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玻璃纤维是一种具有新型功能和结构的无机非金属材料。由于它具有耐高温、不燃性、强度高、密度小、抗腐蚀、延伸小及吸湿低等一系列优异性能,在传统工业、建筑业、农业以及航空、航天、电子、通讯、遗传工程、核能、兵器、舰艇及海洋开发等领域得到广泛应用,成为本世纪具有很大发展潜力的高新技术材料。然而玻璃纤维本身透光性好并具有电绝缘性,许多应用领域又希望其具有导电性。为了使玻璃纤维及其织物具有一定的透光导电性,本文选用由溶胶凝胶法制备的透明导电掺锑二氧化锡(ATO,Antimony-dopedTinOxide)对玻璃纤维及其织物进行涂覆整理。
结合二氧化锡的晶格结构,建立了原子掺杂几率模型来探讨锑的最佳掺杂量,经理论推导得出:当锑掺杂摩尔百分比为1.5mol%时,掺锑二氧化锡的导电性能最优;通过建立玻璃纤维织物表面的Langmuir(朗格缪尔)吸附模型,研究了掺锑二氧化锡溶胶在玻璃纤维织物上的吸附原理,证明了ATO溶胶在玻璃纤维上的吸附属于单分子吸附过程。
采用单因素实验分别研究了溶胶-凝胶法制备ATO的工艺参数对玻璃纤维织物表面纳米ATO的微观结构、织物的导电性能以及透光性能的影响,以确定各个工艺参数的范围,为后续的正交实验设计参数范围提供依据。通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及原子力显微镜(AFM)分别表征了纳米ATO的物相结构、表面形貌,采用绝缘比电阻仪表征了导电玻璃纤维织物的导电性能,紫外分光光度计表征了其透光性能。结果表明:随着热处理温度的升高,玻璃纤维织物表面的ATO晶粒粒径逐渐变大,晶体结构趋于完整,织物电阻率先减小后增大,其透光率先增大后减小;随着反应物初始浓度的增加,织物表面的ATO晶粒尺寸逐渐增大,织物的导电性能提高,其透光率逐渐减小;随着热处理时间的逐渐延长,晶粒逐渐长大,趋于完整,织物电阻率逐渐下降,同时其透光率也逐渐得到改善。
采用正交实验设计的方法,优化了溶胶-凝胶法工艺,并讨论了反应物初始浓度、锑掺杂浓度、热处理温度以及热处理时间等四个影响因素对玻璃纤维织物表面比电阻的影响,结果表明:对织物表面比电阻的影响程度依次为热处理时间、掺杂浓度、热处理温度、反应物初始浓度。最优工艺参数是初始浓度0.8mol/L、热处理温度450℃、热处理时间1.5h、掺杂浓度0.9%。在此条件处理下,织物的表面比电阻最小,可达3.4×106Ω。