[发明专利]用于制备石英玻璃的连续的溶胶‑凝胶法

说明书

技术领域

本发明涉及无机化学领域并涉及用于制备石英玻璃的连续的溶胶-凝胶法。

现有技术

三维的石英玻璃体可按照所述溶胶-凝胶法制备。所述方法的原理基于酸性或碱性催化的水解和随即通过凝结反应进行的硅烷、硅氧烷和有机硅烷的凝胶化。在此原本是液态的溶胶经由纳米晶状氧化物颗粒的稳定液态分散体转化成凝胶样的且最终固态的状态。如此获得的水凝胶被干燥成干凝胶并烧结成石英玻璃。该终产物是玻璃样的。不同的孔隙率和形态可通过添加不同的添加物或通过干燥方案进行调节。与在很高温度下通过熔融原材料进行的传统石英制备相反，在所述溶胶-凝胶法的情况下，在室温下发生成型。用该技术制备的玻璃体原则上不必再进行后加工，既节省时间也节省成本。

溶胶-凝胶合成的起始反应物是低分子醇金属盐化合物。在该合成的第一步骤将醇盐在酸或碱的存在下水解。作为结果，该过程产生不稳定的羟基化合物(a)，其有可能是轻微寡聚化的。所产生的溶液是溶胶。由分散的聚合物颗粒组成，通过其电荷被稳定化。在凝结中各化合物通过硅烷桥(Si-O-Si)的形成生长到一起(b)。该过程停顿，直至消耗掉所有单体。还没有形成连接在一起的网络。在适宜的反应条件下所有产生的颗粒以数纳米的均匀粒度分布存在。通过介质、pH值和浓度可影响相续进行的水解和凝结的反应速度(c)。该方法详细描述于Nogami et al.in Journal of Non-crystalline Sol ids,37,S.191-201(1980)。

在适宜的环境中，溶胶可维持数周、部分乃至数月之久。所述凝胶化通过凝结在硅氧烷键的形成下发生。这是赋予该合成以名称的步骤，所述溶胶-凝胶-过程。由溶胶的松散颗粒形成溶剂完全浸渍的三维网络。由所述溶胶变成凝胶。

在成功的凝胶化之后，含水凝胶被干燥成干凝胶。通过溶剂的完全蒸发产生更强的整个网络的横向交联。由该步骤得到紧凑的、高度交联的且有耐受力的材料：

(a)M(OR)_n+m H₂O->M(OR)_n__m-(OH)_m+m ROH

(b)～M-OH+HO-M～->～M-O-M～+H₂O

(c)～M-OR+HO-M～->～M-O-M～+ROH

M＝金属

～＝化学键，优选单键

在最后的步骤中，所述干凝胶被烧结成石英玻璃。

由现有技术已知许多致力于石英玻璃的一般制备和特别是致力于溶胶-凝胶法的方法。

由欧洲专利EP 0131057 Bl(SEIKO)已知一种用于石英玻璃制备的非连续性方法，其中首先提供式Me(OR)x的醇金属盐的水解溶液，由其形成溶胶(胶体的溶液)。所述溶胶在凝胶化之后被干燥成干凝胶。随即将干凝胶烧结成石英玻璃。

根据欧洲专利EP 0807610 Bl(LUCENT)的教导，公开了一种用于形成二氧化硅溶胶的方法，该溶胶很大程度上由不凝聚的二氧化硅组成，其中制备在水中的二氧化硅颗粒的起始混合物并由该混合物通过剪切混合形成二氧化硅-溶胶。在溶胶中加入无金属阳离子的碱性物质用于调节6-9的pH值。

欧洲专利EP 1251106 Bl(FITEL)要求的方法，其中溶胶通过硅石颗粒与水的混合提供，其中所述硅石颗粒具有5至25m²/g的表面，且包含至少85％球形颗粒且硅石颗粒与水的颗粒比大于65％。随即借助碱调节pH值于10至13且向所述溶胶添加凝胶剂。作为碱使用羟化四甲铵和羟化四乙铵。

由欧洲专利申请EP 1258457 A1(DEGUSSA)已知一种方法，其中将一种硅醇盐(Siliconalkoxid)水解，随后添加Ox50于其中，Ox50因其特定性质、其粒度和BET被使用。

欧洲专利EP 1320515 Bl(DEGUSSA)的主题是一种方法，其中制备两种合并用于反应的溶液。溶液A是热解硅石化合物(例如Aerosil Ox50)的含水酸性分散液(pH：1.5)。溶液B是同样具有热解硅石化合物(例如Aerosil Ox200)的含水碱性分散液(pH：10.5-13)。H₂O与SiO₂的摩尔比和在溶液A中的Si-化合物与在溶液B中的Si-化合物的摩尔比和在混合物C中得到的pH值(在这两种溶液合并后)是获得大于2cm的三维体的决定性特征。