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BOLSOC.ESP.CERAM.VIDR. 29 (1990) 3, 145-150 Sintetizado sol-gel de polvos finos adecuados para la fabricación de cerámicos electrónicos, fibras ópticas y elementos cromatográficos C. J. R. GONZALEZ OLIVER * Batelle Europe-Geneva Research Centres. 7 route de Drize, CH-1227 Carouge. Geneva RESUMEN.—Sintetizado sol-gel de polvos finos adecua- dos para la fabricación de cerámicos electrónicos, fi- bras ópticas y elementos cromatográficos. En el caso del titanato de estroncio (STO) se conside- ra primero la precipitación homogénea de granos del Ti(Nb)02 partiendo de una mezcla de alcóxidos de Ti y de Nb. Este polvo fue reaccionado con COjSr a 1.100°C y desagregado por molienda. Se examinó en segundo tér- mino la adición de «fase líquida» (de composición en el sistema de SÍO2-AI2O3) mediante la inmersión de granos STO en soluciones de alcóxidos de Si y Al con posterior secado y oxidación a bajas temperaturas (500-700°C). Se obtuvo un dieléctrico de permitividad e=21.000 y pérdi- das dieléctricas tgô=0,016. Se repitió el proceso de for- mación de estructuras vitreas circulares de tipo «cladding» (Si02)/«core» (Si02-Ge02) mediante el proceso sol-gel basado en la hidrolización y policondensación de mezclas de alcóxidos puros en polvo de Si y Ge. Estas estructuras dobles de geles pueden ser optimiza- das de manera que a través de todo el proceso de secado, curado y densificación (la última a 1.500°C bajo flujo de helio), dan vidrios de una alta homogeneidad y exentos de defectos. En el ámbito de materiales para cromatografía se ha considerado aquí la preparación de polvos esféricos po- rosos en el sistema Si02-Zr02-Ti02-Al203 usando pre- cursores viscosos tipo polisiloxano-metaloxano partiendo de mezclas de alcóxido de silicio-pre-hidrolizado y de al- cóxidos de Zr, Ti y Al. Se han obtenido partículas de alta porosidad, que fueron oxidadas a 500-700°C, reteniendo una porosidad de 1-2 gm-^ dando soportes minerales de alta estabilidad química, como se demuestra para un ma- terial de composición 85% SÍO2 5Zr02 5TÍO2 SAljOj. Es posible además alterar la estructura de los poros, de manera que después de la oxidación final, los poros son de tamaño constante y por lo tanto de gran utilidad para separaciones cromatográficas de alta resolución. ABSTRACT.—Sol-gel processing of fine powders for elec- tronic ceramics, optical fibers and chromatographic elements. The homogeneous precipitation of Ti(Nb)02 from Ti and Nb alcoxides mixture is considered in the case of strontium titanate (STO). This powder reacts with SrCOa at 1,100°C and disaggregated by milling. The ad- dition of liquid phase is also examined in the SÍO2-AI2O3 system by dipping the STO grains in alcoxides solutions of Si and Al following by drying and oxidation at 500- 700°C. A dielectric material with permittivity €=21,000 and dielectric losses of tgô=0.016 was obtained. A similar processing of circular glass structures forma- tion (SÍO2) cladding/(Si02-Ge02) core by sol-gel process- ing based on the hidrólisis and policondensation of Si and Ge pure powders alcoxides mixtures has been developed. These doubles gels structures can be optimize in such a way that in the drying curing, and desifying processes (the last at 1,500°C on helium flux) give glasses depicting homogeneity and free of defects. In the case of chromatographic materials the prepara- tion of spherical porouses powders in the Si02-Zr02- TÍO2-AI2O3 system is considered. These powders were prepared by using viscous precursors type polisiloxano- metalozano from silicium alcoxide pre-hidrolyzed and Zr, Ti and Al alcoxides mixtures. Spherical particles with hihg porosity have been obtained. These particles were oxidiz- ed at 500-700°C containing a 1-2 gml-i porosity, giving rise to minerals substrates having high chemical stability as was demonstrated for a material of the 85 SÍO2 • • 5Zr02 • 5TÍO2 • 5AI2O3 (weight %) composition. Other- wise, it is possible to change the structure of the porous, so that after the final oxidation the porous are constant size and, therefore, very useful for high resolution chro- matographic separations. 1. INTRODUCCIÓN En este trabajo se intenta recalcar la importancia del mé- todo sol-gel (2-10) para la producción de polvos finos (ta- maño de grano menor a una miera) útiles para la fabrica- ción de cerámicos electrónicos (1, 11) y fibras ópticas. También se discute la síntesis de polvos esféricos (tamaño de partículas entre 5 y 500 mieras) adecuados para el mon- taje de columnas cromatográficas (12). * Vitramon GmbH, Postfach 1420, D-7150 Backnang-Waldrems. Recibido el 20-10-89 y aceptado el 15-4-90. Por razones de claridad se describen a continuación las etapas sucesivas requeridas para la preparación de los mate- riales analizados en esta publicación. 1.1. Síntesis de STO (titanato de estroncio) estabilizado por difusión gaseosa 1. Precipitación de granos Ti(Nb)02 Y oxidación. 2. Reacción del Ti(Nb)02 con COjSr a 1.100°C prime- ro en atmósfera oxidante y luego reducido bajo la ac- ción de 10% H2-90% Ar a 1.100°C por 1 h. (Nota: La formación del STO puede también efectuarse me- MAYO-JUNIO, 1990 145

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BOLSOC.ESP.CERAM.VIDR. 29 (1990) 3, 145-150

Sintetizado sol-gel de polvos finos adecuados para la fabricación de cerámicos electrónicos, fibras ópticas y elementos cromatográficos

C. J. R. GONZALEZ OLIVER * Batelle Europe-Geneva Research Centres. 7 route de Drize, CH-1227 Carouge. Geneva

RESUMEN.—Sintetizado sol-gel de polvos finos adecua­dos para la fabricación de cerámicos electrónicos, fi­bras ópticas y elementos cromatográficos.

En el caso del titanato de estroncio (STO) se conside­ra primero la precipitación homogénea de granos del Ti(Nb)02 partiendo de una mezcla de alcóxidos de Ti y de Nb. Este polvo fue reaccionado con COjSr a 1.100°C y desagregado por molienda. Se examinó en segundo tér­mino la adición de «fase líquida» (de composición en el sistema de SÍO2-AI2O3) mediante la inmersión de granos STO en soluciones de alcóxidos de Si y Al con posterior secado y oxidación a bajas temperaturas (500-700°C). Se obtuvo un dieléctrico de permitividad e=21.000 y pérdi­das dieléctricas tgô=0,016. Se repitió el proceso de for­mación de estructuras vitreas circulares de tipo «cladding» (Si02)/«core» (Si02-Ge02) mediante el proceso sol-gel basado en la hidrolización y policondensación de mezclas de alcóxidos puros en polvo de Si y Ge.

Estas estructuras dobles de geles pueden ser optimiza­das de manera que a través de todo el proceso de secado, curado y densificación (la última a 1.500°C bajo flujo de helio), dan vidrios de una alta homogeneidad y exentos de defectos.

En el ámbito de materiales para cromatografía se ha considerado aquí la preparación de polvos esféricos po­rosos en el sistema Si02-Zr02-Ti02-Al203 usando pre­cursores viscosos tipo polisiloxano-metaloxano partiendo de mezclas de alcóxido de silicio-pre-hidrolizado y de al­cóxidos de Zr, Ti y Al. Se han obtenido partículas de alta porosidad, que fueron oxidadas a 500-700°C, reteniendo una porosidad de 1-2 gm-^ dando soportes minerales de alta estabilidad química, como se demuestra para un ma­terial de composición 85% SÍO2 • 5Zr02 • 5TÍO2 • SAljOj. Es posible además alterar la estructura de los poros, de manera que después de la oxidación final, los poros son de tamaño constante y por lo tanto de gran utilidad para separaciones cromatográficas de alta resolución.

ABSTRACT.—Sol-gel processing of fine powders for elec­tronic ceramics, optical fibers and chromatographic elements.

The homogeneous precipitation of Ti(Nb)02 from Ti and Nb alcoxides mixture is considered in the case of strontium titanate (STO). This powder reacts with SrCOa at 1,100°C and disaggregated by milling. The ad­dition of liquid phase is also examined in the SÍO2-AI2O3 system by dipping the STO grains in alcoxides solutions of Si and Al following by drying and oxidation at 500-700°C. A dielectric material with permittivity €=21,000 and dielectric losses of tgô=0.016 was obtained.

A similar processing of circular glass structures forma­tion (SÍO2) cladding/(Si02-Ge02) core by sol-gel process­ing based on the hidrólisis and policondensation of Si and Ge pure powders alcoxides mixtures has been developed. These doubles gels structures can be optimize in such a way that in the drying curing, and desifying processes (the last at 1,500°C on helium flux) give glasses depicting homogeneity and free of defects.

In the case of chromatographic materials the prepara­tion of spherical porouses powders in the Si02-Zr02-TÍO2-AI2O3 system is considered. These powders were prepared by using viscous precursors type polisiloxano-metalozano from silicium alcoxide pre-hidrolyzed and Zr, Ti and Al alcoxides mixtures. Spherical particles with hihg porosity have been obtained. These particles were oxidiz­ed at 500-700°C containing a 1-2 gml-i porosity, giving rise to minerals substrates having high chemical stability as was demonstrated for a material of the 85 SÍO2 • • 5Zr02 • 5TÍO2 • 5AI2O3 (weight %) composition. Other­wise, it is possible to change the structure of the porous, so that after the final oxidation the porous are constant size and, therefore, very useful for high resolution chro­matographic separations.

1. INTRODUCCIÓN

En este trabajo se intenta recalcar la importancia del mé­todo sol-gel (2-10) para la producción de polvos finos (ta­maño de grano menor a una miera) útiles para la fabrica­ción de cerámicos electrónicos (1, 11) y fibras ópticas. También se discute la síntesis de polvos esféricos (tamaño de partículas entre 5 y 500 mieras) adecuados para el mon­taje de columnas cromatográficas (12).

* Vitramon GmbH, Postfach 1420, D-7150 Backnang-Waldrems. Recibido el 20-10-89 y aceptado el 15-4-90.

Por razones de claridad se describen a continuación las etapas sucesivas requeridas para la preparación de los mate­riales analizados en esta publicación.

1.1. Síntesis de STO (titanato de estroncio) estabilizado por difusión gaseosa

1. Precipitación de granos Ti(Nb)02 Y oxidación.

2. Reacción del Ti(Nb)02 con COjSr a 1.100°C prime­ro en atmósfera oxidante y luego reducido bajo la ac­ción de 10% H2-90% Ar a 1.100°C por 1 h. (Nota: La formación del STO puede también efectuarse me-

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Sintetizado sol-gel de polvos finos.

diante la precipitación directa a partir de una mezcla de alcóxidos de los tres metales.)

3. Desaglomeración en un molino de bolas.

4. Deposición de capas de 90% SiO2-10% AI2O3 me­diante sol-gel.

5. Oxidación de las capas a temperaturas no mayores a los 500 °C y desaglomeración en un molino de bolas de Zr02.

6. Prensado o laminado de polvos finales y sinterizado en atmósfera reductora a 1.280°C.

7. Recocidos a temperaturas del orden de 900 °C en at­mósferas de alta presión parcial de Pb.

1,2. Preformas ópticas concéntricas

1. Síntesis de polvos monodispersos de SÍO2 y SÍO2-Ge02 mediante la precipitación controlada a partir de líquidos metaloxanos.

2. Preparación de un tubo de SÍO2 mediante la gelifica-ción de una vena líquida (alcóxidos más polvos dis­persos) contenida en tubo sujeto a rotación continua.

3. Llenado del tubo húmedo previo con líquido inte­grado por alcóxidos y polvos de composición (100—x)Si02 • xGe02 (x: dependiendo de la diferen­cia final en índices de refracción). Envejecido hasta la formación del gel para dar el «core».

4. Secado, con un autoclave, de la estructura circular con­céntrica dando un cuerpo seco del mismo volumen inicial.

5. Curado y sinterizado de la estructura mediante calen­tamiento hasta 1.500°C bajo la acción primero de O2 y luego de He conteniendo, en ciertos márgenes de temperatura, gases deshidrolizantes como cloro. Este cuerpo vitreo pueder ser estirado en fibra óptica a tra­vés de, por ejemplo, un calentamiento bajo flujo de Ar a unos 2.100 °C.

1.3. Polvos esféricos porosos

1. Preparación de precursores poliméricos polimetalo-xanos líquidos a partir de alcóxidos de Si, Zr, Ti y Al.

2. Dispersión de los «aceites» en un medio acuoso agita­do continuamente.

3. Gelificación de las gotas mediante el agregado de ca­talizadores.

4. Extracción de los geles a través de filtrado y secado a 150°C.

5. Curado y conversión en polvos esféricos minerales por medio de calentamiento hasta 700°C bajo flujo de O2.

2. TITANATO DE ESTRONCIO (STO)

De acuerdo con la teoría de Maxwell-Wagner (11), un sis­tema bifásico de granos (dieléctricos o semiconductores) se­parados por capas finas (preferiblemente dieléctricas de cons­tante dieléctrica e^,) muestra las siguientes propiedades (efecto GBBL: «grain boundary barrier layers»): 1) una cons­tante dieléctrica efectiva igual al producto de e por el co­ciente entre el tamaño de grano y el espesor de las capas ais­ladoras (€ = ebXdg/db), para frecuencias menores a la de relajación; 2) una resistividad (r) efectiva igual a r^xdb/dg (en que b y g se refieren respectivamente a las capas y gra­nos) para frecuencias bajas y de modo que r disminuye a rg para frecuencias mayores a la de relajación; y 3) una constante de tiempo (RC; R: resistencia,, y C: capacidad) in­crementada por el factor (ág/áby^^. En general, es preferi­ble el uso del STO dopado, por ejemplo, con niobio. De es­te modo se pueden obtener conductividades electrónicas hasta diez veces mayores que con el titanato de bario dopado. Gra­cias a este efecto es posible desplazar la frecuencia de rela­jación a valores del orden de 10 Hz, extendiéndose así el margen de utilización de estos condensadores según el efec­to «GBBL» previamente discutido. En el caso de condensa­dores monolíticos es interesante aumentar el tamaño del grano a 50 ó 100 mieras mediante un leve enriquecimiento del ti­tanato presinterizado (> 1.450°C) en TÍO2. Dicho titanato después de la difusión de la fase aisladora, durante un reco­cido posterior a temperaturas del orden de 1.100°C, puede desarrollar un e próximo a 50.000 o incluso a valores ma­yores con un buen producto RC. Por el contrario, para otros condesadores laminados con electrodos internos, es necesa­rio disminuir el tamaño de grano y, si es posible, reducir la temperatura de sinterizado. En este caso se pretende que sean compatibles con electrodos internos basados en Ag/Pd que son mucho más económicos que aquellos basados en Pt o Pt/Pd(Au). La reducción del tamaño de grano obedece a la necesidad de conservar la rigidez dieléctrica de las capas individuales; sin embargo, dicho tamaño de grano no debe ser mucho menor que 5-10 mieras, pues se perdería el efecto GBBL.

El titanato de estroncio dopado con niobio puede prepa­rarse de varios modos. Además de la síntesis clásica basada en la reacción en estado sólido entre COgSr y Nb205/Ti02, puede considerarse la preparación directa del SrTi(Nb)03_¿ parüendo de alcóxidos de los tres metales o bien la síntesis previa del Ti(Nb)02_ô, mediante alcóxidos o compuestos inorgánicos además de la reacción con COgSr. Otra vía consiste en incorporar mediante alcóxidos el Nb205 en for­ma de capa delgada sobre el STO o el Ti02(+C03Sr) y tra­tar térmicamente las distintas fórmulas para inducir la difu­sión del niobio en la estructura cristalina respectiva.

Por ejemplo, se hizo reaccionar a 1.100°C 8,6 g Ti(Nb)02 con 15,6 g CO.Sr, obteniéndose el STO (99,9% SrTiO3-0,7% Nb205 (% molar). Posteriormente, el STO se redujo a temperaturas semejante con una gaseosa de 10% H2 • 90% Ar y se molió con bolas de carburo de wolframio en polvo fino (1-5 mieras). El polvo fino de Ti(Nb)02 se extrajo por filtrado, lavado en acetona y secado, de una dis­persión obtenida agregando lentamente la mezcla A en B[A: 28,55 g Ti(OC2H5)4, 100 g C2H5OH, 0,56 g Nb(OC2H5)5 y C2H5OH hasta un volumen de 625 mi; b: 13,51 g NH4OH (0,5 N en H2O) y C2H5OH hasta un volumen de 625 mi].

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C. J. R. GONZALEZ OLIVER

Los granos semiconductores de STO se recubrieron de ca­pas de composición 90% SÍO2 * 10% AI2O3 (% en peso) previamente al compactado (o laminado) y sinterizado. Las capas se obtuvieron mediante la inmersión y retirado de for­ma controlada del polvo en una solución de la siguiente com­posición: 41,6 g Si(OC2H5)4, 30 g 1-BuOH, 7,9 g Al(OC4H9)2 • (C6H9O3). 1,84 g HC1(0,1 N en EtOH) y (3,3 g H2O/I82 g EtOH). Esta solución se mezcló y trató a 50°C durante 0,5 h antes de usarse para la obtención de las capas. Una vez seco, el polvo se calentó a 550°C durante 1 h en atmósfera de O2 y se desagregó mediante 1 h de mo­lienda suave usando bolas de Zr02.

En la figura 1 se muestran las micrografías de microsco­pía electrónica de barrido (MEB) del polvo final del STO modificado con capas de SÍO2/AI2O3 en las que se puede ob­servar un buen estado de desaglomeración.

Fig. \ .—Micrografia MEB de STO, modificado con SÍO2/AI2O2 y preparado para el conformado.

Dichos polvos se presaron o laminaron usando ligantes constituidos por polímeros orgánicos (por ej., resinas acrí-licas) y pueden sinterizarse después de la combustión de la materia orgánica a 1.280°C durante 2 h en atmósfera de N2 o de N2(+l% H2). Con el fin de desarrollar óptimamente el efecto GBBL, los materiales cerámicos se reconocieron en atmósferas de alta presión parcial de Pb a 900 °C durante 3 h. En la figura 2 puede observarse la microëstructura de los condensadores finales en los que se aprecia la acumula­ción de la fase aisladora en los bordes de grano y en las jun­turas múltiples. También se detecta un tamaño de grano uni­forme y una baja porosidad. Respecto a las propiedades dieléctricas es importante destacar que para tales materiales cerámicos se obtuvieron valores de e de 21.000 y Q=60 en­tre 1 kHz y 10 MHz (Q = 1/thô, en que tgô es el coeficiente de pérdidas).

Fig. 2.—Micrografia MEB de la microëstructura del cerámico STO, pulido y recubierto con carbón.

3. POLVOS Y FIBRAS OPTICAS DEL SISTEMA Si02-Ge02

La síntesis de preformas vitreas orientadas al estirado de fibras de calidad óptica se ha llevado a cabo principalmente mediante procesos gaseosos, como CVD («chemical vapor deposition»). Los vidrios del sistema Si02-Ge02 muestran una excelente transmisión luminosa cuando los tetracloru-ros metálelos empleados en su preparación son de alta pure­za y si las preformas se encuentran suficientemente deshi-drolizadas con el fin de eliminar las bandas de absorción correspondientes a los OH". La técnica sol-gel se ha usa­do para preparar vidrios de ese sistema debido esencialmente a la posibilidad de reducir de un modo importante los costos de producción (6) y de preparar de forma relativamente sim­ple una serie de estructuras ópticas adecuadas. Por ejemplo, el correspondiente precursor de sflice puede gelificar en unos 15 minutos, lo que permite su introducción en un tubo que se hace girar horizontalmente alrededor de su eje de modo que el líquido se distribuye a su vez en forma de tubo. La rotación se mantiene hasta que la vena líquida tubular se so­lidifica dando lugar a un tubo de gel húmedo («cladding»). Posteriormente puede añadirse un precursor gelificante del sistema Si02-Ge02 con el fin de obtener el «core» de la fu­tura preforma vitrea. Por diversas razones es interesante aña­dir determinados polvos (SÍO2 o Si02-Ge02) a los distintos geles. Por ejemplo, para geles «cargados» con polvos vitreos se observa, durante el secado, una contracción mucho me­nor que para los geles sin polvo. Por otro lado, para los pri­meros, la estructura porosa después del secado es más abierta (poros de mayor tamaño y conectividad), lo cual da lugar a un material deshidrolizado (material poroso calentado, por ejemplo, en atmósferas ricas en productos clorados y Año­rados) más eficiente y que permite la densificación a un ma­terial vitreo que puede ser estirado en fibras sin defectos co­mo burbujas, etc.

Partiendo de Si(OC2H5)4 y Ge(OC2H5)4 de alta pureza se han preparado mezclas de composición 90% SÍO2 -10%

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Sintetizado sol-gel de polvos finos.

Ge02, 96% SÍO2 * 4% Ge02 y de sílice pura. Los corres­pondientes precursores suficientemente diluidos en alcohol etílico se precipitaron de un modo especial (proyección a pre­sión) usando mezclas alcohólicas de H2O y NH4OH. Los polvos obtenidos son casi esféricos, de tamaño constante y bien desaglomerados (fig. 3). Los polvos de SÍO2 o de

Fig. 3.—Micrograßa MEB de los polvos de sílice con una 4% de Ge02.

Si02-Ge02 se pueden filtrar y dispersar en nuevos disolven­tes compatibles con los líquidos gelificantes o bien se pue­den filtrar, lavar y secar antes de añadirlos a los líquidos gelificantes.

Por ejemplo, una mezcla de 9,5 g de CH3OH, 10 g de Si(OC2H5)4 y 3,5 g de SÍO2 se calentó a ebullición durante 2 h antes de adicionar 3 g de NH4OH (0,13 N en alcohol etflico) y 2,3 g de H2O. La solución se calentó 3 minutos a 60°C y se depositó en un tubo horizontal de vidrio de bo­rosilicato. Los extremos del tubo se sellaron con tapas espe­ciales que permiten montarlo en un torno. El sistema se so­

metió a rotación a 200 rpm, obteniéndose una vena tubular que se solidificó en unos 45 minutos. Al cabo de una hora de rotación el tubo de borosilicato se desconectó y se montó verticalmente para añadirle una mezcla del mismo tipo de gel/polvo/ (96% SÍO2 • 4% Ge02) que se soHficó en 5 mi­nutos. Esta estructura «rod-in-tube» se secó (fig. 4) en un autoclave a unos 190 atm y a 285°C. El autoclave se des­comprimió a 40 atm/h hasta unas 5 atm y luego se enfrió a temperatura ambiente.

Las estructuras de este tipo se pueden sinterizar a 1.500°C durante 2 h en atmósfera de helio, de forma que entre 800 y 1.100°C el He se dopa con CI2 con el fin de deshidroli-zar la estructura. Finalmente el vidrio se estiró en fibra (1 km) mostrando una absorción aceptable. En la figura 5 se reproduce una sección transversal de la misma. Puede apreciarse tanto el «cladding» de sílice como el «core» de Si02-Ge02 y que el permanio está razonablemente bien dis­tribuido a través del «core» de la fibra.

Fig. 5 .—Micrografía MEB de la fibra final obtenida que muestra la distri­bución de germanio a través de la estructura «core/cladding».

Por lo tanto, la técnica propuesta permite obtener polvos amorfos y de suficiente homogeneidad como para ser usa­dos satisfactoriamente en la preparación de geles aptos co­mo precursores de vidrios de buena calidad óptica.

Fig. 4.—Fotográfica de las estructura «rod-in-tube» de un gel secado en condiciones de temperatura y presión críticas.

4. POLVOS POROSOS DEL SISTEMA Si02-Zr02-Ti02-Al203

Para separaciones cromatográficas (12) en fase líquida, por ejemplo en el caso de soluciones proteicas, se utilizan nor­malmente columnas de sílice porosa, preferentemente con granos esféricos, en donde la separación por exclusión se puede efectuar o bien a presión normal o bien a altas presio­nes. La sílice (o también el CPG: «controlled porous glass», un material que contiene un 96% de SÍO2) es estable hasta un pH del orden de 8-9 y, por lo tanto, se han desarrollado métodos para depositar sobre ellos capas más estables (con­teniendo, por ejemplo, Zr02) que mejoran la resistencia a

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Sintetizado sol-gel de polvos finos..

Fig. 6.—Micrograßa MEB de la morfología típica de un material PG3 poroso.

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25KU X30.00r iN t WD23 Fig. 1 .—Micrografía MEB de la estructura porosa de un material PG3

modificado.

la corrosión de la SiOj. Otra posibilidad consiste en sinte­tizar cuerpos silíceos que contengan cantidades importantes de óxidos estabilizantes.

En general (9), se prepara una solución precursora (PG3) de composición (% en peso): 85 SÍO2 * 5 ZTO2 * 5 TÍO2 * • 5 AI2O3 a partir de alcóxidos. Dicha solución se dispersa en forma de gotas esféricas en disoluciones acuosas y se gelifica mediante la adición de un catalizador del tipo NH4OH. El material obtenido se puede extraer del líquido inicial por filtración y tras un secado y calentamiento a 500-800 °C se obtienen polvos vitreos o cerámicos de alta porosidad y de estabilidad química superior a la de la sílice (especialmente a ph>8).

Por ejemplo, para la composición PG3 se pre-hidrolizó primero el tetraetóxido de silicio de acuerdo a la composi­ción (a) y luego se le agregó la mezcla (b) y se sometió el conjunto a una destilación bajo ñujo de nitrógeno. En la etapa delicada se busca inducir el crecimiento de polímeros cícli­cos y lineales de determinadas características y de excluir el agua molecular (producida mediante las reacciones de po-licondensación) a fin de obtener precursores de composi­ción fija y de alta estabilidad frente a envejecimientos en atmósferas normales. Las composiciones (a) y (b) fueron: (a) - 4 0 0 g Si(OC2H5)4, 109 g C2H5OH, 15 g HCl (0,1 N en C2H5OH) y 34,6 g H2O; (b) - 2 3 , 3 g Zr(OC3H7)4 • • xiPrOH, 19,4 g Ti(OC2H5)4 y 40,2 g (OC4H9)2 • (C^H^O).

La síntesis de polvos esféricos y porosos se basó en las composiciones siguientes: (A) —60 ml P 3,40 ml tam (alco­hol teramínico); (B) —495 g H2O, 0,5 g PEG 400 (polieti-lenglicol, Pm=400). La solución (B), contenida en un reci­piente de 2 litros, se agitó constantemente a 750 rpm me­diante una barra magnética. A continuación se añadió la so­lución (A) en el transcurso de 3 minutos, obteniéndose un sistema de gotas de (A) estable en (B). Posteriormente se agregaron 60 ml de NH3(25 % en HjO) y se prosiguió la agitación a la misma velocidad durante 40 minutos.

Las gotas líquidas se solidificaron en esferas con una cierta distribución de tamaños. Dichas gotas se envejecieron en la solución inicial durante 24 horas, se extrajeron por filtra­ción y se secaron en un horno a 80°C por otras 24 horas. Así se produjeron 25,6 de PG3.1 con tamaño de partículas inferior a 100 mieras. En la figura 6 se muestra la morfolo­gía típica del material hecho.

Los soportes porosos se calentaron lentamente hasta 560 °C dando una superficie específica de 500 m^g-^ un volumen de poros superior a 1 mi g-^ y con un 20% de los poros de unos 200 X de tamaño.

Anticipando subsiguientes presentaciones se menciona aquí que se estudió también cómo hacer las siguientes composi­ciones (% en peso): Gl-85% SÍO2 • 15% Zr02, G2-50% SiO2-50% Zr02 y G4-50% SÍO2 • 20% Zr02-15% TÍO2 -15% AI2O3. Otra parte en estos trabajos consistió en el desarrollo de métodos que permitiesen el control del ta­maño de los poros. Por ejemplo, se analizaron el efecto, so­bre la porosidad final, de la composición inicial polimérica, tratamientos hidrotérmicos, secados y calentamientos en at­mósferas controladas, impregnaciones con distintas sales y compuestos tanto al nivel de gel húmedo como al nivel ob­tenido después de una sinterización parcial y la acción de ataques químicos.

En la figura 7 se muestra una micrografía MEB de un material PG3 modificado de tal forma que posee más de un 60% de poros de unos 1.000 A con un volumen total de po­ros de 1,5 mlg~'. Brevemente, primero se secaron los so­portes con un autoclave dando un volumen de poros mayor a 3 mlg~', y segundo, los polvos fueron inpregnados de una manera específica con una solución acuosa conteniendo 25 % de sales (90% NaCl • 10% BaCl2); depués del secado y cal­cinado a 700°C durante 2 horas, los polvos fueron lavados y una vez exentos de sales, fueron medidos con un porosí-metro a mercurio hasta presiones de 1.000 kgcm-^.

MAYO-JUNIO, 1990 149

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C. J. R. GONZALEZ OLIVER

En general, se observó que los materiales PG3 son amor­fos hasta aproximadamente 650 °C y si se los calientan hasta 1.200°C se obtienen principalmente las fases cristalinas si­guientes: Si02(ASTMll-695) y ZrTi04(ASTM34-415).

Finalmente, cuando se ataca el material PG3 con Aa[15 mi HCl(lN), 15 mi HNOgílN) y 30 mi EtOH] o con Ab[35 mi NaOH(0,lN) y 35 mi EtOH] durante 2 horas a ebulli­ción éste muestra una resistencia a la corrosión muy supe­rior a la del material CPG(96% SÍO2), especialmente en el caso del ataque alcalino. Para cada ensayo, se utilizaron 50 mg de material y las cantidades (suma de óxidos de sili­cio, titanio y aluminio; el Zr02 no fue medido) extraídas fueron: 6,41 mg (PG3) y 0,77 mg (CPG), para ataque con Áa y 6,74 mg (PG3) y 49,12 mg (CPG), para el ataque con Ab. Las superficies específicas para PG3 y CPG fueron, res­pectivamente, 512 y 7,8 m^g-i, lo cual permite marcar aún más las diferencias. Es decir, en términos de cantidades tota­les extraídas por m^ se calculan (en gm-^): 2,5 • 10-' (PG3) y 19,74 • lO-'^(CPG), después del ataque con la solución acida y 2,6 • 10-4(PG3) y 12,60 • 10-4(CPG) para el caso del ataque con la base.

5. CONCLUCIONES

En este trabajo se han preparado polvos de óxidos de na­turaleza muy diferente con un común denominador: el uso de alcóxidos y la síntesis a través de una gelificación con­trolada. Para el titanato de estroncio, el método se empleó con el fin de obtener polvos dopados, así como para modifi­car su superficie con otros óxidos que controlan la microes-tructura del material cerámico final y para reducir la tempe­ratura de sinterización.

Los polvos del sistema Si02-Ge02 son amorfos y perfec­tamente compatibles con las soluciones gelificantes, de mo­do que permiten la preparación de geles homogéneos aptos para obtener vidrios de alta pureza con buen comportamientos frente al estirado de fibras.

Asimismo, se pueden preparar polvos porosos y esféri­cos de 5-500 mieras con composiciones complejas de gran estabilidad ante el ataque alcalino. También es importante señalar las grandes porosidades obtenidas y la posibilidad de control de la estructura porosa.

AGRADECIMIENTOS

El autor agradece a J. M? Rincón y demás miembros del equipo de redacción del Boletín de la S.E.C.V. por las ges­tiones realizadas para la reproducción parcial de este traba­jo cuya publicación original se efectuó en el VIII Cong. Ex­pos. Argentino y II Iberoamericano de Cerámica, Vidrios y Refractarios (19888, Buenos Aires, R. Argentina). Tam­bién se agradece a uno de los revisores por sus constructi­vas sugerencias.

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150 BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 29 - NUM. 3