样品制备溶胶-凝胶过程沉淀法

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1、样品制备（溶胶-凝胶过程﹑沉淀法）一：实验目的1.了解样品制备（溶胶-凝胶过程﹑沉淀法）的原理及影响因素。2.通过实验能系统、规范、和熟练地掌握化学实验的基本操作和基本实验技能。溶胶-凝胶过程是一种在常压﹑低温下合成材料的方法。这种方法最早追溯到150年前，法国科学家J·Ebelmen把SiCl4与乙醇混合，在酸性条件下水解制成了SiO2玻璃。八十年代以来，这种古老的技术在制备氧化物涂层，功能陶瓷粉体﹑块体﹑玻璃等方面都有成功的应用。与传统的制备无机材料方法相比，它有着制成品纯度高，均匀性好，制成温度低，反应易于控制等优点，而

2、且可以根据需要制成各种不同的形态;块材﹑纤维﹑薄膜﹑粉体等。因而越来越受到人们的重视。第一节溶胶-凝胶过程的基本原理溶胶-凝胶过程是一种胶体化学法，是将前驱物（金属醇盐或金属无机盐）溶于溶剂中，经过成胶、凝胶等过程制成材料的胶体化学过程。1.胶体化学的一些基本原理胶体是一类物理化学性质特殊的高度分散体系，与真溶液或粗分散体系的区别在于分散相的颗粒大小不同。胶体中的颗粒介于真溶液（~）和粗分散体系（大于几千）之间，一般在10~1000范围内。按分散相和分散介质的不同，常见的胶体分散系有许多不同的类型。如固、液相分散于气相形成的气

3、溶胶，分散相和分散介质均为固相的固溶胶等。在此我们主要讨论以水或有机溶剂为介质的溶胶及其凝胶。实验表明，在电解质胶体溶液中，溶胶粒子是带电荷的，这是胶粒从介质中选择性地吸附某种粒子的结果。溶胶粒子的表面自由能很高，从热力学的观点来看，这样的体系是极不稳定的，易受外界干扰（如加热、投入电解质）或搁置而发生聚沉。但实际的胶体溶胶，有时又相当稳定，可以在很长时间内不发生聚沉。究竟是什么因素在起稳定作用呢？概括起来可以有两方面的原因：第一，溶胶的动力学稳定性。由于重力场的作用，胶粒会发生聚沉作用；但粒子的热运动，又促使粒子从高浓度向低

4、浓度扩散。当粒子足够小时，扩散作用足以抵抗重力的作用而形成具有一定浓度分布的沉降平衡。5第一，胶粒的荷电性。在胶粒之间同时存在着范式吸引力fA和双电层的静电斥力fR，总的作用力f总=fA+fR，只要fR的绝对值大于fA绝对值，胶体就可保持稳定。因而控制胶粒的运动（温度）和电性（电解质种类和浓度）就可控制胶体溶液的稳定和沉降。而这些为控制溶胶-凝胶过程提供了依据。2.溶胶-凝胶的基本过程溶胶-凝胶的过程可用下图表示。热处理（涂层、成纤、成型）金属醇盐溶剂水催化剂（胶溶剂）水解缩聚溶胶陈化湿凝胶干凝胶成品溶胶-凝胶法基本工艺过程第

5、一节金属醇盐水解1.溶胶制备在溶胶-凝胶中，最终产物的结构在溶胶中已初步形成，而且后续工艺与溶胶的性质密切相关，因此要求溶胶中的“粒子”有满足产物性能要求的结构和尺度，分布均匀，溶胶外观透明澄清，具有适宜的流变性质及其它理化性质，并能稳定存放足够长时间。控制溶胶的制备工艺，即控制醇盐水解和缩聚的条件，得到高质量的溶胶是溶胶－凝胶法最关键的一步。重要的工艺参数有加水量、催化剂、醇盐品种、溶剂种类及水解温度。(1)加水量溶胶有两种。一种是聚合溶胶，又称大分子溶胶、化学溶胶，这是在控制水解的条件下形成的，颗粒度一般不大于1nm,在体

6、系无固－液界面，属热力学体系。另一种是粒子溶胶，又称物理溶胶，是在充分水解情况下生成的。生成的是1-5nm的沉淀物，体系内存在固－液界面，在热力学上是不稳定的，必须加入胶溶剂使离子表面荷电，形成双电层才能稳定存在。这种作用就叫溶胶化作用。常见的胶溶剂有盐酸（HCl）、硝酸（HNO3）、乙醇（C2H5OH）、氨水（NH4OH）等。5（2）催化剂和溶胶的酸度催化剂可以加速反应，也可降低反应速率，常见的催化剂有盐酸（HCL）、硝酸（HNO3）和NH4OH，但由于催化机理的不同，酸催化和碱催化得到的产物不同。溶胶中的粒子是处于溶解－沉

7、降平衡中，这一平衡与温度及PH值有关。（3）醇盐品种金属取代醇分子（R-OH）中羟基上的氢而得到的金属有机化合物为金属醇盐。分子式可表示为M(OR1)、M(OR2)、M(ORn)，n为金属M的价数，R为烃基，通常情况下，OR1=OR2=ORn，有M(OR)n不同元素的醇盐的水解速率是不同的，同种金属的不同醇盐的水解速率也是不同的，当R基团中碳原子数加大时，水解速率下降。如果用金属醇盐水解法制备多组分的氧化物溶胶，为了保证组分均匀需要选择反应活性匹配的醇盐种类。（4）水解温度：升温通常使水解反应加快。2.胶凝化过程将溶胶在敞口或

8、密闭容器中放置时，或因溶剂蒸发，胶粒浓度加大而聚集；或因缩聚反应进行，而使溶胶失去流动性，成为半刚性的“固相”体系的过程称为凝胶化，在此过程中，胶粒逐渐聚集成为网络结构，大量的液相被包裹在固相的骨架中，溶胶的粘度逐渐加大，最后失去流动性，成为所谓的湿凝胶。3.凝胶的干燥在干燥