最新第五章 溶胶凝胶.教学讲义ppt课件.ppt

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1、第五章溶胶凝胶.5.1溶胶－凝胶法概述溶胶-凝胶方法属于无机液相合成的一种，是指用金属的有机或无机化合物，经过溶液、溶胶、凝胶过程，接着在溶胶或凝胶状态下成型，再经干燥和热处理等工艺流程制成不同形态的产物。①高度化学均匀性。通过各种反应物溶液的混合，很容易获得需要的均相多组分体系(~0.5nm尺寸内达到化学均匀）同传统使用的5～50μm粉末的混合物的均匀度比较，提高104～105倍。②较低合成及烧结温度：Sol-gel粉末合成以及烧结温度比传统粉末一般低50～500℃。溶胶-凝胶法优点及独特的技术特点：中心化学问题:反应物分子（或离子）母体在水或其他有机溶剂中进行

2、水解和聚合反应，即由分子态→聚合体→溶胶→凝胶→晶态（或非晶态）的全部过程所以这条合成路线可以通过对过程化学上的了解和有效的控制来合成一些特定结构和聚集态的固体化合物和材料。根据原料的不同，Sol-Gel法可分为胶体工艺和聚合工艺胶体工艺的前体是金属盐，利用盐溶液的水解，通过化学反应产生胶体沉淀，利用胶溶作用使沉淀转化为溶胶，并通过控制溶液的温度、pH值可以控制胶粒的大小。通过使溶胶中的电解质脱水或改变溶胶的浓度，溶胶凝结转变成三维网络状凝胶。聚合工艺的前体是金属醇盐，将醇盐溶解在有机溶剂中，加入适量的水，醇盐水解，通过脱水、脱醇反应缩聚合，形成三维网络。溶胶-凝

3、胶工艺方法按照溶胶的形成原理和过程则可归纳为三种：胶体法配合物法水解聚合反应法胶体法传统的胶体法（亦称粒子溶胶一凝胶法）直接以超细固体颗粒为原料，通过调节pH值或加入电解质来中和固体颗粒表面电荷，形成溶胶，再通过溶剂蒸发使系统形成凝胶。配合物法配合物法通常用金属醇盐、硝酸盐或乙酸盐为原料，由配合反应形成具有较大或复杂配体的配合物，再由氢键建立凝胶网络，形成凝胶。起初是采用柠檬酸作为配合剂，但它只适合部分金属离子，且其凝胶易潮解。现在采用单元羧酸和胺作为配合剂，可形成相当稳定而又透明的凝胶。这种方法目前仍只是很少地被用于制作一些薄膜和纤维材料。水解-聚合反应法在三种

4、溶胶一凝胶技术中，水解一聚合反应法是研究最多和应用最广的一种方法。按照所使用的原料不同，该法又可分为以无机盐或无机化合物为原料及其在水溶液中的水解一聚合反应为基础的所谓无机溶胶一凝胶法（胶体工艺）和以金属醇盐或金属的有机化合物为原料及其在醇溶剂的水解一聚合反应为基础的所谓醇盐溶胶一凝胶法（聚合工艺）。醇盐溶胶一凝胶法制备玻璃制品的工艺流程图5.3醇盐溶胶－凝胶法制备玻璃制品工艺流程溶胶-凝胶技术的三个基本步骤总结：（1）将低粘度的金属的醇盐或金属盐（有机或无机）等先驱体（precursors）均匀混合。先驱体可以提供最终所需要的金属离子。在某些情况下，先驱体的一个

5、组分可能就是一种氧化物颗粒溶胶（colloidalsol）。（2）制成均匀的溶胶，并使之凝胶。这是决定最终陶瓷材料化学均匀性的关键步骤。（3）在凝胶过程中或在凝胶后成型、干燥，然后煅烧或烧结5.3Sol－gel原料及其合成5.3.1原料Sol-gel原料:金属醇盐、无机金属盐金属醇盐：通式M(OR)n。其中M为金属元素，烷基R=CmH2m＋1，n等于金属的离子价。无机金属盐：碳酸盐，硝酸盐迄今为止，周期表中的几乎所有金属元素都可被合成金属醇盐。金属醇盐的选择原则：宜选择不但易于水解，而且容易溶于多数有机溶剂中的醇盐。如：含有金属离子的醇盐（metalalkoxde

6、s），这一类的例子有Si(OC2H5)4；（简称为TEOS）,Ti(OC4H9)4,Al(OC3H7)3等。除此之外，因为有些金属的醇盐难以合成，甚至无法合成。而有些金属的醇盐虽然可以合成，但用于化学制备不方便或不合适，可以以无机金属盐类作为先驱体。例如I一Ⅱ主族金属的醇盐一般都是非挥发性的固体，并且在有机溶剂中的溶解度很低，因此就失去了其易于通过蒸发或再结晶进行纯化的优点有机或无机金属盐的选择：当选择金属盐类作为先驱体时，需选择那些易溶于有机溶剂，易分解而且分解后的残留物尽量少的物质。（1）在无机盐类中，一般优先选用硝酸盐，因为其他盐类，如硫酸盐和氯化物，热稳定

7、性一般比硝酸盐高，因此在最终产品中有时很难将相应的阴离子去除。（2）在有机酸盐中，乙酸盐应用最广泛。此外，甲酸盐、草酸盐、鞣酸盐等也被用来提供相应的金属离子。5.4溶胶一凝胶法的工艺原理5.4.1无机盐的水解一聚合反应5.4.2金属醇盐的水解一聚合反应5.4.3凝胶化过程5.4.4凝胶的干燥5.4.5干凝胶的热处理5.4.1无机盐的水解-聚合反应无机盐的阳离子Mz+，特别是高价态的金属离子，或小半径的正两价金属离子，在水溶液中会首先与偶极水分子发生溶剂化反应由于溶剂化对过渡金属阳离子起作用，所形成的水合阳离子M(H2O)xz+，由离子键向部分共价键过渡，水分子变得

8、更加显示相