溶膠凝膠方法

溶膠凝膠方法第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六目錄基本概念發(fā)展歷程基本原理和工藝過程常用測試方法應(yīng)用舉例優(yōu)勢，缺陷未來第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－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。第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－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。第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－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動凝膠固定形狀固相粒子按一定網(wǎng)架結(jié)構(gòu)固定不能自由移動這種特殊的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)賦予凝膠很高的比表面第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－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報道了通過金屬醇鹽水解制備了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。第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－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第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的基本原理

－水解反應(yīng)機理第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的基本原理

－縮聚反應(yīng)機理第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的工藝過程第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法常用測試方法測定前驅(qū)物金屬醇鹽的水解程度（化學(xué)定量分析法）測定溶膠的物理性質(zhì)（粘度、濁度、電動電位）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、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定M－O結(jié)構(gòu)狀態(tài)第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－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第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法應(yīng)用（1）

—鋁膠制備及化學(xué)機理boehmite溶膠將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)定的溶膠第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法應(yīng)用

—鋁膠制備及化學(xué)機理鋁鹽溶液中，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]+=[Al(OH)3(H2O)3]0+H+

溶液的Ph值升高，水解程度增大第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法應(yīng)用

—鋁溶膠制備及化學(xué)機理水解反應(yīng)生成的沉淀[Al(OH)3(H2O)3]0在溶液酸度提高時，能夠溶解，變成離子，形成沉淀-膠溶反應(yīng)（Precipitation-Peptization）n[Al(OH)3(H2O)3]0+xHNO3={[Al(OH)3(H2O)3]nHx}x++xNO3-膠溶反應(yīng)中膠核呈正電性，外層吸附了電量相等的負(fù)電離子。第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的應(yīng)用（2）

－功能材料中制備粉體材料La2O3La(NO3)3溶液HNO3Fe(NO3)3.6H2OFe(NO3)3溶液La:Fe=1:1檸檬酸LaFeO3的超細(xì)粉末10～100nmLa3+、Fe3+的檸檬酸溶液50～80℃含La3+、Fe3+的凝膠含La3+、Fe3+的溶膠60～90℃干凝膠熱處理120℃第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的應(yīng)用

－功能材料中制備纖維Si(OCH3)4C2H5OHH2O,HClC2H5OHNdCl3.6H2O混合溶液凝膠纖維銣玻璃纖維粘性溶膠攪拌（室溫）放置、脫水（室溫～80％）拉纖維（室溫）加熱（10℃/h）500℃1h，冷卻至室溫第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的應(yīng)用

－功能材料中制備膜材料Nd(NO3)3.6H2OH2O,HClC2H5OHC2H5OHSi(OCH3)4混合溶液粘性溶膠包覆膜保持2～4h，室溫包覆Nd.SiO2膜加熱1h第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的應(yīng)用

－功能材料中制備單晶第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的應(yīng)用

－功能材料中制備復(fù)合材料第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的應(yīng)用（3）

－催化劑的制備及應(yīng)用第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的優(yōu)勢起始原料是分子級的能制備較均勻的材料較高的純度組成成分較好控制，尤其適合制備多組分材料可降低程序中的溫度具有流變特性，可用于不同用途產(chǎn)品的制備可以控制孔隙度容易制備各種形狀第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的缺陷原料成本較高存在殘留小孔洞存在殘留的碳較長的反應(yīng)時間有機溶劑對人體有一定的危害性第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期六溶膠－凝膠法的未來1994年7月在美國加利福尼亞的圣地亞