溶膠凝膠法及其應(yīng)用

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1、溶膠－凝膠法及其應(yīng)用Sol-gel-SCFD溶膠（Ｓｏｌ）凝膠（Ｇｅｌ）超臨界流體干燥（supercriticalfluiddrying,ＳＣＦＤ）法第一部分溶膠－凝膠法目錄基本概念發(fā)展歷程基本原理和工藝過程常用測(cè)試方法應(yīng)用舉例優(yōu)勢(shì)，缺陷未來溶膠－凝膠法的基本概念膠體（colloid）是一種分散相粒徑很小的分散體系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之間的相互作用主要是短程作用力。溶膠（Sol）是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之間。凝膠（Gel）是具有固體特征的膠體體系，被分散的物質(zhì)形成連續(xù)的網(wǎng)狀骨架，骨架空

2、隙中充有液體或氣體，凝膠中分散相的含量很低，一般在1％～3％之間。溶膠（Sol）是由孤立的細(xì)小粒子或大分子組成，分散在溶液中的膠體體系。當(dāng)液相為水時(shí)稱為水溶膠（Hydrosol）;當(dāng)為醇時(shí)稱為醇溶膠（alcosol）。凝膠（Gel）是一種由細(xì)小粒子聚集而成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的具有固態(tài)特征的膠態(tài)體系，凝膠中滲有連續(xù)的分散相介質(zhì)。按分散相介質(zhì)不同可分為水凝膠（Hydrogel）、醇凝膠（alcogel）和氣凝膠（aerogel）沉淀物（precipitate）由孤立粒子聚集體組成而區(qū)別于凝膠。溶膠、凝膠和沉淀物的區(qū)分實(shí)例將一種或幾種鹽均勻分散在一種溶劑中，使它們成為透

3、明狀的膠體，即成溶膠。將溶膠在一定條件下（溫度、酸堿度等）進(jìn)行老化處理，得到透明狀的凍狀物即稱凝膠。溶膠-凝膠（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）法可精確控制各組分的含量，使不同組分之間實(shí)現(xiàn)分子／原子水平上的均勻混合，而且整個(gè)過程簡單，工藝條件容易控制。凝膠的形成與劃分凝膠形成機(jī)理通常須經(jīng)過三個(gè)必要的過程：a).單體聚合成初次粒子；b).粒子長大；c).粒子交聯(lián)成鏈狀且形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。溶膠－凝膠法的基本概念簡單的講，溶膠－凝膠法就是用含高化學(xué)活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚

4、合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動(dòng)性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。溶膠－凝膠法的基本概念－溶膠與凝膠的結(jié)構(gòu)比較溶膠無固定形狀固相粒子自由運(yùn)動(dòng)凝膠固定形狀固相粒子按一定網(wǎng)架結(jié)構(gòu)固定不能自由移動(dòng)這種特殊的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)賦予凝膠很高的比表面。溶膠－凝膠法的發(fā)展歷程1846年法國化學(xué)家J.J.Ebelmen用SiCl4與乙醇混合后，發(fā)現(xiàn)在濕空氣中發(fā)生水解并形成了凝膠。20世紀(jì)30年代W.Geffcken證實(shí)用金屬醇鹽的水解和凝膠化可以制備氧化物薄膜。1971年德國H.Dislich報(bào)道了通過金屬醇鹽水解制備了

5、SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多組分玻璃。1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整塊陶瓷材料及多孔透明氧化鋁薄膜。80年代以來，在玻璃、氧化物涂層、功能陶瓷粉料以及傳統(tǒng)方法難以制得的復(fù)合氧化物材料得到成功應(yīng)用。溶膠－凝膠法的基本原理溶劑化：M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+水解反應(yīng)：M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH------M(OH)n縮聚反應(yīng)失水縮聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O失醇縮聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH溶膠－凝膠法的基本

6、原理－水解反應(yīng)機(jī)理溶膠－凝膠法的基本原理－縮聚反應(yīng)機(jī)理溶膠－凝膠法的工藝過程凝膠化干凝膠膜氣凝膠干凝膠陶瓷溶膠－凝膠法常用測(cè)試方法測(cè)定前驅(qū)物金屬醇鹽的水解程度（化學(xué)定量分析法）測(cè)定溶膠的物理性質(zhì)（粘度、濁度、電動(dòng)電位）膠粒尺寸大小（準(zhǔn)彈性光散射法、電子顯微鏡觀察）溶膠或凝膠在熱處理過程中發(fā)生的物理化學(xué)變化（XRD、中子衍射、DTA－TG）反應(yīng)中官能團(tuán)及鍵性質(zhì)的變化（紅外分光光度計(jì)、拉曼光譜儀）溶膠、凝膠粒子中的結(jié)構(gòu)（GC－MS）固態(tài)物體的核磁共振譜測(cè)定M－O結(jié)構(gòu)狀態(tài)溶膠－凝膠法的應(yīng)用前驅(qū)體溶膠納米顆粒纖維濕凝膠涂層、薄膜氣凝膠多孔材料干凝膠致密塊體溶膠－凝膠

7、法應(yīng)用（1）—鋁膠制備及化學(xué)機(jī)理boehmite溶膠【水軟鋁石（AlOOH勃母石)]將1M仲丁醇鋁的仲丁醇溶液滴入溫度高于80℃的去離子水中進(jìn)行水解，生成boehmite沉淀，加入適量1.6MHNO3，使沉淀膠溶，經(jīng)老化形成穩(wěn)定的溶膠溶膠－凝膠法應(yīng)用—鋁膠制備及化學(xué)機(jī)理鋁鹽溶液中，鋁離子呈水合狀態(tài)，即[Al(H2O)6]3+。由于鋁離子的正電荷與配位水分子中氫離子相斥，使氫離子釋放出來—水解反應(yīng)[Al(H2O)6]3+=[Al(OH)(H2O)5]2++H+[Al(OH)(H2O)5]2+=[Al(OH)2(H2O)4]++H+[Al(OH)2(H2O)4]

8、+=[Al(OH)3(H2O)3]0+H+溶液的Ph