CN114735944A - 一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃及其制备方法；所述制备方法包括以下步骤：S1：制备纳米复合浆料；S2：制备改性二氧化钛浆料；S3：将二氧化硅、三氧化二硼、氧化铋、氧化钡、三氧化二锑、氧化锌、稀土氧化物在700‑1200℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在300‑450℃下进行退火；S4：在光学玻璃外表面先涂覆一层纳米复合浆料，再涂覆一层改性二氧化钛浆料，形成二氧化钛层，即得光学玻璃，所述稀土氧化物为二氧化铈、三氧化二镨、氧化钐、氧化钆、氧化铒、氧化镱、三氧化二钇中的一种或几种，制备出来的光学玻璃具有高折射率、耐酸碱性好、耐磨性好以及耐腐蚀性。

Description

一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学玻璃技术领域，具体为一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃及其制备方法。
背景技术
光学玻璃是一种能够改变光的传播方向，并且能改变紫外、可见光或红外光的相对光谱分布的玻璃，随着时代的发展，对于光学玻璃需求越来越大，对光学玻璃的要求也越来越高。
光学玻璃的折射率、阿贝数和透过率为核心特征。常用高折射率玻璃系统有：TiO2-BaO-ZnO-ZrO2、TiO2-BaO-SiO2、BaO-CdO-B2O3-SiO2、B2O3-SiO2-BaO-PbO和硼镧系统，TiO2-BaO-ZnO-ZrO2、TiO2-BaO-SiO2两种玻璃系统易析晶，BaO-CdO-B2O3-SiO2、B2O3-SiO2-BaO-PbO对环境危害大，镧系玻璃折射率高，化学稳定性强，但是易结晶，所以硼镧系统可以作为高折射率光学玻璃的基础，但是需要引入更多的组分提高光学玻璃的折射率，改善抗析晶能力，所以，制备一种折射率高，抗析晶能力强的光学玻璃尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
所述制备方法包括以下步骤：
S1：纳米复合浆料的制备：
A：使用醋酸调节丙酮溶液pH至4.5-5.5，混合均匀后加入γ-巯丙基三甲氧基硅烷，混合均匀，加入纳米氧化镧，反应10-20s，超声反应0.5-1h，过滤即得预处理氧化镧；
B：将二甲基亚砜、偶氮二异丁腈、α-甲基吡啶、四乙氧基硅烷混合均匀后，加入预处理氧化镧，超声10-20min，缓慢滴加甲基丙烯酸甲酯，反应1-2h，冷却、抽滤，用无水乙醇和水冲洗，真空干燥，过滤即得改性氧化镧；
C：将干燥好的氰酸酯树脂与环氧树脂混合均匀，加入二月桂酸二丁基锡，分散10-20s，加入经过预处理的苯乙烯单体、改性氧化镧和石墨烯，反应10-20s，加入丙酮溶液，混匀即得；
S2：改性二氧化钛浆料的制备：将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，加入冰醋酸，混合均匀，得溶液A，将六水合氯化钴、尿素、硫脲溶于无水乙醇中，混合均匀后，超声5-10min，得溶液B，将溶液B 缓慢加入到溶液A中，反应1-2h，放置5-8h，在70-80℃下蒸干溶剂，干燥后加入十二烷基硫酸钠，反应5-10min后，加入水，反应15-20min，即得改性二氧化钛浆料；
S3：将二氧化硅、三氧化二硼、氧化铋、氧化钡、三氧化二锑、氧化锌、稀土氧化物在700-1200℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在300-450℃下进行退火；
S4：在光学玻璃外表面先涂覆一层纳米复合浆料，再涂覆一层改性二氧化钛浆料，形成二氧化钛层，即得光学玻璃。
作为优化，所述光学玻璃所需材料包括，以重量计：二氧化硅5-10份、三氧化二硼10-20份、氧化铋60-80份、氧化钡5-10份、三氧化二锑0.5-1份、氧化锌5-10份、稀土氧化物10-25份。
作为优化，所述S1步骤中预处理氧化镧所需材料包括，以重量计：醋酸0.5-1份、丙酮10-20份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷0.1-0.5份、纳米氧化镧30-50份。
作为优化，所述S1步骤中改性氧化镧所需材料包括，以重量计：二甲基亚砜2-6份、偶氮二异丁腈0.1-0.5份、α-甲基吡啶1-5份、四乙氧基硅烷1-5份、甲基丙烯酸甲酯5-10份、预处理氧化镧5-10份。
作为优化，所述S1步骤中纳米复合浆料所需材料包括，以重量计：氰酸酯树脂10-20份、环氧树脂2-5份、改性氧化镧10-20份、二月桂酸二丁基锡5-8份、苯乙烯5-10份、丙酮10-20份、石墨烯5-15份。
作为优化，所述稀土氧化物为二氧化铈、三氧化二镨、氧化钐、氧化钆、氧化铒、氧化镱、三氧化二钇中的一种或几种。
作为优化，所述S1步骤中,苯乙烯单体预处理的步骤为：苯乙烯单体应与氢氧化钠混合，超声反应10-20min，保留上层有机相，水洗，无水氯化钙干燥。
作为优化，所述改性二氧化钛浆料所需材料包括，以重量计：钛酸四丁酯20-30份、无水乙醇25-40份、冰醋酸5-10份、六水合氯化钴3-5份、尿素4-6份、硫脲4-6份、十二烷基硫酸钠10-15份、水5-10份。
作为优化，根据以上任意一项所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法制备的光学玻璃。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明采用硼镧系统作为光学玻璃系统，因为二氧化硅熔点较高，所以以三氧化二硼为主，三氧化二硼可以提高光学玻璃的化学稳定和折射率，加速玻璃的澄清，氧化铋、氧化钡、五氧化二铌、三氧化二锑、氧化锌、二氧化钴、氧化纳均为折射率较高的氧化物，加入到光学玻璃原料中，提高了光学玻璃的折射率，但不是所有折射率高的氧化物都可以加入到本发明中，氧化铋可以使光学玻璃具有高折射率，与其他物质配比合适，加强了离子间的干扰，不会发生析晶现象，氧化钡可以改善抗析晶性能，且可以充当助熔剂，制成的玻璃热稳定性好，氧化锌折射率高，可以提高玻璃的化学稳定性和折射率，与氧化钡同时使用，增强了玻璃的抗析晶性能，降低玻璃的膨胀系数，稀土氧化物的加入不会导致晶体结构突变，增强了光学玻璃的化学稳定性。
将纳米氧化镧制成复合材料涂覆于光学玻璃表面，在纳米氧化镧表面接枝γ-巯丙基三甲氧基硅烷，提高了物料的分散性，增强涂层与玻璃之间的附着力，继续加入甲基丙烯酸甲酯，有利于纳米氧化镧的粒子分散，延长分子链，使无机相和有机相之间作用增强，使涂层之间交联度更高，继续在纳米氧化镧表面引入氰酸酯树脂和苯乙烯，增强了光学玻璃的耐酸碱性、耐磨性以及折射率，加入石墨烯以提高光学玻璃的耐腐蚀性能。
二氧化钛只能利用紫外光，而不能利用可见光，紫外光在太阳光中占比小，而过渡金属可以提高光催化效率，采用Co-N-S-TiO2金属和非金属共掺得到二氧化钛光催化剂，涂覆于玻璃表面，受到阳光照射，发生了光化学反应，反应产生的物质可使玻璃表面的有机物降解而脱离，增强了光学玻璃的自洁性。
本发明制备的光学玻璃具有折射率好、耐磨、热稳定性强、耐酸碱性好以及光催化活性高，生产工艺简单，成本低。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：所述制备方法包括以下步骤：
S1：纳米复合浆料的制备：
A：使用0.5份醋酸调节10份丙酮溶液pH至4.5，混合均匀后加入0.1份γ-巯丙基三甲氧基硅烷，混合均匀，加入30份纳米氧化镧，反应10s，超声反应0.5h，过滤即得预处理氧化镧；
B：将2份二甲基亚砜、0.1份偶氮二异丁腈、1份α-甲基吡啶、1份四乙氧基硅烷混合均匀后，加入5份预处理氧化镧，超声10min，缓慢滴加5份甲基丙烯酸甲酯，反应1h，冷却、抽滤，用无水乙醇和水冲洗，真空干燥，过滤即得改性氧化镧；
C：将干燥好的10份氰酸酯树脂与2份环氧树脂混合均匀，加入5份二月桂酸二丁基锡，分散10s，加入经过预处理的5份的苯乙烯单体、10份改性氧化镧和5份石墨烯，反应10s，加入10份丙酮溶液，混匀即得；
S2：改性二氧化钛浆料的制备：将20份钛酸四丁酯溶于15份无水乙醇中，加入5份冰醋酸，混合均匀，得溶液A，将3份六水合氯化钴、4份尿素、4份硫脲溶于10份无水乙醇中，混合均匀后，超声5min，得溶液B，将溶液B 缓慢加入到溶液A中，反应1h，放置5h，在70℃下蒸干溶剂，干燥后加入10份十二烷基硫酸钠，反应5min后，加入5份水，反应15min即得改性二氧化钛浆料；
S3：将5份二氧化硅、10份三氧化二硼、60份氧化铋、份氧化钡、0.5份三氧化二锑、5份氧化锌、10份二氧化铈在700℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在300℃下进行退火；
S4：在光学玻璃外表面先涂覆一层纳米复合浆料，再涂覆一层改性二氧化钛浆料，形成二氧化钛层，即得光学玻璃。
所述S1步骤中,苯乙烯单体预处理的步骤为：苯乙烯单体应与氢氧化钠混合，超声反应10-20min，保留上层有机相，水洗，无水氯化钙干燥。
实施例2：所述制备方法包括以下步骤：
S1：纳米复合浆料的制备：
A：使用0.6份醋酸调节12份丙酮溶液pH至4.8，混合均匀后加入0.2份γ-巯丙基三甲氧基硅烷，混合均匀，加入35份纳米氧化镧，反应12s，超声反应0.6h，过滤即得预处理氧化镧；
B：将3份二甲基亚砜、0.2份偶氮二异丁腈、2份α-甲基吡啶、2份四乙氧基硅烷混合均匀后，加入6份预处理氧化镧，超声12min，缓慢滴加6份甲基丙烯酸甲酯，反应1.3h，冷却、抽滤，用无水乙醇和水冲洗，真空干燥，过滤即得改性氧化镧；
C：将干燥好的13份氰酸酯树脂与3份环氧树脂混合均匀，加入6份二月桂酸二丁基锡，分散12s，加入经过预处理的6份苯乙烯单体、12份改性氧化镧和8份石墨烯，反应12s，加入13份丙酮溶液，混匀即得；
S2：改性二氧化钛浆料的制备：将23份钛酸四丁酯溶于15份无水乙醇中，加入6份冰醋酸，混合均匀，得溶液A，将3.5份六水合氯化钴、4.5份尿素、4.5份硫脲溶于15份无水乙醇中，混合均匀后，超声6min，得溶液B，将溶液B 缓慢加入到溶液A中，反应1.2h，放置6h，在72℃下蒸干溶剂，干燥后加入12份十二烷基硫酸钠，反应6min后，加入6份水，反应16min即得改性二氧化钛浆料；
S3：将6份二氧化硅、15份三氧化二硼、65份氧化铋、7份氧化钡、0.6份三氧化二锑、6份氧化锌、15份二氧化铈在900℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在350℃下进行退火；
S4：在光学玻璃外表面先涂覆一层纳米复合浆料，再涂覆一层改性二氧化钛浆料，形成二氧化钛层，即得光学玻璃。
所述S1步骤中,苯乙烯单体预处理的步骤为：苯乙烯单体应与氢氧化钠混合，超声反应10-20min，保留上层有机相，水洗，无水氯化钙干燥。
实施例3：所述制备方法包括以下步骤：
S1：纳米复合浆料的制备：
A：使用0.8份醋酸调节15份丙酮溶液pH至5.2，混合均匀后加入0.4份γ-巯丙基三甲氧基硅烷，混合均匀，加入40份纳米氧化镧，反应18s，超声反应0.81h，过滤即得预处理氧化镧；
B：将5份二甲基亚砜、0.4份偶氮二异丁腈、3份α-甲基吡啶、3份四乙氧基硅烷混合均匀后，加入8份预处理氧化镧，超声18min，缓慢滴加8份甲基丙烯酸甲酯，反应1.8h，冷却、抽滤，用无水乙醇和水冲洗，真空干燥，过滤即得改性氧化镧；
C：将干燥好的15份氰酸酯树脂与4份环氧树脂混合均匀，加入7份二月桂酸二丁基锡，分散18s，加入经过预处理的8份苯乙烯单体、18份改性氧化镧和12份石墨烯，反应18s，加入15份丙酮溶液，混匀即得；
S2：改性二氧化钛浆料的制备：将28份钛酸四丁酯溶于20份无水乙醇中，加入8份冰醋酸，混合均匀，得溶液A，将4.5份六水合氯化钴、5.5份尿素、5.5份硫脲溶于15份无水乙醇中，混合均匀后，超声8min，得溶液B，将溶液B 缓慢加入到溶液A中，反应1.8h，放置7h，在78℃下蒸干溶剂，干燥后加入14份十二烷基硫酸钠，反应8min后，加入8份水，反应18min即得改性二氧化钛浆料；
S3：将8份二氧化硅、18份三氧化二硼、70份氧化铋、8份氧化钡、0.8份三氧化二锑、8份氧化锌、20份二氧化铈在1100℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在400℃下进行退火；
S4：在光学玻璃外表面先涂覆一层纳米复合浆料，再涂覆一层改性二氧化钛浆料，形成二氧化钛层，即得光学玻璃。
所述S1步骤中,苯乙烯单体预处理的步骤为：苯乙烯单体应与氢氧化钠混合，超声反应10-20min，保留上层有机相，水洗，无水氯化钙干燥。
实施例4：所述制备方法包括以下步骤：
S1：纳米复合浆料的制备：
A：使用1份醋酸调节20份丙酮溶液pH至5.5，混合均匀后加入0.5份γ-巯丙基三甲氧基硅烷，混合均匀，加入纳米氧化镧，反应20s，超声反应1h，过滤即得预处理氧化镧；
B：将6份二甲基亚砜、0.5份偶氮二异丁腈、5份α-甲基吡啶、5份四乙氧基硅烷混合均匀后，加入10份预处理氧化镧，超声20min，缓慢滴加10份甲基丙烯酸甲酯，反应2h，冷却、抽滤，用无水乙醇和水冲洗，真空干燥，过滤即得改性氧化镧；
C：将干燥好的20份氰酸酯树脂与5份环氧树脂混合均匀，加入8份二月桂酸二丁基锡，分散20s，加入经过预处理的10份苯乙烯单体、20份改性氧化镧和15份石墨烯，反应20s，加入20份丙酮溶液，混匀即得；
S2：改性二氧化钛浆料的制备：将30份钛酸四丁酯溶于20份无水乙醇中，加入10份冰醋酸，混合均匀，得溶液A，将5份六水合氯化钴、6份尿素、6份硫脲溶于20份无水乙醇中，混合均匀后，超声5-10min，得溶液B，将溶液B 缓慢加入到溶液A中，反应2h，放置8h，在80℃下蒸干溶剂，干燥后加入15份十二烷基硫酸钠，反应10min后，加入10份水，反应20min即得改性二氧化钛浆料；
S3：将10份二氧化硅、20份三氧化二硼、80份氧化铋、10份氧化钡、1份三氧化二锑、10份氧化锌、25份二氧化铈在1200℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在450℃下进行退火；
S4：在光学玻璃外表面先涂覆一层纳米复合浆料，再涂覆一层改性二氧化钛浆料，形成二氧化钛层，即得光学玻璃。
所述S1步骤中,苯乙烯单体预处理的步骤为：苯乙烯单体应与氢氧化钠混合，超声反应10-20min，保留上层有机相，水洗，无水氯化钙干燥。
对比例
对比例1：与实施例2做对比，原料中不加入改性二氧化钛浆料，制备方法为：将二氧化硅、氧化铋、氧化钡、三氧化二锑、氧化锌在700-1200℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在300-450℃下进行退火；
在光学玻璃外表面涂覆一层纳米复合浆料，即得光学玻璃。
对比例2：与实施例2做对比，原料中不加入纳米复合浆料，制备方法为：
将二氧化硅、三氧化二硼、氧化铋、五氧化二铌、氧化钠、三氧化二锑、稀土氧化物在700-1200℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在300-450℃下进行退火；
在光学玻璃外表面涂覆一层改性二氧化钛浆料，形成二氧化钛层，即得光学玻璃。
实验数据
阿贝数和折射率：将实施例1至实施例4按GB/T7962.1-2010《无色光学玻璃测试方法》进行实验；
耐酸、耐碱性：将实施例1至实施例4制备的光学玻璃分别浸泡于0.1mol/L的盐酸和0.1mol/L氢氧化钠中，称量浸泡前后玻璃的重量，计算失重率，
Figure 773610DEST_PATH_IMAGE001
其中，m0为浸泡前玻璃的质量，m1为浸泡后玻璃的质量；
抑菌性：将实施例1至实施例4制备的光学玻璃浸泡于甲基橙溶液中，使用紫外灯和可见光源灯同时照射6h，测定甲基橙溶液光照前后的吸光度，计算甲基橙降解率。
Figure 968487DEST_PATH_IMAGE002
结论：根据实施例1至实施例4制备的光学玻璃具有折射率高、耐磨性好、耐酸碱性强、热稳定性强的性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
S1：纳米复合浆料的制备：
A：使用醋酸调节丙酮溶液pH至4.5-5.5，混合均匀后加入γ-巯丙基三甲氧基硅烷，混合均匀，加入纳米氧化镧，反应10-20s，超声反应0.5-1h，过滤即得预处理氧化镧；
B：将二甲基亚砜、偶氮二异丁腈、α-甲基吡啶、四乙氧基硅烷混合均匀后，加入预处理氧化镧，超声10-20min，缓慢滴加甲基丙烯酸甲酯，反应1-2h，冷却、抽滤，用无水乙醇和水冲洗，真空干燥，过滤即得改性氧化镧；
C：将干燥好的氰酸酯树脂与环氧树脂混合均匀，加入二月桂酸二丁基锡，分散10-20s，加入经过预处理的苯乙烯单体、改性氧化镧和石墨烯，反应10-20s，加入丙酮溶液，混匀即得；
S2：改性二氧化钛浆料的制备：将钛酸四丁酯溶于无水乙醇中，加入冰醋酸，混合均匀，得溶液A，将六水合氯化钴、尿素、硫脲溶于无水乙醇中，混合均匀后，超声5-10min，得溶液B，将溶液B 缓慢加入到溶液A中，反应1-2h，放置5-8h，在70-80℃下蒸干溶剂，干燥后加入十二烷基硫酸钠，反应5-10min后，加入水，反应15-20min，即得改性二氧化钛浆料；
S3：将二氧化硅、三氧化二硼、氧化铋、氧化钡、三氧化二锑、氧化锌、稀土氧化物在700-1200℃下进行熔化、澄清，浇注到预热模具中，在300-450℃下进行退火；
S4：在光学玻璃外表面先涂覆一层纳米复合浆料，再涂覆一层改性二氧化钛浆料，形成二氧化钛层，即得光学玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法，其特征在于：所述光学玻璃所需材料包括，以重量计：二氧化硅5-10份、三氧化二硼10-20份、氧化铋60-80份、氧化钡5-10份、三氧化二锑0.5-1份、氧化锌5-10份、稀土氧化物10-25份。
3.根据权利要求1所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法，其特征在于：所述S1步骤中预处理氧化镧所需材料包括，以重量计：醋酸0.5-1份、丙酮10-20份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷0.1-0.5份、纳米氧化镧30-50份。
4.根据权利要求1所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法，其特征在于：所述S1步骤中改性氧化镧所需材料包括，以重量计：二甲基亚砜2-6份、偶氮二异丁腈0.1-0.5份、α-甲基吡啶1-5份、四乙氧基硅烷1-5份、甲基丙烯酸甲酯5-10份、预处理氧化镧5-10份。
5.根据权利要求1所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法，其特征在于：所述S1步骤中纳米复合浆料所需材料包括，以重量计：氰酸酯树脂10-20份、环氧树脂2-5份、改性氧化镧10-20份、二月桂酸二丁基锡5-8份、苯乙烯5-10份、丙酮10-20份、石墨烯5-15份。
6.根据权利要求1所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法，其特征在于：所述稀土氧化物为二氧化铈、三氧化二镨、氧化钐、氧化钆、氧化铒、氧化镱、三氧化二钇中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法，其特征在于：所述S1步骤中,苯乙烯单体预处理的步骤为：苯乙烯单体应与氢氧化钠混合，超声反应10-20min，保留上层有机相，水洗，无水氯化钙干燥。
8.根据权利要求1所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法，其特征在于：所述改性二氧化钛浆料所需材料包括，以重量计：钛酸四丁酯20-30份、无水乙醇25-40份、冰醋酸5-10份、六水合氯化钴3-5份、尿素4-6份、硫脲4-6份、十二烷基硫酸钠10-15份、水5-10份。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种表面涂覆纳米材料的光学玻璃的制备方法制备的光学玻璃。
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