应用于光学玻璃的粉末状五氧化二锑的制备

应用于光学玻璃的粉末状五氧化二锑的制备

衡亚冰

广东省惠州市

摘要：五氧化二锑作为除泡剂和澄清剂被广泛应用于光学玻璃中，但是，现有的五氧化二锑成品一般都是三氧化二锑与五氧化二锑的混合物或含水量较高，不能直接引入光学玻璃中。所以在光学玻璃熔制过程中，还要引入硝酸盐。在高温熔制过程中，硝酸盐同三氧化二锑发生化学反应，使三氧化二锑转化成五氧化二锑，起到消除微小气泡和澄清的作用。但是由于在玻璃熔制过程中引入了硝酸盐，高温融化时，因温区不同，三氧化二锑不能完全转化成五氧化二锑，造成玻璃中有微小的结石和析晶产生，最终导致光学玻璃性能不稳定，成品率下降。为解决这一问题，本文对应用于光学玻璃的粉末状五氧化二锑的制备方法进行了研究。

关键词：光学玻璃；制备

1 应用于光学玻璃的粉末状五氧化二锑的制备方法

本文提出的粉末状五氧化二锑的制备方法主要包括五个步骤，分别是四水五氧化二锑粗品制备、四水五氧化二锑纯化、四水五氧化二锑滤饼制备、四水五氧化二锑制备、无水粉末状五氧化二锑制备。制备过程的反应方程式如下：

在制备过程中，为了获取最佳的制备条件，本文对各步骤的工艺进行了优化。

1.1 四水五氧化二锑粗品制备

四水五氧化二锑粗品的制备步骤如下：

1）将质量分数为40%～42%的硝酸加入聚四氟反应釜中，升温至70℃，在搅拌状态下，分批加入金属锑粉，每次加入量为x，其中x=m/4～m/5,m为金属锑粉的总质量，金属锑摩尔分数为0.286。

2）向步骤1）的反应液中加入催化量的质量分数为36%～37%的盐酸；待金属锑粉完全溶解后，反应液的颜色变为棕红色时，对应生成了Sb(Cl)5，之后加入一定量的去离子水，调整反应液密度为1200～1250kg/m3。

3）升温至85℃，保温5h，陈化；趁热过滤，收集滤液，除去未反应的金属锑粉，此时滤液中主要是四水五氧化二锑。

1.2 四水五氧化二锑纯化

四水五氧化二锑纯化步骤如下：

1）将获取的含有四水五氧化二锑滤液加入另一聚四氟反应釜中，在滤液中加入去离子水，调整滤液的密度为1150～1180kg/m3，以便于后续的沉降除杂。

2）将处理后的滤液加热至90℃，加入质量为滤液质量1%～1.5%的偏锡酸，搅拌均匀后，加热煮沸，保温2～3h；之后降温至室温，静置8～12h，过滤，收集滤液。

从上述处理后的滤液中取样，通过ICP中控监测滤液中的铁、钴、铜、镍、锰、铬、镉、钛和钒的质量浓度，若均小于0.1～0.2μg/mL，则进行四水五氧化二锑滤饼制备；否则，重复上一步操作，重新吸附共沉杂质离子，直至滤液中的铁、钴、铜、镍、锰、铬、镉、钛和钒的质量浓度均小于0.1～0.2μg/mL。

1.3 四水五氧化二锑滤饼制备

四水五氧化二锑滤饼制备步骤如下：

1）将上述步骤中获取的滤液加入另一聚四氟反应釜中搅拌，转速为60r/min，加热升温至105℃，将滤液浓缩后加入一定量的去离子水，降低搅拌转速至30r/min，此时，溶液中会出现部分晶种；继续搅拌15～20min，如果出现的晶种回溶，再次补加一定量的去离子水，使五氧化二锑晶种完全析出。

2）五氧化二锑晶种稳定后，升温至115℃，保温3h，进行陈化，继续沉降4h后，将沉降产物压滤，并水洗至pH值为5.5～6，得四水五氧化二锑滤饼；对四水五氧化二锑滤饼进行XRD表征。

1.4 四水五氧化二锑制备

将四水五氧化二锑滤饼装入坩埚，入烘箱，干燥温度为110℃，时间6h；每间隔约0.5h翻盘一次，即得四水五氧化二锑；对四水五氧化二锑进行XRD表征。

2 粉末状五氧化二锑制备方法优化

为提高四水五氧化二锑的产率，降低制备过程中物料应用和能量损耗，对制备过程中的温度和物料配比进行了优化。

2.1 四水五氧化二锑粗品制备条件优化

在四水五氧化二锑粗品制备过程中，为得到更高的粗品产率，对反应釜的温度进行了优化，设定反应釜温度分别为60、70、80℃。结果显示，在70℃下粗品的产量最高，因此选择反应釜温度为70℃。同时对金属锑粉摩尔分数进行了优化，分别选摩尔分数为0.333、0.286、0.250。结果显示，在摩尔分数为0.286的金属锑粉时结果最佳，因此选择了金属锑粉摩尔分数为0.286来进行四水五氧化二锑粗品制备。

2.2 四水五氧化二锑纯化加热温度优化

在四水五氧化二锑纯化过程中，对滤液的加热温度进行了优化，控制纯化温度为85～95℃进行四水五氧化二锑的纯化，发现在90℃下纯化的效果最佳，因此选择90℃作为四水五氧化二锑纯化过程中滤液的加热温度。

2.3 四水五氧化二锑滤饼制备搅拌速率优化

在四水五氧化二锑滤饼制备过程中，搅拌速率对于五氧化二锑晶体的析出有较大影响。因此，在制备过程中需对搅拌速率进行优化。首先，要优化初次搅拌的速率，设定搅拌速率为50～100r/min，降低搅拌速率后的搅拌转速为20～40 r/min。结果显示，在初次搅拌速率为60～70r/min、降低搅拌转速为30～35r/min时，晶种析出效果最好，晶种离子长大效果良好，能够很好进行固液分离，因此初次搅拌时，搅拌转速选择60～70r/min；降低搅拌转速后，搅拌转速为30～35r/min。

2.4 无水粉末状五氧化二锑干燥条件优化

为得到更好状态的粉末状五氧化二锑，对干燥条件进行了优化。

第一梯度干燥温度和时间优化：设置干燥温度分别为160、170和180℃，干燥时间分别为4、5和6h，结果显示，在温度为170℃、干燥时间为5h的条件下，效果最好。

第二梯度干燥温度和时间优化：设置干燥温度分别为250、260和270℃，干燥时间分别为6、7和8h，结果显示，在温度为260℃、干燥时间为7h的条件下，效果最好。

3 粉末状五氧化二锑的制备工艺优点分析

通过本制备工艺进行应用于光学玻璃的粉末状五氧化二锑的制备，具有以下几方面的优点。

1）以锑和硝酸为原料，同时在反应过程中加入催化量的盐酸，采用直接湿法生产出粉末状的高纯度五氧化二锑，加入光学玻璃熔制过程中，可避免产生气泡及析晶，获得性能稳定的光学玻璃。

2）锑正常的价态为+3与+5，用非氧化性酸制备出的基本是三氧化二锑，即以+3存在，用硝酸正常反应即为二氧化锑，即+3与+5同时存在，单独生成+5价的五氧化二锑比较困难。本工艺通过分批加入锑粉、调整每次加料质量及优化金属锑粉的摩尔分数和反应温度，同时，在反应过程中加入催化量的盐酸使金属锑粉完全溶解，生成Sb(Cl)5，之后加水对Sb(Cl)5水解并长时间陈化后，获得四水五氧化二锑，通过特殊的纯化工序及烘干条件，最终获得纯度为99.99%的无水粉末状五氧化二锑。原料简单易得，过程温和可控。

3）采用梯度烘干法，在第一阶段通过低温脱出表面水，防止发生高温水解，引入羟基；在第二阶段找到合适温区，温和脱去结构水，最终保证无水粉末状五氧化二锑的品质。

4）本文直接采用湿法生产粉末状的高纯度五氧化二锑，其中Fe<1×10-6,Cu、Co、Mn、Ni、Cr、Cd、Ti、V、Pb、As均小于0.5×10-6，在玻璃体系中一般引入量为0.5%～2%，使玻璃熔制过程产生的微小气泡在氧的作用下形成放大气泡，澄清时，逐步上升至熔融的玻璃表面，起到消除微小气泡的作用，并且不产生有害气体。在玻璃熔化的过程中，可以消除气泡和缩短澄清的反应时间，有效避免结石和析晶产生，使光学玻璃的稳定性能大幅提高，成品率上升。

4结论

在光学玻璃中五氧化二锑是重要的除泡剂和澄清剂，具有重要应用。本文提出了一种粉末状五氧化二锑的制备方法，通过这种方法进行光学玻璃的生产，可以解决之前工艺引入五氧化二锑方式的不足，避免玻璃中出现微小结石和析晶，提高光学玻璃性能的稳定性，提高成品率。

参考文献

[1] 彭戍轩.浅谈光学玻璃的发展及其应用[J].黑龙江科学,2015,6(19):2.

[2] 赵慧平,陈嵘.光催化与现代测试技术应用于物理化学实验的探索——以锑掺杂氧化铋的制备及光催化性能测试为例[J].化学教育,2016,37(10):5.

[3] 杨扬,李刚,金克武,等.纳米晶ZnS薄膜的制备方法及应用进展[J].化工新型材料,2019,47(5):4.

[4] 王建成,周蓓莹,杨蓬,等.ZnS:Mn纳米晶复合玻璃的制备与光学性能[J].硅酸盐学报,2022,50(4):8.

[5] 聂兰舰,王玉芬,向在奎,等.光学石英玻璃的合成制备和应用[J].建筑玻璃与工业玻璃,2017(6):5.