韩丹丹1 董旭娟2 同帜2 崔双科1 郭战英1 霍乐乐2 胡敏盾2
1.陕西省现代建筑设计研究院 中国西安 710048；
2.西安工程大学环境与化学工程学院 中国西安 710048
摘要：采用溶胶-凝胶法制备了Al2O3-ZrO2复合溶胶膜，研究了化学组成和添加剂对复合溶胶的影响。结果表明，当Al2O3 /ZrO2=1，DMF=40vol%时，可得到澄清透明，粘度适中，稳定性好，且凝胶干燥后几乎无开裂的溶胶膜
关键词：无机陶瓷膜；Al2O3-ZrO2复合溶胶
由于材料本身的性能缺陷或制备过程中存在的一些实际问题，单一无机膜材料一般不能满足实际需要，因此无机负载符合分离膜的研制得到迅速发展。目前无机陶瓷膜中研究最为深入、应用最为广泛的单膜是Al2O3薄膜[1]，但其存在的致命缺陷就是有脆性[2]，使Al2O3薄膜的应用受到极大限制。同时，氧化锆陶瓷具有硬度高、强度大、韧性好等优良特性可以弥补氧化铝薄膜的不足，拓宽其应用市场[3~5]。已有文献表明，氧化铝可以作为晶型稳定剂消除氧化锆陶瓷在烧结后的冷却过程中由于晶型转化而引起的体积膨胀，从而得到无裂纹的制品。因此，本研究就是利用溶胶-凝胶法在Al2O3膜中引入ZrO2成分，制备Al2O3-ZrO2复合膜，利用ZrO2晶格结构的稳定性提高膜的性能，同时也利用Al2O3晶格限制其体积膨胀，使Al2O3-ZrO2复合膜拥有更广阔的应用。目前ZrO2-Al2O3复合膜的研究渐多，但有关Al2O3-ZrO2复合膜的研究却不多。
本研究以异丙醇铝和五水硝酸锆为前驱体，采用溶胶-凝胶法制备了Al2O3-ZrO2复合膜，并运用现代分析测试手段对复合膜的性能进行了初步研究。
1.实验
1.1氧化铝溶胶的制备
1.2氧化锆溶胶的制备
向250mL的三颈烧瓶中加入适量0.6mol/L Zr（NO3）4溶液，组成回流装置，在转速为20 rad/min的搅拌状态下滴加一定量0.2mol/L H2C2O4溶液，水浴加热至50℃，再加入4 vol% 聚乙烯醇（PVA）和35 vol% 丙三醇（GL），回流搅拌3 h，室温下陈化12 h后即得稳定透明的溶胶。
1.3氧化铝-氧化锆复合薄膜的制备
将氧化铝溶胶和氧化锆溶胶按照一定比例混合，加入不同含量的氮氮二甲基甲酰胺（DMF），在30℃下水浴搅拌45min，陈化24 h，即可得Al2O3-ZrO2复合溶胶。复合溶胶在温度为50℃、相对湿度为60%RH的条件下干燥后置于马弗炉中在1000℃下热处理2 h，即可得完整无开裂的Al2O3-ZrO2复合陶瓷膜。
1.4 表征手段
黏度测试：上海申立玻璃仪器有限公司的1835-5型乌氏黏度计对溶胶的粘度进行分析。
2.结果与讨论
2.1 考察化学组成对复合溶胶性能的影响
将氧化铝溶胶和氧化锆溶胶按照一定比例混合得到不同配比的复合溶胶，在30℃下水浴搅拌45min，陈化后备用。不同配比溶胶的性质如表1所示。由表1看以看出，Al2O3：ZrO2为1：4~2：1时，所得溶胶稳定性好。实验所制Al2O3-ZrO2复合溶胶pH值为1~2.5，而Al2O3等电点为7~8，ZrO2等电点为4~11，在此条件下，Al2O3和ZrO2胶粒表面均带正电荷，从静电稳定机理中的DLVO双电层理论来分析，当带同种电荷的两种胶体相互靠近时，由于复合溶胶的粒子存在相互排斥作用，所以不易发生聚沉，从而能够稳定存在。另外从空间位阻理论来分析溶胶的稳定性，由于复合溶胶体系中加入了聚乙烯醇（PVA），这种高分子聚合物会在胶粒周围形成一层保护层，PVA中的羟基基团悬游于介质中，当两种胶粒靠近时，高聚物的吸附层被压缩，由于空间限制，高聚物分子链构型数减少，构型熵降低，从而引起体系的自由能增加，产生斥力势能，对胶粒起到稳定作用。
因此Al2O3和ZrO2的配比对复合溶胶的性能有较大影响，它直接关系到溶胶粘度和干凝胶状态。当Al2O3：ZrO2=1：1时，复合溶胶的澄清透明，粘度适中，稳定性好，且凝胶干燥后几乎无开裂。
表1 化学组成对复合溶胶性能的影响
在进行溶胶的复合过程中，选择合适的干燥控制添加剂（DCCA）对控制薄膜质量至关重要。氮氮二甲基甲酰胺（DMF）和丙三醇（GL）在25℃下的表面张力分别是35.8mN/m和63.3mN/m，因此在湿凝胶的干燥过程中作用在凝胶孔壁上的毛细管张力前者较后者小，所制得的干凝胶膜层前者也较后者不易开裂。从表2中可以看出，在未添加DMF时，干凝胶大量开裂，这时由于溶剂中的水分快速蒸发引起凝胶表面应力不均从而使凝胶结构发生弹性形变。随着DMF的加入，干凝胶的状态发生了很大变化，从添加量为10%时的少量开裂变为添加量为40%时的完整无开裂，说明DMF的添加缓解了凝胶干燥时的内部应力，明显改善了干凝胶膜的表面状态。
3.结论
当Al2O3/ZrO2=1，DMF添加量为40%（体积分数）时，制得的Al2O3-ZrO2复合溶胶澄清透明、粘度适中，稳定性良好，且干凝胶膜表面几乎无裂纹产生。
基金项目：陕西省科技厅科技统筹资助项目（2013KTCQ03-20）、国家自然科学基金（21103132）。
论文作者:韩丹丹1,董旭娟2,同帜2,崔双科1,郭战英1,霍
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：溶胶论文; 凝胶论文; 氧化锆论文; 氧化铝论文; 粘度论文; 胶粒论文; 稳定论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;