ATO包覆型导电填料的制备和在防静电陶瓷上的应用

摘要

防静电陶瓷作为一种新型的防静电材料，具有美观、防火、耐腐蚀、耐磨、不起尘、强度高、耐久性好等优点。现阶段制备防静电陶瓷的关键原料-氧化锡是一种重要的稀缺资源。随着开采量的加大、开采时间的持续，锡资源的稀缺越来越明显。目前，美国等发达国家已采取禁止开采本国锡矿资源，转而从国外大量进口的资源政策。锡的稀缺性、高集中度开采以及在高新技术领域的重要用途等导致了国际锡价的不断上涨。因此，在防静电陶瓷的制备中必须节约使用氧化锡，以降低成本减少氧化锡的消耗。 本课题采用非均匀成核法，在氧化硅粉体及氧化硅玻璃纤维的表面包覆上一层ATO(antimony-doped tin oxide)，成功制备了包覆型导电填料。通过正交实验研究了ATO包覆氧化硅粉体及氧化硅纤维的工艺参数，并把包覆型导电填料应用于防静电陶瓷中，实现了减少氧化锡用量的目的。 正交实验的结果表明：影响ATO包覆氧化硅粉体及纤维效果的因素依次是：包覆悬浮液中氧化硅的固含量、包覆层溶液离子浓度、反应过程的pH值、包覆时反应温度及包覆离子溶液加入速度。通过正交实验所确定的ATO包覆氧化硅粉体及纤维的合理工艺参数为：悬浮液中氧化硅的浓度保持在0.4g/ml、包覆过程的pH值控制在2.0左右、包覆层离子浓度选取0.6mol/L、包覆离子溶液加入速度定为0.5ml/min、反应温度为50℃。 随着包覆物加入率的提高，包覆粉体的电阻率下降。SEM观察表明：包覆物加入率由12.5％t曾加到100％时，ATO包覆氧化硅粉体的包覆层厚度从110纳米增加到600纳米左右。100％、75％、50％、25％的ATO包覆氧化硅粉体电阻率随煅烧温度升高的变化趋势与ATO基本一致，其中包覆物加入率为100％、75％、50％的ATO包覆氧化硅粉体在500℃～1200℃煅烧后的电阻率全部低于200Ω．cm，1100℃热处理后的25％包覆物加入率粉体的电阻率为99.9Ω．cm。包覆量为12.5％的ATO包覆氧化硅粉体电阻率由1100℃处理后的120.6Ω．cm上升到1200℃处理后的超过20MΩ．cm。其原因在于：由于包覆层较薄，在高温处理过程中包覆层上颗粒长大并收缩而使包覆层受到破坏。 根据静电吸引理论、化学沉淀理论解释了ATO包覆氧化硅粉体及纤维的包覆层的形成机理。通过粉体表面电性测试表明：氧化硅粉体(氧化硅纤维)的等电点(pHzpc)为1.71(1.8)，而ATO前驱体的等电点为3.1，当溶液pH为2.0左右时，由于两种物质表面所带电荷相反、有利于包覆层的形成。另外，通过热力学分析可知道：非均匀成核的自由能要小于均匀成核的自由能，也就是非均相表面成核优于均匀成核，而在晶粒生长过程中，不存在核化位垒，所以为了提高包覆效率，应当尽量避免均匀成核出现。以包覆型导电粉作为导电填料制备防静电陶瓷能够大大地减少ATO的用量，其中包覆物加入率为12.5％、25％、50％、75％和1 00％的ATO包覆氧化硅粉体加入陶瓷后分别能节省大约66％、40％、35％、30％和25％的ATO用量；包覆物加入率为12.5％、25％的ATO包覆氧化硅纤维加入陶瓷后分别能节省大约77.8％、70％的ATO用量。包覆物加入率为100％、50％、75％的导电纤维加入陶瓷后也能节省超过50％的ATO用量。使用粉体和纤维复合型导电填料要比仅使用ATO包覆氧化硅粉体节省ATO的用量。ATO包覆纤维作为导电填料能最大限度地节省ATO用量的机理在于：较大的长径比所导致的桥联效应使得少量的导电纤维在陶瓷中就能形成较完善的导电网络。 本文还对ATO釉进行了复阻抗谱分析，研究了导电填料加入量对导电机理的影响。结果表明：随着导电填料的增加，等效电路由电阻．电容电路向电阻一电感电路变化。当加入量较低时，釉的导电方式主要是非欧姆接触导电，此时的等效电路可简化为电阻-电容电路。当加入量较高时，导电方式主要是欧姆接触导电，此时的等效电路可简化为电阻．电感电路。相比较，由于包覆型导电填料的电阻率较高，ATO包覆氧化硅釉由电容性向电感性的变化要在较高的测试频率范围才能表现出来。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2静电的危害

1.2.1固体介质静电造成的危害

1.2.2液体介质静电造成的危害

1.2.3气体介质静电造成的危害

1.3材料的防静电改性

1.3.1静电材料的分类

1.3.2材料防静电改性

1.4防静电地面材料的应用与电性能要求

1.4.1防静电地面材料的应用领域

1.4.2防静电地面材料的电性能要求

1.5导电填料分类及金属氧化物导电粉体

1.5.1导电填料的分类

1.5.2金属氧化物导电粉体

1.6锡资源分布、价格与走势

1.6.1锡资源分布

1.6.2未来锡资源及锡价格分析

1.7液相包覆—粉体表面改性的研究

1.7.1溶胶-凝胶法（Sol-Gel Method）

1.7.2沉淀法(Preipitation Method)

1.7.3非均匀成核法(Heterogeneous Nuclearation Method)

1.7.4异质絮凝法(Heterocoagulation Method)

1.7.5几种液相包覆方法比较

1.8本研究的目的及主要内容

1.8.1本课题的研究目的与意义

1.8.2本研究的内容

第二章测试方法与设备

2.1导电填料电阻率测定

2.2防静电试样表面电阻的测定

2.3 X-衍射物相分析

2.4显微结构及微区分析

2.4.1显微结构分析

2.4.2微区分析

2.5热分析

2.6粒度分析

2.7粉体颗粒ξ-电位测定

2.8复阻抗谱分析

第三章ATO包覆氧化硅导电粉体的制备及表征

3.1引言

3.2所用氧化硅粉体的性状

3.3实验部分

3.3.1实验步骤

3.3.2影响包覆实验因素确定

3.4掺杂量对ATO包覆氧化硅粉体导电性的影响

3.5保温时间对包覆粉体导电性的影响

3.6包覆物加入率对包覆粉体导电性的影响

3.7包覆层的厚度及形貌

3.8热处理温度对ATO包覆氧化硅粉体电性能的影响

3.9包覆粉体与机械混合粉体性能比较

3.10ATO及ATO包覆粉体的XRD分析

3.11ATO及ATO包覆氧化硅前驱体的热分析

3.12本章小结

第四章ATO包覆氧化硅纤维的制备及表征

4.1引言

4.2所用氧化硅纤维的性状

4.3实验部分

4.4ATO包覆氧化硅纤维影响因素的的确定

4.5包覆物加入率对ATO包覆氧化硅纤维导电性的影响

4.6 ATO包覆氧化硅纤维包覆层的厚度及形貌

4.7热处理温度对ATO包覆氧化硅纤维电性能的影响

4.8 ATO包覆氧化硅纤维的XRD分析

4.9 ATO包覆氧化硅纤维前驱体的热分析

4.10本章小结

第五章ATO包覆无机颗粒的机理探讨

5.1包覆机理探讨

5.1.1 pH值的影响

5.1.2成核机理

5.2包覆过程的热力学分析

5.3本章小结

第六章包覆型导电粉体在防静电陶瓷中的应用

6.1引言

6.2实验

6.3结果与讨论

6.3.1 ATO包覆氧化硅粉体

6.3.2 ATO包覆氧化硅纤维

6.3.3复合导电粉体

6.4本章小结

第七章ATO釉复阻抗谱分析

7.1引言

7.2原理

7.3实验

7.3.1 ATO釉样品的制备

7.3.2 ATO包覆氧化硅釉样品的制备

7.4ATO釉复阻抗分析

7.4.1 ATO加入量对电阻的影响

7.4.2加入30%ATO时釉的阻抗分析

7.4.3加入90%导电氧化锡时ATO釉的阻抗分析

7.4.4加入60%导电氧化锡时复合材料的阻抗分析

7.5 ATO包覆氧化硅釉阻抗分析

7.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢