高涂料的贮存稳定性;另一方面又可成为填料的成分,起绝热耐燃作用。

涂料在未加增稠剂时,黏度较低;随着增稠剂的加入,黏度开始增加的幅度较小。但膨润土和气相二氧化硅的用量分别大于2%时,黏度有急剧增大的趋势,而且膨润土的增大幅度较大。说明此时增稠剂的用量已经达到饱和,如果再增加,会由于较大的黏度而不利于填料和增稠剂的分散,絮凝程度增加,不利于涂料的贮存(见图4)。由表2增稠剂用量对贮存稳定期的影响情况可知,膨润土用量达到3%时,贮存7 d后涂料会絮凝;而气相二氧化硅在用量大时,贮存7 d后分层清液高度低,但时间再延长,清液高度却增加很快,说明涂料在分散相同时间内,絮凝程度较高,分散不均匀。试验得出膨润土用量在1%～2%,气相二氧化硅用量在1.0%～1.5%为佳。

2.4 涂料成膜温度的确定

用1.2中的颜填料配方结合试验得到的最佳颜基比和助剂用量配制出复合涂料,将其喷涂于喷砂处理的铝合金表面,对其室温成膜和不同温度烘烤成膜后的性能进行了检测,结果见表3。从表3中可以看出,室温成膜涂层的耐水性、附着力、耐冲击性都较差,如温度过高,涂层表面变黄,且涂层性能也会随着有机物质的燃烧和挥发而下降。因此,涂层的成膜温度选择在140～160 ℃之间为宜。

2.5 复合涂料的理化性能检测

按以上试验的最佳方案和烘烤温度配制涂料,并喷涂于处理后的铝合金表面,再按GB 15442.1-1995进行检测,结果见表4。对涂料进行耐火试验时使用酒精喷灯法对其涂层面进行烘烤发现,该涂料不燃烧,不冒浓烟,有一定的防火阻燃性,但耐火时间短,尚达不到国家相关标准的要求。

3 结 论

(1)当硅溶胶与单组分水性氟乳液以质量比为(2.0∶1.0)～(2.5∶1.0)范围配制复合乳液作为基料时,涂料的配方为:(2.18～3.27)∶1.00颜基比;0.15%～0.20%聚缩酸钠型分散剂;1%～2%增稠剂膨润土;1.0%～1.5%增稠流平剂气相二氧化硅,所得涂料具有良好的容器状态和分散稳定性。

(2)涂料成膜温度140～160 ℃之间为宜,涂料喷涂于经处理的铝合金表面后具有良好的理化性能。

(3)涂料不燃,具有一定的防火阻燃性。

参考文献

[1]徐进.有机-无机(硅溶胶)复合涂料的制备[J].上海涂料,2003,41(6):7~11.

[2]边蕴静.氟碳树脂涂料[J].中国涂料,2000(6):22~25.

气溶胶灭火技术 第2篇

第一代气溶胶灭火技术诞生于我国，也称烟雾灭火技术，始于20世纪60年代初。是由公安天津消防研究的科研人员完成的，他们自主研制出烟雾自动灭火系统，主要用于扑灭甲、乙、丙类液体储罐火灾。这是一项不同于以注的全新的形成的气溶胶物质用于灭火。

第二代气溶胶灭火技术K型，K型气溶胶灭火技术也叫钾盐类灭火技术，是气溶胶灭火技术发展的第二阶段，始于20世纪60年代中期前苏联。我国在这一方面起步较晚，始于20世纪90年代初，第一代产品为由北京理工大学研制成功，此类气溶胶发生剂中主要采用钾的硝酸盐作为主氧化剂，其喷放物灭火效率高，但因为其中含有大量的钾离子，易吸湿，形成一种发黄发黏的强碱性导电液膜，这种物质对电子设备有很大的损坏性，故K型气溶胶自动装置不能使用于电子设备、精密仪器各文物档案场所。目前在市场上使用正在逐渐减少。第三代气溶胶灭火技术（S型）主要由锶盐作主氧化剂，和第二代钾盐（K型）气溶胶不同，锶离子不吸湿，不会形成导电溶液，不会对电器设备造成损坏，S型灭火产品最早，于21世纪初研发成功。

锶盐类气溶胶产品已在几千个工程项目中应用，至今未发生一起损坏电子设备的事故，第三代气溶胶已越来越为广大用户所接受。

目前国内只有几家企业生产S型灭火装置，我公司就是其中之一，它创建于2005年，凭借一批高科技术人才、雄厚的资金和先进的生产线，在短短几年内广泛的涉足消防、五金、电力、银行等领域，迅速成为深圳市知名企业。如我公司生的QRR15/SL这种型号产品，其灭火装置检验报告和灭火剂检验报告完全符合GA499.1-2004规定，就是典型的S型灭火装置。我公司生产所有型号的热气溶胶灭火装置，因其灭火剂性能优越并兼具环保洁净，外形美观，价格优惠的等特点，深受国内客户的喜爱，产品正远销到东南亚和欧美市场。

一、气溶胶灭火装置分类

根据中华人民共和国公共安全行业标准《GA499.1-2004第一总分：热气溶灭火装置》，按灭火装置充装气溶胶发生剂的主化学分可分为：（1）S型气溶胶灭火装置：

指充装含有35%-50硝酸锶，同时含有10%-20硝酸钾的气溶胶发生药剂的灭火装置。型号：QRR/SL（落地式）、QRR/SG（壁挂式）（2）K型气溶胶灭火装置；

指充装含有30%以上硝酸钾的气溶胶发生药剂的灭火装置。型号：QRR/KL或QRR/KG（3）具他型气溶胶灭火装置。编制方法

QR R X X/ X X

灭火装置安装方式（L代表落地方式，G代表悬挂式，……）

灭火装置类别（S代表S型，K代表K型，………）

灭火类别，A代表可灭A类表面火，其他可不标注

气溶胶发生剂质量，㎏

热气溶胶灭火装置

标记示例

QRR2A/KL表示为落地式安装，K型，可灭A类表面火，气溶胶发生药剂标称质量为2㎏的热气溶胶灭火装置，适用范围

环保洁净型全淹没灭火系统，适用于扑灭相对封闭空间的A、B类火灾以及电气电缆初起火灾。

扑灭A类火灾

如木材、纸张等固体物质初起火灾，适用于木制品库、档案库、博物馆、图书馆、资料室等场所；

扑灭B类火灾：

适用于生产、使用或贮存柴油（-35号柴油除外）、重油、变压器油、动物油、植物油等各种丙类可燃液体场所的火灾； 扑灭电气缆火灾：

适用于变（配）电房、发电机房、电缆夹层、电缆井、电缆沟、电子计算机房、通讯房等场所的火灾。不适用范围：

1、不能用于商业、饮食服务、娱乐等人员密集场所。

2、有存放易爆物资的场所。产品主要特点

无毒无害无污柒，不破坏臭氧层 灭火效能高，速度快，无残留物

绝缘性能好，适用于电力、机房等无人值守场所 产品喷射时间短，压力低、安全性能强 发生化学反应后生成物97%为惰性气体 固体降尘率≤3%，无腐蚀

采用拉瓦尔管专利阻火技术，有效消除火焰残查 科学设计吸热单元，喷口温度低 采用体式反应室及外壳，设计合理 组合功能强，体积小

无管网技术，造价低廉，安装使用方便 环保洁净型自动灭火系统灭火机理

热气溶胶是一种固体含能化学物质，属于烟火药剂，利用电子气化启动器激活，使其发生化学反应，产生大量惰性气体、水汽和微量固体颗粒，形成混合气体，混合气体从自动灭火装置的喷口向外释放喷射，扑灭火灾。自动灭火装置的灭火机理是以物理、化学、水汽降温三种灭火方式同时进行的全淹没灭火形式：

1.以物理性稀释空气中的氧气“窒息灭火”为主要方式，切断火焰反应链，进行链式反应破坏火灾现场的燃烧条件，迅速降低自由基的浓度； 2.存在抑制链烧反应进行的化学灭火方式； 3.水蒸汽冷凝与汽化降低燃烧物温度。自动灭火装置于火灾自动报警系统，自动控制系统及其他消防系统组成中央集中控制的自动火灾系统时，其它施工要求应按GB50166～92火灾自动报警系统施工及验收规范的规定执行。

复合溶胶 第3篇

制备TiO2包覆碳纳米管的方法主要有直接水解法、溶剂热法、金属化学气相沉积法和溶胶-回流法。直接水解法是将钛的卤化物/醇盐和碳纳米管同时分散在溶液中,然后通过加水、搅拌使形成的TiO2颗粒沉积在碳纳米 管上[7,8]。这种方法操作简便、效果明显,但是直接水解过程较剧烈,容易造成TiO2颗粒结块,影响包覆效果。溶剂热法是在前者的基础上, 利用加热的方法来代替直接加水,可解决钛的卤化物/醇盐水解速度过快、水解不均 一的问题,该方法要 严格控制 反应压强、温度、pH等参数[9,10]。还有金属 化学气相 沉积法是 以惰性气体为载气,将钛的卤 化物/醇盐以气 体的形式 进入沉积 室,然后进行水解,形成TiO2薄膜[11],这种方法 可使两相 物质进行充分的结合进而形成均匀的薄膜,但该方法对设备条 件要求较高,适用范围也不够广泛。溶胶-回流法是指以无机物或者金属醇盐作为前驱体,充分溶解在溶液中进行水解、缩合反应,形成透明、均匀的溶胶体系,然后将碳纳米 管加入其 中,加热回流形成纳米复合颗粒[12,13,14]。该方法反应条件温和, 方法步骤简单,可通过改变反应条件来调节产物形貌,而且反应在分子水平上进行,覆盖均匀。

本研究采用溶胶-回流法,以钛酸丁酯为原料,形成TiO2溶胶,在不同介 质中制备 了TiO2包覆碳纳 米管纳米 复合颗粒。

1实验部分

1.1材料

多壁碳纳米管(外径20~40nm,管长5~15μm),深圳纳米港有限公司;无水乙醇(分析纯),天津市恒兴化学试剂制造有限公司;钛酸丁酯 (分析纯),天津市永 大化学试 剂开发中 心;乙酰丙酮(分析纯),天津市永大化学试剂开发中心;十二烷基苯磺酸钠(分析纯),天津市博迪化工有限公司;硝酸和硫酸(分析纯),石家庄市试剂厂。

1.2制备过程

1.2.1TiO2溶胶的制备

取15mL乙醇,加入1mL乙酰丙酮,再加入2mL钛酸丁酯(TBT),混合均匀,同时电磁搅拌,取4mL去离子水缓慢滴加到上述溶液,形成白色乳液,再缓慢滴加浓盐酸适 量,即得TiO2溶胶。

1.2.2碳纳米管的纯化处理

取3g碳纳米管、20mL浓硝酸和60mL浓硫酸,放入三口烧瓶中,加热搅拌,控制温度 在130℃ 左右,回流1h。之后冷却,加水稀释,离心,去除上清液,用去离子水反复洗涤直到溶液pH=7,之后再用乙醇洗涤1次,离心,干燥。

1.2.3TiO2/碳纳米管样品的制备

取0.2g处理好的碳纳米管置于三口烧瓶中,加入80mL去离子水,添加适量十 二烷基苯 磺酸钠,超声1h。再取1mL制备好的TiO2溶胶加入其中,加热搅拌,回流3h。冷却,用去离子水和无水乙醇反复洗涤,烘干,记为样品1。将反应溶剂换作无水乙醇,其余操作不变,得到的产物记为样品2。在制备好的TiO2溶胶中加入0.5g尿素,然后再按照样品2的制作方法,得到的产物记为样品3。在制备样品3的基础上添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP),得到的产物记为样品4。在制备样品3的基础上添加SnCl4,得到的产物记为样品5。

采用扫描电子显微镜(SEM,型号S-570)分别对经酸处理的碳纳米管和样品1-5的形貌特征及显微结构进行表征。

2结果与讨论

2.1不同溶剂对复合颗粒形态的影响

[(a)经酸处理的 CNTs图片;(b)水介质中得到的 TiO2/CNTs图;(c)乙醇介质中得到的 TiO2/CNTs图片;(d)添加尿素得到的 TiO2/CNTs图片;(e)添加 PVP 和尿素得到的 TiO2/CNTs图片; (f)添加Sn4+ 和尿素得到的 TiO2/CNTs图片]

图1(a)是原始碳纳米管经浓酸处理后的扫描电镜图片。 从图1(a)可以看出,碳纳米管的直径较均匀,约为30nm,经酸处理后有断裂的痕迹。一般认为,酸化处理可使碳 纳米管表 面形成羧基、羟基等极性基团,这些极性基团的存在使得碳纳米管易于进一步发生反应。图1(b)和图1(c)分别是使用水为溶剂和使用乙醇为溶剂时制备的TiO2/CNTs复合颗粒 的扫描电镜图片。可见,使用水做溶 剂时,碳纳米管 上沉积有 少量的TiO2颗粒,但是碳纳 米管团聚 较严重,包覆的TiO2颗粒也不够均匀;当使用乙 醇做溶剂 时,碳纳米管 的分散情 况明显要好于使用水做溶剂时的分散情况,同时也有少量TiO2颗粒沉积在上面,但是沉积颗粒不均一,表面粗糙,包覆效果不理想。

2.2添加尿素对复合颗粒形态的影响

图1(d)是当TiO2溶胶中添加尿素时,在乙醇为溶剂的条件下制备的TiO2/CNTs复合物的 扫描电镜 图片。 对比图1(c)的样品形貌,该图中大量的TiO2颗粒沉积在碳纳米管表面,颗粒均一,但是由于碳纳米管的分散情况仍然 不够理想, 导致部分TiO2结块,堆积在一起。

尿素是一种弱碱性物质,在加热条件下会缓慢分解,发生如下反应:

这相当于在反应的过程中缓慢的加入了氨水,氨水能打 破TiO2溶胶的平衡,使得TiO2纳米粒子发生团聚,沉积在碳纳米管上。若直接加入氨水会导致TiO2迅速团聚,无法沉积在碳纳米管上,而尿素是氨水的缓释剂,其释放氨水的速度可由反应温度来调节,释放速度缓慢而且均一。

2.3添加PVP和SnCl4对复合颗粒形态的影响

图1(e)是使用PVP作为碳纳米管的分散剂,尿素为沉淀剂,在乙醇溶剂中制 备的TiO2/CNTs复合物的 扫描电镜 图片。从图中可以看出,碳纳米管的分散情况良好,TiO2沉积在碳纳米管的表面,而且TiO2沉淀颗粒表面光滑,粒度分布较窄,没有团块形成。PVP是一种常用的非离子型表面活性剂, 其结构式如(式1)所示:

PVP中的五元环结构靠范德华力易吸附在碳纳米管上, 而且它与水、乙醇等都有很好的相容性,加入PVP后,碳纳米管在乙醇中的分散性可得到明显改善[15]。同时控制反应的温度,使得尿素在反应中缓慢的释放氨水,TiO2就在碳纳米管上形成均匀的沉淀层。

图1(f)是添加SnCl4和尿素时,在乙醇溶 剂中制备 的TiO2/CNTs复合物的扫描电镜图片。图中可以看到,有很多的TiO2结晶聚集在一起,但是没有很好的包覆在碳管上面。 相关研究表明,金属阳离子Sn4+的加入可以促进前驱体溶液的析晶,但是对溶液浓度和pH的控制要求很严格[16]。实验中没有得到较好的包覆情况可能是实验条件没有控制得 当, 该方法有待进一步研究。

2.4TiO2/CNTs纳米复合颗粒形成机理探讨

钛酸丁酯极易发生水解,其水解缩聚反应如下所示:

形成的TiO2溶胶中含有很多类似于≡Ti—OH和≡Ti— O—Ti≡结构的网络状物质。

加入乙酰丙酮可有效缓解钛酸丁酯的水解 速度,这是由于乙酰丙酮具有烯醇和酮的互变异构,中间碳原子上的氢原子活性很高,极易被其他原子取代,乙酰丙酮的烯醇式中的烯醇基比由水产生的OH-更容易与钛酸丁酯发生螯合反应,因此可减缓钛酸丁酯的水解速度。

TiO2沉积在碳纳米管表面的过程属于异相成核过程,可以近似假定为流体环境下球冠形的胚团在平衬底上的形成, 在系统中引起的吉布斯自由能的变化可表示为式(4):

将各项因素的表达式带入式(4),可得式(5):

式中项是指在均相系统中溶质成核所引起的吉布斯自由能变化;m是晶体、衬底和流体三相交界处的接触角θ的余弦值。

由于接触角θ的变化范围是[0,π],故(2+m)(1-m)2/4项的变化范围是[0,1],因此,在异相系统中成核要比在均相系统中成核容易。而θ角的大小取决于流体对衬底的浸润程度,浸润程度越大,则成核越容易;浸润程度越小,则成核越困难。本实验中,经过浓酸处理过的碳纳米管其表面会 产生大量的—OH基团和—COOH基团;而TiO2溶胶中含有很多类似于≡Ti—OH结构状物质。由于结构相似,TiO2溶胶和碳 纳米管的浸润 程度较大,故TiO2容易在碳 纳米管上 成核结晶,包覆在碳纳米管的表面上。

3结论

以钛酸丁酯为前驱体,酸化处理后的碳纳米管为载体,聚乙烯吡咯烷酮为分散剂,尿素为沉淀剂,采用溶胶-回流法在乙醇介质中制备了TiO2/CNTs复合材料。其晶相组成为TiO2和碳纳米管,TiO2能紧致、均一地包覆在碳纳米管上,TiO2沉淀颗粒表面光滑,粒度分布较窄,没有团块 形成。研究发现,碳纳米管在乙醇中的分散性要好于在水中的分散性;经酸处理后的碳纳米管表面带有官能团,易于分散并发生反应,TiO2结晶成核的过程属于异相成核;PVP易吸附在碳纳米管表面同时在乙醇中有良好的分散性;尿素在加热条件下的缓慢分 解促进TiO2均匀的沉降在碳纳米管上。

摘要：采用溶胶-回流法制备了二氧化钛(TiO2)包覆碳纳米管纳米复合颗粒。利用扫描电子显微镜(SEM)研究了不同溶剂、添加剂等对产物形态的影响。结果表明:以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为分散剂,尿素为沉淀剂,制备的纳米复合颗粒分散性好,TiO2颗粒大小均一、均匀地负载在碳纳米管表面上。

硅溶胶在现代工业各个领域应用 第4篇

硅溶胶在科学研究和现代工业各个领域应用十分广泛。

1、硅溶胶在精铸上的应用

硅溶胶主要用于精铸涂料的粘结剂，可用作型壳的面层涂料和加固层涂料。将小粒子硅溶胶应用于精密铸造，代替硅酸乙脂，不仅可降低成本，而且还可以改善劳动条件。用于薄壳精密铸造时，可使壳型强度高、尺寸精度高、铸件光洁度好，造型比水玻璃质量好，又比硅酸乙脂价廉。对大型铸件，表面光洁度要求高的铸件以及要求无余量或少余量的铸件尤为适用。把硅溶胶用作铸模的耐高温涂料，可使涂层具有良好的耐热性、耐磨性，可以减少高温下熔融金属对模具的损耗，并有助于脱模。

2、硅溶胶在纺织上的应用

在纺织工业上，通过硅溶胶处理过的织物强度高，织物尺寸稳定，回复弹性高；硅溶胶和合毛油并用，增加纤维之间的抱合力，增大的抗张力，提高了生产效率，能纺出高支数的产品。

羊毛纺织过程中，硅溶胶作为径纺上浆的助剂，以减少羊毛纤维的断头率。在涂层中含有钛酸纤维，硅溶胶可以增加无机纤维材料的表面抗热强度。硅溶胶的用量一般掌握在2～5%。最佳加入状态，就是在羊毛和精短毛，首次开始时加入，但硅溶胶中含有一定量的水分，要计算到上机回潮之中。

在径纱上浆中加入硅溶胶，可以减少断头和节省浆料；在采用细纹滚压或绞卷上浆时，把硅溶胶加入聚乙烯醇，羧甲基纤维素，天然淀粉和油脂等料浆中，可使径纱分离容易，防滑不断纱，织成的尼龙丝渔网的网结牢固，不易滑动松开；用硅溶胶处理过的尼龙绳能够增加单丝之间的摩擦力，即可防滑，又可减少其伸长率；用合成纤维制作的被褥材料，一般比较爽滑，若使用经过硅溶胶处理的纤维，则可得到蓬松，弹性好且无滑爽感觉的被褥。用硅溶胶处理化学纤维，还可以获得消光效应。

硅溶胶还可在织物染色中使用。因为它具有粘结性，又可以形成优良保护液，帮助颜料粘附在织物表面上，增加染色的均匀度和牢度，防止颜料凝聚；把颜料量60%的硅溶胶添加到淀粉胶中，用来处理织物，如地毯等处理后，即可防滑、防尘，又可防止静电，不粘尘土。尼龙丝在5%硅溶胶溶液中浸渍，织成的袜子，可防止或减少毛刺的产生。总之，可用硅溶胶处理的织物范围极广，无论各种纺织品和针织品，也无论尼龙粘胶纤维、聚酯、醋酸纤维，聚丙烯等制成的织物，用其处理均有良好的效果。

3、造纸

在生产人造纤维和玻璃纸时，用硅溶胶作粘结剂，可以防止薄膜间的粘结与卷进；感光纸用硅溶胶与感光液混和处理，可使感光纸面平滑，影像鲜明，并增大曝光范围，制作一步成像纸；用于晒图纸、复印纸和胶印的予涂层，可使纸面平滑，图像造影清晰，对比度好。牛皮纸和瓦楞纸表面用硅溶胶处理后，可以提高纸的防滑性，减小运输和堆存中的滑动，提高纸品的耐温性和强度；在非炭复写纸制造中用硅溶胶代替粘土、滑石粉和二氧化硅粉涂层，可使其显色更

加鲜明；塑料薄膜和玻璃纸夏季容易发粘，如用硅溶胶和单硬酯酸甘油脂混合液处理，就可以圆满的得到解决。电子计算机使用的穿孔纸，用硅溶胶涂复后，可使其具有较高的稳定性和防滑性，且打印性好。

4、催化剂

在催化剂生产中，硅溶胶在一定的条件下，作为载体来加速催化速度，以提高生产效率。它的优点是没有其它副产物、盐类等，而且可以得到一定的比表面积，同时SiO2含量高，加工率高，在选择性和活性方面都很好。SiO2浓度40%的硅溶胶，已被成功的用于生产丙稀氰催化剂C-41的载体。其它还有苯氧化作顺酐载体，甲基丙烯酸甲酯的合成；炭氢化合物的氯化；醇类的脱氢等均可用其作载体。工业生产对催化剂载体的粒度，比表面积、孔径、孔容及刚度的要求，往往各有不同。例如，在固定床反应中，由于受流体阻力的限制，要求使用大颗粒载体；在硫化床中，要求用细粒子载体，以提高效率；用于丙稀氨氧化的钼铋催化剂，要求载体粒径在50微米左右；用于石油馏份催化裂化的微球催化剂，要求粒径在60微米左右。

5、硅溶胶做硅球

在尿素和甲醛混合物中有硅溶胶的无机粒子（SiO2），由于有机物尿素和甲醛的共聚作用，导致着尿甲醛共聚物和溶液中的胶粒共聚而成球状颗粒。

6、石油

在芳氰类生产中以硅溶胶作单体的催化剂，对提高芳氰回收率，开辟了一个新的途径。在我国引进的几套石油化工联合装置中都使用硅溶胶。在石油工业中，用硅溶胶做粘结剂和催化剂。

7、涂料

硅溶胶广泛用作外墙建筑涂料，它具有耐水、耐候、耐火、耐污、耐高温、涂膜硬度大、色泽鲜艳、不褪色等优点。还可用于耐酸、耐碱、防火、放水涂料和红外线辐射涂料。

8、搪瓷

在搪瓷器制造中，加入硅溶胶后可降低膨胀系数，以改进对四氟乙烯的粘合性。在玻璃中掺入25～30%的硅溶胶，可以得到优质的硅酸硼玻璃。

9、电池

铅蓄电池的电解液硫酸，在汽车、坦克等机动车急转弯时容易溢出，若向硫酸中加入一定量的硅溶胶，使其胶化，可以防止硫酸渗漏和溢出，并能延长电瓶的寿命。

10、金属

硅溶胶可做镀锌板白绣的防止。电磁钢板的绝缘皮膜处理，防腐蚀铝的封孔处理，表面研磨处理，热处理时的氧化防止剂。

11、轧钢

在涂层溶液中加入一定量的硅溶胶后能改善绝缘涂层外观，绝缘性能、耐热性能，并降低涂层材料的膨胀系数，改进矽钢的磁性。

12、广播器材

硅溶胶可作电视机的显像管粘结用涂料；做变压器磁芯时，用其做粘结剂把矽钢片粘结成一体，并起绝缘、耐高温，提高熔点的作用，效果很好。

13、用硅溶胶作远红外线辐射涂料的粘结性好，耐高温、不影响辐射。

14、用硅溶胶作陶瓷纤维的粘结剂，把硅酸铝纤维毡用硅溶胶浸渍，加促凝剂，做成温毡，用作保温绝热耐火材料，做高温炉的耐火砖的表面粘结剂，粘结强度高，耐高温（1000℃以上）、节约能源，对炉子改造既节约、又方便。

15、半导体原件抛光剂

将大粒硅溶胶作单晶硅抛光剂，不仅效果好，而且抛光速度快。

16、增强泡沫橡胶

天然橡胶和绝大多数合成橡胶，如丁苯橡胶、氯丁胶及混胶等，都可用硅溶胶增强。在干橡胶中加入5%硅溶胶，就可使多孔泡沫橡胶增强20%；对一定体积的橡胶而言，因为弹性提高，可节省20%的橡胶，并且在打浆操作中加入硅溶胶，还可改进泡沫性能，产生更稳定的湿态泡沫。此外，也可以先制取泡沫橡胶，然后用硅溶胶处理。

17、硅溶胶可作为酱油和米酒的澄清剂，而且不影响色、香、味。硅对人体无毒害，还有一定防癌抗癌作用。

18、用硅溶胶处理的炭素制品，可以减少因表面氧化而产生的损耗。

19、用硅溶胶处理的化纤装璜物品，可使其抗污染性提高二倍，可见硅溶胶也是壁饰布等表面的有效防污剂。

20、用硅溶胶制取的防滑地板蜡，在工业和民用中已负盛名，细小的SiO2粒子粘附在地板表面的蜡膜上，防滑效果好，且不影响光泽柔和。

21、硅溶胶是极佳的净水剂。它混加硫酸铝后，可使水中金属盐和悬浮浊物凝聚除去。

复合溶胶 第5篇

随着阳极支撑型SOFC的发展、电解质的薄膜化、新型电极和电解质材料的不断开发,SOFC的工作温度逐渐得到降低,采用加工性好、成本低的合金取代陶瓷作为SOFC的连接体材料成为可能[1]。

金属连接体材料主要包括Ni基、Cr基[2]和含Cr的铁素体不锈钢[3]几类。大部分Ni基合金的热膨胀系数都大于电解质材料和电极材料,在SOFC工作条件下尤其是在热循环过程中会引起金属连接体与其它组件结合部位的高应力,导致金属连接体与其它组件间的结合差甚至产生剥离。Cr基合金表面氧化生成的Cr2O3具有良好的抗氧化作用和较好的导电性,但高的Cr含量导致高温下Cr的挥发严重,极易造成阴极中毒而降低电池的性能。含Cr的铁素体不锈钢在热膨胀匹配、加工性能和成本方面都优于Ni基和Cr基不锈钢[4,5],是近年来金属连接体材料研究的热点。

然而,含Cr的铁素体不锈钢作为连接体材料也存在一些问题。研究发现[6,7],在SOFC极为苛刻的工作条件下,铁素体不锈钢连接体表面很容易被氧化,导致连接体与电极间的面接触电阻增大。同时,铁素体不锈钢也存在Cr挥发造成阴极中毒的问题[8]。因此,需要对铁素体不锈钢进行表面改性,改善其高温抗氧化性能和抑制Cr的挥发。在铁素体不锈钢连接体表面施加阴极材料保护涂层是对其进行表面改性的一种有效方法。

本工作采用溶胶-凝胶方法在SUS430合金表面制备了物相单一、结构致密的La0.8Sr0.2MnO3(LSM)涂层,研究了该涂层对合金高温抗氧化性能的改善作用和对Cr、Mn离子由合金基体向外扩散的抑制作用。

2. 实验内容

本实验采用SUS430合金为连接体材料,其主要化学成分的质量分数为:Fe:82.90、Cr:16.31、Mn:0.21,以及少量C、Si、P和S等元素。将1 mm厚的合金板线切割为20 mm20 mm的正方形试样。样品长期置于空气中,其表面被氧化形成化学性质稳定的氧化物保护膜。进行LSM涂层制备前用2000#砂纸打磨除去合金表面氧化层,依次用丙酮、乙二醇清洗后浸泡于柠檬酸溶液中。

按La0.8Sr0.2MnO3的化学计量分别称取硝酸镧(La(NO3)26H2O)、硝酸锶(Sr(NO3)2)和硝酸锰(Mn(NO3)2),加入适量蒸馏水中溶解。按照一价金属离子与柠檬酸的物质的量比例为1.5∶1称取柠檬酸,与一定量的乙二醇和蒸馏水混合均匀,用氨水(NH3H2O)调节pH=2。将上述两种溶液混合均匀置于80℃恒温水浴锅中匀速度搅拌2 h,得到一定浓度、络合完全的溶胶。

将上述溶胶均匀地涂覆于经过表面打磨处理的SUS430合金表面,80℃下烘干,根据图1所示烧成制度在氮气保护下进行烧成,在SUS430合金表面制得LSM涂层,得到LSM/SUS430复合连接体样品。合金表面制得LSM涂层。空气氛围中850℃下对长期置于空气中的无涂层合金基体和有LSM涂层合金样品进行100 h氧化处理。

采用XRD分别对长期静置于空气中的SUS430合金表面氧化层、氧化处理前后SUS430合金LSM涂层进行物相分析。X-ray波长为1.5418,扫描速率为2°/min,步长为0.02。采用SEM分别对SUS430合金氧化层的表面形貌、氧化处理前后有涂层SUS430合金的表面形貌和断面形貌进行了观察。

3. 实验结果与讨论

3.1 XRD衍射分析

对长期静置于空气中的SUS430合金和采用溶胶-凝胶方法制备的SUS430合金LSM涂层进行了XRD衍射分析,衍射谱分别如图2和图3所示。

如图2所示,在长期静置的合金表面除了基体相,还有Cr的氧化物和Cr-Mn尖晶石。产生此现象的原因是,长期暴露于空气中。合金表面形成了氧化层,该氧化层具有在较低的温度下防止合金进一步氧化的作用。

如图3物相分析可知,在制备了涂层的合金表面除了具有基体相外,是明显的LSM相,没有发现图2中氧化物的相。分析可知,涂层制备前合金经过了表面处理,涂层制备过程中,基体没有明显变化。样品衍射谱中出现了较强的基体衍射峰,说明涂层厚度较小,XRD易于穿透。由以上可知,通过溶胶凝胶法可以在涂层表面有效的制备均匀的LSM涂层。

从XRD衍射谱可以看出,LSM相的衍射峰明显宽于基体相的衍射峰。一方面,较小的晶粒尺寸和固相反应过程中产生的微观缺陷都会导致涂层内部的微观应力,这可能是引起LSM相衍射峰宽化的主要原因。另一方面,由于涂层与合金热膨胀系数不匹配引起的残余热应力会集中于厚度薄、强度低的涂层中,这也是LSM相XRD衍射峰宽化的一个可能原因。

有LSM涂层的SUS430合金连接体在850℃下氧化100h,涂层的XRD衍射谱如图4所示。结果显示样品表面主要物相为基体相和LSM相,没有发现图2中的氧化层相。可见,涂层在850℃下,可以有效阻止氧的扩散,对合金基体起到抗氧化的保护作用。

图2图3对比发现,基体相XRD衍射峰宽变化不大,而LSM相衍射峰宽有变窄现象。这可能是因为长时间的热处理下,晶体缺陷减少、晶粒进一步长大,同时晶格蠕变使热膨胀不匹配导致的LSM涂层与合金基体结合界面附近的残余热应力降低。

图3图4氧化前后的XRD衍射图谱整体变化不大,说明在基体表面形成了一层比较稳定的LSM涂层。而这种涂层有效限制O向基体的扩散,抑制Cr203相的形成;同时阻碍基体内部Mn离子的向外扩散,减缓Mn-Cr尖晶石相的生长。

3.3 SEM微观形貌分析

3.3.1 有无涂层的合金SEM微观形貌图

图5,图6为施加LSM涂层的SUS430合金的表面、断面微观形貌。由图5可见,SUS430合金的LSM涂层表面颗粒的轮廓清晰,颗粒大小均匀。由图6可见,涂层与基体结合得比较紧密,未发现明显裂纹和氧化膜剥落现象;图(b)观察区域中涂层的最大厚度为24.47μm。图5、图6所示结果均显示涂层的致密性良好,没有明显气孔。上述结果表明溶胶-凝胶法在合金表面制备得到的LSM涂层均匀致密。

3.3.2 氧化膜的SEM微观形貌

图7、图8分别为合金连接体施加涂层前后850℃下在空气中氧化100后的SEM表面形貌。

由图7可见在没有涂层的表面,氧化物层主要是致密的MnCr2O4和Cr2O3尖晶石相,表面可以明显看到大量多面体形状的尖晶石晶粒。如图8所示,经过氧化处理的SUS430合金LSM涂层的表面有少量大颗粒团聚现象,颗粒轮廓没有图5所示氧化前样品中的明显,反映出晶粒的长大,与前面XRD分析得到的氧化处理过程中LSM晶粒可能长大的结论一致;氧化处理后的LSM涂层出现了少量裂纹,但仍然保持良好的致密性,结合XRD物相分析结果可知LSM涂层在氧化处理过程中具有有效抑制O向基体的扩散和阻碍基体内部Mn离子的向外扩散的作用。

4. 结论

1.采用溶胶凝胶法能够有效在SUS430合金上涂覆LSM保护层。

2.长时间的中温氧化处理有利于降低LSM涂层的内部微观应力,同时也会导致涂层微裂纹的出现

3.LSM保护层有效限制O向基体的扩散,抑制Cr2O3相的形成;同时阻碍Mn离子的向外扩散,减缓MnCr2O4尖晶石相的生长速率。提高了合金的抗氧化性。

参考文献

[1]余永志,罗凌虹,吴也凡,程亮,石纪军,王乐莹,汪*小平.PMMA含量对水系流延IT-SOFC性能的影响.中国陶瓷,2012,48(3):13-16

[2]D.M.England.A metallic interconnect for a solid oxide fuel cell stack[D].The University of Utah,A.Virkar,2003.

[3]B.Tomasz,N.Makoto,M.Toshio,P.Kazimierz[J].Solid State Ionics.2001.143:131—150.

[4]W Z Zhu.S C Deevi Development of Interconnect Materials for Solid Oxide Fuel Cells2003

[5]Xuan Chen.Peggy Y Hou Protective Coating on Stainless Steel Interconnect for SOFC∶Oxidation Kinetics and Electrical Properties2005

[6]M alkow T,Quadakkers W J,Singheiser L,et al.Report Forschungszenttum Julich,J ulich,FRG,1998.

[7]Ennis P J,Quadakkers W J.Conference H igh Temperate Alloys-Their Exploitable[J].Proceedings,Elsevier Applied Science London,1987,15-17:465-474.

复合溶胶 第6篇

太阳能高温发电[1]是太阳能热利用中的一项重要内容,目前国内太阳能利用还限于常温领域。适用于非真空、中高温条件下的太阳能选择性吸收涂层的制备主要有涂料法[2]、真空镀膜法[3]、电化学法[4]、气相沉积法[5]等,涂层制备仍有难点[6,7,8],方法有待改进,涂层吸收性能有待提高。

等离子喷涂工艺成熟,应用广泛,所制备的金属陶瓷涂层一般具有耐大气、耐酸碱腐蚀和高温稳定等特点。溶胶 - 凝胶法工艺简单,对工件外形要求低,适用于大规模的工业化生产。两种工艺组合制备的涂层能够较好地满足服役条件。

金属Cr属于过渡金属,在可见、近红外波段表现出良好的吸收性能,在太阳光谱范围内也具有很好的消光常数,是理想的吸收材料[9]。Al2O3在可见光区的折射率小于2,容易喷涂且高温性能稳定,可作为金属吸收材料的良好基质[10]。SnO2 是一种广受关注的宽禁带半导体材料,具有选择性透过可见 - 近红外光谱、反射中远红外光谱的作用,可用于光学选择性透过膜和防红外膜[11,12]。

本工作在光亮Cu片上等离子喷涂Cr - Al2O3吸收层,为了增加涂层吸收率、降低涂层发射率,再用溶胶 - 凝胶法在吸收层上制备SnO2选择性透过膜,研究了复合涂层的相结构、形貌及选择吸收性能。

1 试 验

1.1 基材前处理

基材为光亮Cu片,尺寸30 cm40 cm3 cm,喷涂前用小于100 μm的细棕刚玉砂进行喷砂毛化处理,以提高涂层与基体的结合强度。

1.2 复合涂层的制备

1.2.1 Cr - Al2O3吸收层

将Cr粉(1～2 μm)和化学纯纳米Al2O3粉(1～3 nm)按质量比4 ∶1混合,加入混合粉末质量的2%的丙三醇分散剂、5%的羟丙基纤维素有机粘结剂以及70%～80%的去离子水,制备的料浆用球磨机细磨,使金属陶瓷充分混合,静置12 h。采用喷雾干燥雾化成粒的方法制备出流动性较好的团聚型粉末,筛取粒径小于55 μm的粉末在120 ℃烘干后用于等离子喷涂。

采用GP - 80型等离子喷涂设备在Cu基体上喷涂,喷涂工艺参数见表1。涂层均匀致密,厚度约50 μm,用砂纸研磨。

1.2.2 SnO2选择性透过膜

取超纯水200 mL,加入15 g结晶四氯化锡(分析纯)于60 ℃温水浴加热溶解,边加热边缓慢滴加氨水(用去离子水稀释50 mL纯氨水至150 mL制得),至pH值为1.15～1.55,将制好的溶胶陈化48 h得到凝胶。

在上述溶胶 - 凝胶中浸渍、提拉热喷涂试样,然后120 ℃烘烤5 min;循环2次后,将试样于550 ℃晶化热处理1 h,制成SnO2选择性透过膜。

1.3 测试分析

使用D/MAXⅢ型X射线衍射仪(XRD)分析涂层相结构,Cu Ka,35 kV,30 mA,扫描速率0.2 (°)/s。使用JSM - 5610LV型扫描电镜(SEM)观察涂层形貌。使用Lamda 750型 UV - Vis - NIR分光光度计检测涂层表面的积分球全反射,计算涂层吸收率,检测波长0.3～2.5 μm,温度20 ℃。使用Tensor 27型BRUKER 红外光谱仪检测涂层表面的积分球全反射,计算涂层的发射率,检测波长2.5～25.0 μm,温度20 ℃。

2 结果与讨论

2.1 复合涂层的相结构

复合涂层的XRD谱见图1。由图1可知:复合涂层的等离子喷涂吸收层由Cr和Al2O3组成,物相结构稳定,Cr镶嵌在Al2O3基质内保证了等离子喷涂吸收层具有良好的吸收率;未出现Cr2O3的衍射峰,说明金属陶瓷吸收层与喷涂粉末的物相一致,通入的H2使喷涂气氛处于还原气氛,有效抑制了金属Cr的氧化,保证了稳定的物相结构;等离子喷涂层表面还成功制备了SnO2透过膜,晶化热处理的温度和时间都是成功制备SnO2透过膜的关键,既要保证结晶化过程充分,又要防止因表面张力而导致膜表面裂解。

2.2 复合涂层的形貌

等离子喷涂Cr - Al2O3吸收层的SEM形貌见图2。从图2可以看出,吸收层为典型的热喷涂层状结构。喷涂时熔融的或软化的粉末不断冲击基体表面,碰撞、变形、冷凝收缩,无数变形粒子相互交错,呈波浪式堆叠在一起,形成层状结构涂层。层状结构的等离子喷涂层表面会形成几微米的细孔,微观凹凸不平,对材料的吸光性能产生很大的影响。

图3为Cr - Al2O3吸收层上SnO2透过膜的表面SEM形貌。从图3可以看出:透过膜表面形成了片状的SnO2晶,填补了等离子喷涂层表面的孔隙,增大了表面的平整度,有利于降低吸收层的发射率。

2.3 涂层的选择吸收性能

物体的发射率随波长变化而不规则变化。金属材料表面的发射率约为0.03～0.04,随着温度的升高逐渐增大,若形成氧化层则会成倍增大。陶瓷材料的发射率一般都很大,多在0.80以上。由于辐射仅发生在表面几微米的范围内,因此发射率的大小取决于物质的表面性质与状态。地球表面接收到的太阳能波长在0.3～2.5 μm,而一般低于500 ℃的热源体自身辐射的电磁波波长在2.5～25.0 μm。因此,测试了等离子喷涂吸收层和复合涂层表面在0.3～2.5 μm的吸收率和2.5～25.0 μm的发射率,见图4。

由图4,用涂层吸收率、发射率计算公式,得出等离子喷涂层的吸收率为82%,发射率为50%,而复合涂层的吸收率为85%,发射率为18%。覆盖SnO2选择性透过膜后,涂层在0.3～2.5 μm范围内的吸收率并没有发生太大的变化。

热喷涂金属陶瓷吸收层的结构类似于“枣糕”模型,Cr金属颗粒镶嵌在Al2O3陶瓷基质内,过渡金属Cr对0.3～2.5 μm范围内的紫外 - 可见光有很好的吸收,且Cr添加量高达80%。由此推断,设计的这种等离子喷涂吸收层应该有很高的吸收率,而测试结果仅为82%,且发射率为50%,与采用磁控溅射、物理气相沉积等工艺制备的选择性吸收涂层低发射率相悖[8]。这是由于团聚粉末中的金属颗粒在高速、高温、非稳态的等离子喷涂环境中长大,沉积在Cu基片上形成涂层后,金属颗粒之间的共振作用减小,降低了其对太阳能光谱的吸收作用[13]。

等离子喷涂层的光学性能除与材料的本征特性有关外,还与涂层表面形貌有很大关系。等离子喷涂金属陶瓷吸收层表面高低起伏,类似许多小丘。为了降低发射率,“小丘”间距应比红外波长小,从而反射掉中远红外波段的光谱。但是等离子喷涂层表面“小丘”状结构复杂,根据基尔霍夫定律,这种表面的红外发射率也是很高的。

另外,涂层的光学性能还与气孔率密切相关。喷涂过程中倒吸入的气体在涂层快速冷凝时得不到释放而形成气孔,等离子喷涂层表面有很多微米级的气孔,有的气孔表面对2.5～25.0 μm内的光波不能产生很好的镜面反射,长波段电磁波进入孔内产生漫反射,从而被吸收,导致涂层发射率较高。

在吸收层表面制备SnO2选择性透过膜后,SnO2膜起到了2个作用:有效地改变了等离子喷涂层凹凸不平的表面,增大了其表面平整度;填补了气孔,有效降低了气孔对中远红外电磁波的漫反射作用。SnO2膜本身是很好的选择性透过材料,可以反射2.5～25.0 μm的电磁光波。因此,添加了SnO2膜后,涂层反射率增大,发射率降低。

3 结 论

(1)等离子喷涂Cr - Al2O3吸收层物相稳定,表面凹凸不平,有较多气孔。

(2)等离子喷涂吸收层上覆盖SnO2选择性透过膜后,表面粗糙度降低,气孔被填补,发射率从50%降到了18%。

(3)涂层吸收率和发射率没有达到预期的效果,其主要原因是等离子喷涂层表面形貌对光的吸收产生了较大影响,如能控制涂层表面的物相、形貌、金属颗粒尺寸、气孔、表面粗糙度,合理选择复合选择性吸收膜体系,可以显著提高选择性吸收作用。

摘要：为了制备出高效的非真空、中高温太阳能选择性吸收涂层,先在光亮Cu片上等离子喷涂Cr-Al2O3金属陶瓷吸收层,再用溶胶-凝胶法在其上制备了SnO2选择性透过膜,对复合涂层的相结构、表面形貌、光学性能进行了研究。结果表明:金属陶瓷吸收层由金属颗粒Cr与Al2O3组成,物相稳定,表面凹凸不平,气孔较多,发射率较高;覆盖SnO2选择性透过膜后金属陶瓷吸收层的孔隙被填补,表面粗糙度降低,发射率显著降低。

复合溶胶 第7篇

晶化处理后的微晶玻璃表面往往出现大量微细孔洞和裂纹,从而直接影响它的力学性能,尤其是对强度的影响。近年来,采用溶胶-凝胶技术在玻璃表面浸镀上一层二氧化硅薄膜已成为一种较好的材料强度改性方法,利用溶胶在微孔和裂纹处的凝胶化作用,填隙孔洞,缩小或钝化裂纹,经过后续热处理从而达到增强的目的。

1 实验

溶胶制备采用正硅酸乙酯(TEOS AP级)、乙醇(EtOH CP级)与异丙醇(i-PrOH CP级)的混合物(体积比始终维持为1∶1)、去离子水和盐酸(AP级百分比浓度36%～38%)为原料。以25ml TEOS为基准,H2O/TEOS(EtOH+i-PrOH)/TEOS和HCl/TEOS的比例见表1。先将TEOS和所需溶剂的一半加入锥形瓶中,在带有加热装置的磁力搅拌器上搅拌0.5～1h,控制溶液温度为50℃,然后将水和剩余溶剂及催化剂慢慢加入锥形瓶内。继续搅拌5～10h,即可得到透明的溶胶,将所得溶胶室温静置24h。将表面经过洁净处理的干燥基片(1.225.537.5)采取浸涂提拉法镀膜,提拉速度1～10cm/min。镀膜后的基片在洁净环境中晾干得到凝胶膜,然后将其转入封闭体系中进行干燥,干燥后的干凝胶膜随后进行热处理,升温速率在0.25～1℃/min,热处理结束后自然冷却至室温。

2 分析与讨论

2.1 不同原料组成配制的溶胶对膜层开裂的影响

根据表1原料配比,实验中发现TEOS、(EtOH+iPrOH)和H2O三者的配比严重影响溶胶的特性,从而直接关系到镀膜后膜层的开裂与否。图1是根据实验中选择不同原料组成所绘制的TEOS、(EtOH+i-PrOH)和H2O三者构成的体积组分图。

图2中a、b两图是在光学显微镜下拍摄的B、C区镀膜后膜层的典型形貌。图1中A区为不相混溶区,B区为形成薄膜区,其余C、D、E区为薄膜易开裂区或难于形成薄膜区。由于在整个A区的范围内溶剂(EtOH+i-PrOH)所占体积比在20%以下,水和正硅酸乙酯难于互溶成均匀溶液;B区能形成较好溶胶,该范围内镀膜膜面均匀,干燥过程中不易开裂,B区TEOS、H2O和(EtOH+i-PrOH)所占的体积比分别在18%～50%、7%～52%和30%～65%。

2.2 催化剂的用量对膜层开裂的影响

在溶胶制备过程中,HCl作为TEOS的催化剂,其浓度越大,水解速度越快,但聚合速度则随着[H+]的增大而减慢。因此,在酸性条件下胶凝时间主要由聚合速度控制,将由陈化开始至容器倾斜放置液体不流动的间隔时间称为胶凝时间。图3是不同HCl/TEOS比与胶凝时间之间的关系。

从图3中可以看到随着HCl/TEOS比例的减小,凝胶化的时间显著缩短。实验过程中发现,凝胶时间过短,涂膜后膜层极易开裂,这是因为表层溶剂挥发较快,较早达到凝胶点而固化,而内层仍含有较多溶剂,由于应力差导致开裂。一般HCl/TEOS的比例选择在(11～17)10-3较好,凝胶化的时间在2～6天。

3 结论

(1)原料的组成配比应严格控制在可形成溶胶的范围之内,其中TEOS、H2O和EtOH+i-PrOR所占的体积比分别在18%～50%、7%～52%、30%～65%范围内所形成的溶胶涂膜后膜层不易开裂。

(2)HCl作为TEOS的催化剂,HCl/TEOS之比影响着TEOS的聚合速度,从而直接关系到膜层干燥过程中的开裂与否,最佳的HCl/TEOS范围在(11～17)10-3。

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