[发明专利]一种用于生产含硅酸盐的玻璃和玻璃陶瓷的连续溶胶-凝胶方法

说明书

本发明公开了一种用于生产含硅酸盐的玻璃和玻璃陶瓷的连续溶胶‑凝胶方法，其包括以下步骤：(a)将四烷氧基硅、具有至少一个非醇官能团的硅醇盐和醇连续加入第一反应器(R1)中，并通过加入无机酸至少部分水解得到第一产品流(A)；(b)通过加入金属醇盐成分或连续混合醇和金属醇盐成分，在第二反应器(R2)中连续提供第二产品流(B)；(c)在第三反应器(R3)中连续混合产品流(A)和(B)生产预溶胶以获得第三产品流(C)；(d)向产品流(C)中连续加入水或稀酸，得到溶胶(凝胶化)；(e)将得到的溶胶连续填充到模具中以获得水凝胶；(f)干燥水凝胶以获得干凝胶；(g)烧结干凝胶以得到含硅酸盐的玻璃和玻璃陶瓷。

技术领域

本发明涉及无机化学领域，并涉及一种生产含硅酸盐玻璃或玻璃陶瓷的连续过程。

背景技术

三维石英玻璃体可通过所谓的溶胶-凝胶法制备。该方法的原理基于酸催化或碱催化水解，然后由于缩合反应而凝胶化。最初的液体溶胶经过氧化物颗粒的稳定液体分散体转变成凝胶状和最终固态。随后将上述获得的水凝胶干燥成干凝胶，并烧结成石英玻璃。最终产品是玻璃状的。产品的孔率和形态可以通过添加不同的添加剂或通过干燥时间表来调节。与通过在非常高的温度下熔化原料制备石英玻璃的常规方法相比，在溶胶-凝胶过程中在室温下进行成形。使用此项技术制备玻璃体无需重复加工，既节省时间有更加便宜。

溶胶-凝胶合成的原料是低分子量金属醇盐化合物。该合成的第一步是在酸或碱性条件下水解醇盐。该过程形成了不稳定的羟基化合物(a)，上述化合物有时可能容易低聚。形成的溶液是一种溶胶。在缩合反应中，各化合物通过形成硅氧烷桥(Si-O-Si)(b)一起结合生长。该过程持续到所有单体被消耗为止。连续的网络尚未形成。在合适的反应条件下，所有产生的颗粒的尺寸以几纳米均匀分布。水解和缩合的反应速率受通过介质，pH和浓度和同时反应的影响(c)。Nogami等人在Journal of Non-crystalline Solids，37，pp.191-201(1980)中详细描述了该过程。

在合适的环境中，溶胶可保持稳定数周，部分甚至数月。凝胶化通过缩合形成硅氧烷键。现在，达到了合成的同步步骤，溶胶-凝胶转变。从溶胶的松散颗粒中，形成了由溶剂浸泡的三维网络。溶胶已成为凝胶。

胶化完成后，水凝胶被干燥成干凝胶。溶剂的完全蒸发使整个网络的更

(a)M(OR)₄+nH₂O→M(OR)_4-n(OH)_n+nROH

强交联。该步骤形成了一种紧凑、高度交联和弹性的材料：

M＝金属或非金属，R＝残基，

n＝1-4

a＝0-3

b＝0-3

c＝0-3

在最后一步中，干凝胶被烧结成石英玻璃。

从现有技术中，已知大量处理石英玻璃生产的方法，更优选溶胶-凝胶方法。

从欧洲专利EP 0 131 057 B1(Seiko)，公开了一种间歇生产石英玻璃的方法，其中首先生成化学式为M(OR)_x的金属醇盐的水解溶液，溶胶(胶体溶液)随后在其中形成。凝胶化后，溶胶被干燥成干凝胶。随后，将干凝胶烧结成石英玻璃。

欧洲专利EP 0 807 610 B1(Lucent)，公开了一种制备二氧化硅溶胶的方法，该二氧化硅溶胶基本上由非团聚二氧化硅组成，其中首先制备二氧化硅颗粒在水中的起始混合物，二氧化硅溶胶通过剪切混合从混合物形成。向溶胶中加入不含金属阳离子的碱性物质，将pH调节至6-9。