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1、氧化硅溶胶凝胶涂层 0808030310 叶珺催化剂的用量对溶解法制硅溶胶的影响前言背景：研究硅溶胶的制备可追溯到1915年，发明者Schwerin首次以水玻璃为原料，用电渗析法制得浓度较稀的硅溶胶。1941年Bird研究成功用离子交换法制得高浓度稳定的硅溶胶。其后硅溶胶的制备逐步工业化。美国杜邦公司的Bechtold及Snyder采用与Bird相同的离子交换法，原料为水玻璃，制得30%（wt）SiO2的硅溶胶，其后该公司又有研究人员研究了硅溶的制备方法。孟山都公司的White等人研制成20%（wt）SiO2的硅溶胶，其时为1945年。日本日产化学工业株式会社在硅溶胶的制备研究及开发应用上也取
2、得较多成果。美国纳尔柯公司、瑞典Eka Nobel公司等公司与上述三家公司同为世界上较重要的硅溶胶生产厂商。指导思想：硅溶胶是一种较常见的无机精细化工产品，实质上为无定形SiO2粒子在水中的胶体大小的稳定分散体系。采用单质硅溶解法制备硅溶胶，不仅成本较低，产品纯度较高，而且稳定性好，是近年来兴起的一种制备硅溶胶的新工艺。为此我们根据硅溶胶的发展前景设计了此次试验，并对其进行分析及实验。此次试验首先确定好要以溶解法制备硅溶胶，再按催化剂的种类，含量，反应物的含量，反应时间，温度，风干条件，PH这七大方面进行分组实验并讨论。全面的验证了溶解法制硅溶胶的最佳条件。实验意义：本实验主要通过对不同条件制
3、备出的氧化硅溶胶凝胶图层的腐蚀性进行分析得出最佳的制备条件，从而了解溶胶凝胶的制作方法及原理，为以后的学习提供理论和实践基础，并在对这方面的发展打下坚实的基础。实验目的：1 掌握溶解法制备硅溶胶的原理和方法；2 掌握用各种方法检测金属腐蚀的程度和和防腐蚀性能的测定；3 了解实验设计和实施的基本过程。4 能根据实验的可行性全面分析出影响实验的因素，并能分工合作通过实验研究各因素对该实验的影响。实验方法实验原理：溶胶凝胶法就使用含高化学活性组分的化合物作前躯体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解，缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络的凝胶，凝
4、胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥，烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。胶体（colloid）是一种分散粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的作用力主要是短程作用力。溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在11000nm之间。凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1%3%之间。溶胶-凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过
5、干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。其最基本的反映是：(l）水解反应：M(OR)nH2O M (OH) x (OR) nx xROH (2) 聚合反应：MOH HOM MOMH2O MOR HOM MOMROH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
6、，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。 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和族化合物的制备。 胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用，更广泛用于制备纳米粒子。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
7、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。硅溶胶的制备方法主要有：离子交换法、单质硅一步溶解法、电渗析法、酸中和法、胶溶法等。单质硅一步溶解法采用的原料为单质工业纯硅，原料在催化剂的作用下，加热后单质硅直接溶解在软水介质中，可制得硅溶胶成品。该方法的优点是硅溶胶成品中杂质含量少，二氧化硅的胶粒粒形、粒径、粘度、pH值、密度、纯度均易控制，胶粒外形圆整均匀，结构致密，硅溶胶的稳定性较好。硅溶胶是无定形二氧化硅胶体粒子在水或有机溶剂中的分散体系，分子式表示为mSiO2nH2O。硅溶胶在科研及各工业领域的广泛应用与它的特点有着密切关系，
8、从硅溶胶的性质出发可发现主要性状有：1)由于胶体粒子细微(10-20nm)，有相当大的比表面积，粒子本身五色透明，不影响被覆盖物的颜色；2)粘度较低，水能渗透的地方都能渗透，因此和其他物质混合时分散性和渗透性都非常好；3)当硅溶胶水分蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合；4)附着在固体表面的二氧化硅粒子可增大摩擦系数，干燥或烧结可形成固态凝胶，因而具有一定的耐久性，既可形成具有比表面积大及均匀细孔的凝胶，又可均匀分散粉料，增加悬浮体的稳定性；5)通过SiOH基和吸附水可提高润湿性和防止带电的性能；6)可浸入充填到多孔性物质中，使表面平滑；通过均匀混合微粒，可使有机树脂进行机
9、械、光学及电性能方面的改性增强；7)溶胶为液状，能进行均相反应，以硅溶胶代替二氧化硅作原料进行反应，可提高反应速度。当然根据不同的制备工艺及不同反应条件所制得的硅溶胶性质上是有所差别的。在催化剂作用下水解硅粉以进一步提高母核二氧化硅粒径的方法中, 硅粉发生如式(2) 的反应过程:Si + 3H2OH2 SiO3 + H2 (2)硅粉在催化剂作用下, 水解不断产生大量的硅酸分子, 这些硅酸分子一方面迅速与母液中作为母核的二氧化硅颗粒进行如式(3) 的羟基缩合反应,从而母核二氧化硅粒径得到不断地增长:nSiO2 + H2 SiO3 ( n + 1) SiO2 + H2O (3)另一方面, 这些硅酸
10、分子之间发生新核的形成反应, 如式(4) :mH2 SiO3 + nH2 SiO3 ( n + m) SiO2 + ( n + m) H2O (4)金属腐蚀的检测方法：重量法，盐雾法，极化曲线法，周期浸泡法，电偶腐蚀，点滴法重量法评定金属腐蚀的基本原理，就是利用金属腐蚀前后，试样重量的变化，定量的描述的腐蚀速度。重量法又分为矢量法，增重法两种。实验室重量评定可分为静态挂片法和动态挂法（旋转挂片是动态试验的手段之一）。测量极化曲线可以采用恒电位和恒电流两种不同个方法，以电流密度为自变量测量器电位变化E=f(i)的极化曲线的方法叫恒电流法，而以电位为自变量测其电流密度变化i=f(E)的极化曲线的方
11、法叫恒电位法。盐雾箱采用气流式连续喷雾的原理，调整二次减压阀的供气量及变换挡板的高度，可控制喷雾的沉降率和均匀性。做盐雾箱实验时，接好试验气路。调整初次减压阀的供气压力及增湿器的加热温度，可以控制试验箱内的相对湿度。压缩空气是通过工作室搅拌罐进入箱底水层，吹入箱内，风扇使潮湿的空气在工作室内循环。盐水由于储液并内负压可以自动补液和停止，所以箱内的盐液槽液位自动保持恒定。由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀，就是电偶腐蚀（galvanic corrosion），亦称接触腐蚀或双金属腐蚀。该两种金属构成宏电池，产生电偶电流，使电位较低的金属（阳极）溶解速度增加，电位较高的金属（
12、阴极）溶解速度减小。所以，阴极是受到阳极保护的。阴阳极面积比增大，介质电导率减小，都使阳极腐蚀加重。本实验选择了用盐雾法用相同的时间以他的金属的腐蚀程度对其抗腐蚀性进行研究。实验药品：硅粉（99 % ，200目左右），去离子水，实验室自制，氢氧化钠。实验仪器：铁片 5片恒温槽 1台三口瓶 5个烧杯 若干玻璃棒 1根温度计 1根研钵 1个天平台抽滤器台具有上盖的布氏漏斗个滤膜若干分液漏斗个手动压力球个铜丝 若干DF27型多用腐蚀盐雾箱 1台工艺流程：单质硅一步溶解法制备硅溶胶的流程为：原料的选择；催化加热溶解；蒸发去水；收集硅溶胶成品；试片的处理；涂图层；烘干；防腐蚀性能的测定。实验配方：在20
13、0 mL去离子水中加入25 g硅粉和0.16 g氢氧化钠，并在温度为90下反应8 h。实验方案：实验步骤：1 去一定量的硅粉放进研钵中研磨，研磨至精细。2 取5个三口瓶分别标上A，B，C，D，E。3 分别取200ml去离子水和25克硅粉各五份，并分别加入到三口瓶中，并加入到65左右使硅粉活化。4 再分别取0.1,0.13,0.16,0.18,0.20克的氢氧化钠，分别加入到A，B，C，D，E号三口瓶中，搅拌均匀，继续加热到90，保持90持续8小时。5 待8小时后，冷却；用减压抽滤法。抽滤器的进气口通过硅胶管和抽滤瓶相连接，抽滤瓶的瓶口与布氏漏斗的漏斗管以密封方式相连通，手动压力球和分液漏斗固定
14、在布氏漏斗的上盖上，滤膜置于布氏漏斗内。利用抽滤器的进水管减压抽滤。6 取出铁片5快，用多道金相砂纸（05-06）将试片打磨至光洁度7，再用镊子夹取少量的脱脂棉蘸取丙酮轻轻除去铁片上的油污，水洗后，用以醇脱水，滤纸吸干，放在含有无水CaCl2的干燥器内放置0.5小时。7 在五块处理好的铁片上分别标上A，B，C，D，E。把制得的硅溶胶分别均匀地涂在铁片上，并放在自然环境下风干。8 用盐雾箱来测其耐腐蚀程度：(1) 试验准备：箱底层的水位是否符合规定高度（10毫米）试验注意水平放置，箱底水层深度均匀。增湿器内水位是否符合规定的高度（加蒸馏水）。储液用的盐水是否够用：盖子是否旋紧。盐液槽内溶液加到刚过供液口即可。喷咀过滤器是否堵塞，喷射角是否得当。集雾器中积液是否放进，并关严阀门。挡板是否调到合适温度。电气系统是否正常。压缩空气系统是否正常。箱盖密封条是否安放得当。烟雾排气口是否畅通。（2）开启电源，信号灯亮。（3）按动启动按钮，闭合工作室加热开关到“连续”位置上，增湿器加热开关到“开”的位置上。（4）闭合增湿器，工作室和超温保护控制仪的开关，分别校准控制仪，在进行定值控温。（5）当工作室的增湿器达到给定温度时，检查控温仪与水银温度计读数是否一致。如不一致，以水银温度计为校准正控仪的给定值。（6）打开箱盖，事先准备好的试片放在试样架上。（7
