凝胶附一 溶胶-凝胶法.ppt

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1、溶胶－凝胶法及其应用1基本概念发展历程基本原理和工艺过程常用测试方法应用举例优势，缺陷未来目录2溶胶－凝胶法的基本概念溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂。凝胶经过干燥、烧结固化制备出亚微米、纳米结构的材料。3溶胶－凝胶法的基本概念溶胶无固定形状固相粒子自由运动凝胶形状固定固相粒子按一定网架结构固定,不能自由移动这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面4发展

2、历程溶胶－凝胶过程最早起始于十七世纪中叶1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。主要使用在陶瓷、玻璃材料的制备过程。这些早期的研究发现：在酸性条件下，正硅酸乙酯Si(OC2H5)4(TEOS)水解会得到玻璃态(glass-like)的SiO2材料，从粘性的凝胶可以－－－→抽丝出纤维；制作出透镜；5然而，需要极长时间(往往一年以上)进行干燥如果快速加热干燥，硅凝胶就会断裂、粉化，因此，从技术角度，没有太大的意义。20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以

3、制备氧化物薄膜。1950s-1960s，使用sol-gel方法制备了多种新型,用传统的方法难以获得的Al、Si、Ti、Zr氧化物陶瓷。1971年德国H.Dislich通过金属醇盐水解制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜。6溶剂化：M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+水解反应：M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH--→M(OH)n缩聚反应失水缩聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M

4、-+H2O失醇缩聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH溶胶－凝胶法的基本原理7溶胶－凝胶法的基本原理－水解反应机理8溶胶－凝胶法的基本原理－缩聚反应机理9Gelationheatevaperation溶胶－凝胶法的工艺过程10溶胶－凝胶法的工艺过程用溶胶－凝胶法制备制备大块材料有几种方法方法一：由粉末→溶胶→凝胶；方法二：烷基氧化物或氮化物的水解、缩合，生成的凝胶在进行超临界干燥；(hypercritical,supercritical)方法三：烷基氧化物的水解、缩合，11溶胶－凝胶法的基本步骤Step1：mixing；Step

5、2：GelationStep3：agingStep4：DryingStep5：DehydrationandChemicalStabilizationStep6：Densification12溶胶－凝胶法的基本步骤(块状氧化硅材料为例)Step1：mixing；①从粉末状胶体颗粒开始制备，②从分子开始制备，烷基硅Si(OR)4与水混合后水解；将粉末状胶体颗粒悬浮于水中，调节pH值以阻止颗粒的聚沉；CH3O-Si-OCH3OCH3OCH3+4H2OHO-Si-OHOHOH+4CH3OH1314Step2：Gelation胶体化的颗粒间相互联结形

6、成凝胶，反应物的粘度急速增加；Step3：aging在老化过程中，缩合过程仍在进行，凝胶的骨架网络在不断收缩，老化过程中，凝胶的强度不断增加，老化的时间可以是几个小时或几天；15Step4：Drying弹性凝胶经过干燥，可以得到干胶；非弹性凝胶，凝胶的干燥非常重要，①早期的干燥是在室温下或加热条件下完成块状材料的干裂，孔性材料中孔的坍塌，16干燥方法之二②超临界干燥超临界状态、超临界流体，超临界干燥的优缺点；干燥方法之三③室温干燥的新进展：先对凝胶表面改性，在进行室温下或加热条件下干燥。17Step5：DehydrationandChemi

7、calStabilization脱除硅酸凝胶表面硅羟基，在表面嫁接有机基团，用来保持凝胶孔结构、内表面的稳定。Step6：Densification在高温下，对孔性的凝胶进行热处理致密化，所有的凝胶孔将被消除，生成致密相。致密化温度取决于：凝胶骨架中孔的维数、孔的联结和内表面积。一般在1000℃以上。18溶胶－凝胶法常用测试方法测定前驱物金属醇盐的水解程度（化学定量分析法）测定溶胶的物理性质（粘度、浊度、电动电位）胶粒尺寸大小（准弹性光散射法、电子显微镜观察）溶胶或凝胶在热处理过程中发生的物理化学变化（XRD、中子衍射、DTA－TG）反应中

8、官能团及键性质的变化（红外分光光度计、拉曼光谱仪）溶胶、凝胶粒子中的结构（GC－MS）固态物体的核磁共振谱测定M－O结构状态19溶胶－凝胶法的应用前驱体溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层