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溶胶-凝胶法在玻璃纤维表面制备锑掺杂二氧化锡薄膜的工艺

第34卷第11期 20l3年11月 纺织学 报 Journal of Textile Research Vo1.34.No.11 NOV.,2013 

文章编号:0253—9721(2013)11—0011—04 

溶胶一凝胶法在玻璃纤维表面 

制备锑掺杂二氧化锡薄膜的工艺 

李明超 ,张 毅 

(1.天津工业大学纺织学部,天津300387;2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津300387) 

摘要在热处理条件和掺锑的质量比例不同的情况下,对玻璃纤维的表面进行锑掺杂二氧化锡(ATO)镀膜处 理,进而测得纤维比电阻值。采用田口实验法对实验数据进行优化分析,并探讨了初始SnCI 浓度、热处理温度、处 理时间、掺杂比例对实验结果的影响程度。使用扫描式电子显微镜(SEM)对比观察了玻璃纤维表面结构在处理前 后的差异。实验表明:ATO镀膜处理后的玻璃纤维,导电性能明显增强;最优工艺条件是热处理温度450℃,掺杂 比例0.9%,热处理时间1.5 h,初始SnC1 浓度0.8 mol/L,且因子影响程度依次递减。 关键词ATO薄膜;溶胶一凝胶法;田口实验法;玻璃纤维 中图分类号:TS 151 文献标志码:A 

Process for preparing Sb-doped tin dioxide film on surface of glass 

fiber by sol-gel method 

LI Mingchao 一,ZHANG Yi , (1.Textile Dev ̄ion,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China; 2 Key Laboratory ofAdvanced Textile Composite(Tianjin Polytechnic Unive ̄ity),Min ̄try ofEducation,Tianjin 300387,China) 

Abstract Varying heat treatment conditions and the mass ratio of antimony—doping,the coating of Sb— doped tin dioxide(ATO)on the surface of the glass fiber was conducted,and the specifc resistance of the fiber was measured.Taguchi method,which explored the influence of the initial concentration of SnCI4,heat treatment temperature and time,and doping mass ratio on the experimental results,was used to optimize the experimental data.The differences in the structure on the surface of the fiber before and after the treatment were observed via SEM.It shows that the conductive property of the glass fiber is significantly enhanced after coating ATO.The optimum proess conditions were determined as follows: heat treatment temperature 450℃,doping mass ratio 0.9%,heat treatment time 1.5 h and initial concentration of SnC14 0.8mol/L.Fu ̄hermore,the extent of factor influence is shown in descending order. Key words ATO film;sol-gel method;Taguchi method;glass fiber 

二氧化锡(SnO,)具备高导电率、高光学透明 性、优良的化学稳定性等独特且可调谐的化学物理 性能,已成为电子和光电领域理想的替代材料 。 

纳米技术使之在光、热、电等物理特性方面较传统 SnO 而言发生了显著的变化 。在SnO 的溶胶 凝胶溶液中适度的掺锑,可以明显地改善薄膜 的导电性能 。而且ATO薄膜抗静电功能持 久,远远好于现有有机抗静电整理剂的整理 效果 。 虽然有关纤维表面镀膜的工艺有很多,但溶胶一 

凝胶法 具有可控性好,条件温和,产物粒径小 且尺寸均匀,易于成膜等优点,展现了良好的应用前 

收稿日期:2012一l1—16 修回日期:2013—07—23 作者简介:李明超(1988一),男,硕士。研究方向为纺织材料结构与性能。张毅,通信作者,E—mail:tianjinzhangyi@126.com。

 ・l2・ 纺织学报 第34卷 

景… 。田口实验法的应用,以最少的实验次数实现 

了工艺条件的最优化 。溶胶一凝胶法在玻璃纤维 

表面制备ATO薄膜的工艺不仅大大改善了玻璃纤 维的导电性能,而且相应地拓展了玻璃纤维的应用 

领域。 

1 实 验 

1.1 实验仪器 

JA3003型天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公 

司);KH-250E型高功率数控超声波清洗器(昆山禾 创超声仪器有限公司);ZK一1 S电热真空干燥箱(天 

津市中环实验电炉有限公司);SX3-4.13智能纤维 电阻炉(天津市中环实验电炉有限公司); 

C-MAG HS 4加热磁力搅拌器(广州仪科实验室技 术有限公司);YG321纤维比电阻仪(南通市三思机 

电科技有限公司);TM一1000型日立台式扫描电子显 

微镜(日本株式会社制造);自制匀速提拉仪。 

1.2 实验药品 

无碱玻璃纤维(天津市中天俊达玻璃纤维制品 

有限公司);结晶四氯化锡(分析纯>99.0%,天津 市赢达稀贵化学试剂厂);三氯化锑(分析纯> 98.0%,天津市科密欧化学试剂有限公司);无水乙 

醇(分析纯>99.7%,天津市风船化学试剂有限公 司);丙酮(天津市化学试剂五厂)。 

1.3 测试方法 

运用纤维比电阻仪对试样测试并得到相应的比 

电阻值,使用TM一1000型SEM扫描试样的表面 

形态。 

1.4试样制备 

1.4.1玻璃纤维的清洁 为防止纤维表面的杂质成为纤维和薄膜之间的 

分离剂,影响膜层的质量和性能,实验前要对玻璃纤 

维进行清洁。1)丙酮清洗油脂:纤维放入丙酮中超 声波处理;2)乙醇清洗有机杂质:在无水乙醇中超 

声波处理;3)去离子水清洗其他杂质:在去离子水 

中超声波处理。样品干燥后备用。 1.4.2溶胶一凝胶的配制 

用电子天平称取一定量SnC1 ・5H:O置于烧杯中 

并加入一定量的乙醇形成0.7、0.8、0.9、1.0 mol/L的 

SnC1 ・5H O溶液,每种4份,共16份,再置于磁力 搅拌器上搅拌,在80 qC下恒温加热搅拌2 h,最后按 

照0.9%、1.2%、1.5%、1.8%的掺杂比例加人 SbC1 晶体恒温加热搅拌3h,最终得到浅黄色澄清 溶胶,室温下放于暗室中静置24h。 

1.4.3纤维表面薄膜的制备 以80 cm/min的速度对l6份玻璃纤维试样进 

行浸渍提拉镀膜。待其自然晾干后,置于真空干燥 箱中130℃干燥1 h,纤维表面形成一层白色的干凝 

胶。设定热处理温度水平为300、350、400、450℃, 

热处理时间水平为0.5、1.0、1.5、2 h,将纤维放入真 空管式炉中热处理。按照四因素四水平L, (4×4) 

的实验方案对试样处理。最后,在玻璃纤维表面形 

成ATO薄膜。 

2结果与讨论 

2.1 反应原理 

醇解反应: 

A SnC14十4c2H5OH__= sn(0c2H5)4+4HC1 f 

^ Sn(0C2H5)4+xH20 Sn(OH) O(C2H5)4一 + c2H5OH T 

A SbC13十4C4H5OH sb(0c2H5)3+HC1 T 从上述原理可看出,随着反应温度的升高,反应 产生的乙醇、氯化氢会不断蒸发掉¨ ,故而进行本 

文实验的溶胶一凝胶反应过程中的杂质很少。实验 

采用无水乙醇作为溶剂是考虑到水的客观存在会促 使残留的cl一削弱胶体的稳定性,造成溶胶溶液的 

物理化学特性以及胶体粒子之间的界面性质的改 

变,导致胶粒团聚体的出现。何则强等 认为使用 

无水乙醇作溶剂时,在醇解反应中一方面sn 

被一0c:H 所包围,鉴于位阻作用的存在,Cl一无法 

靠近sn“,保证了胶体的纯净;另一方面,H 的产 

生并吸附在胶体粒子的表面,胶体表面呈正电性,不 

仅有利于阻止胶体粒子的聚集还可以使胶体液稳定 存在。 

2.2 田口实验分析实验数据 

2.2.1极差分析法 初始SnC1 浓度、热处理温度、热处理时间、 

掺杂比例按一定顺序变化排列且各因素出现的 频率相同,使得由于非均衡分散性而可能形成的 

误差从平均值中消除,从而突出了主要因素。因 此使用极差分析法时,只要比较实验指标平均值 

的极差值就可得出各因素影响效应的大小,结果 

如表1所示。

 ・14・ 纺织学报 第34卷 

理时间、掺杂质量比例、热处理温度、初始SnC1 浓度。 r o] 2)经田口实验分析,采用溶胶一凝胶法在玻璃 。。 

纤维表面制备导电ATO薄膜的最优工艺条件为:热 处理温度450℃,掺杂比例0.9%,热处理时间 

1.5 h,初始SnC1 浓度0.8 mol/L。 

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