溶胶-凝胶原理及技术.ppt

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1、溶胶-凝胶技术原理及其应用The mechanism and application of Sol-Gel technique溶胶溶胶-凝胶法的基本概念和特点凝胶法的基本概念和特点一、溶胶一、溶胶-凝胶法基本名词术语凝胶法基本名词术语 1.溶胶溶胶(sol)：又称胶体溶液。指在液体介质（主要是液又称胶体溶液。指在液体介质（主要是液体）中分散了体）中分散了1100nm粒子粒子(基本单元基本单元)，且在分散体系，且在分散体系中保持固体物质不沉淀的胶体体系。溶胶也是指微小中保持固体物质不沉淀的胶体体系。溶胶也是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停地进行布朗的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停地

2、进行布朗运动的体系。运动的体系。溶胶不是物质而是一种溶胶不是物质而是一种“状态状态”。溶胶中的固体粒子大小常在溶胶中的固体粒子大小常在15nm，也就是在胶体粒，也就是在胶体粒中的最小尺寸，因此比表面积十分大。中的最小尺寸，因此比表面积十分大。2.凝胶凝胶(gel)：亦称冻胶，是溶胶失去流动性后，一亦称冻胶，是溶胶失去流动性后，一种富含液体的半固态物质，其中液体含量有时可高种富含液体的半固态物质，其中液体含量有时可高达达99.5%，固体粒子则呈连续的网络体。它是指胶，固体粒子则呈连续的网络体。它是指胶体颗粒或高聚物分子相互交联，空间网络状结构不体颗粒或高聚物分子相互交联，空间网络状结构不断发展，

3、最终使得溶胶液逐步失去流动性，在网状断发展，最终使得溶胶液逐步失去流动性，在网状结构的孔隙中充满液体的非流动半固态的分散体系，结构的孔隙中充满液体的非流动半固态的分散体系，它是含有亚微米孔和聚合链的相互连接的坚实的网它是含有亚微米孔和聚合链的相互连接的坚实的网络。络。凝胶是一种柔软的半固体，由大量胶束组成三凝胶是一种柔软的半固体，由大量胶束组成三维网络，胶束之间为分散介质的极薄的薄层维网络，胶束之间为分散介质的极薄的薄层 所谓所谓“半固体半固体”是指表面上是固体、而内部仍是指表面上是固体、而内部仍含液体。后者的一部分可通过凝胶的毛细管作用从含液体。后者的一部分可通过凝胶的毛细管作用从其细孔逐渐

4、排出。其细孔逐渐排出。3 凝胶与溶胶是两种互有联系的状态。凝胶与溶胶是两种互有联系的状态。1)乳胶冷却后即可得到凝胶；加电解质于悬胶后也可乳胶冷却后即可得到凝胶；加电解质于悬胶后也可得到凝胶。得到凝胶。2)凝胶可能具有触变性：在振摇、超声波或其他能产凝胶可能具有触变性：在振摇、超声波或其他能产生内应力的特定作用下，凝胶能转化为溶胶。生内应力的特定作用下，凝胶能转化为溶胶。3)溶胶向凝胶转变过程主要是溶胶粒子聚集成键的聚溶胶向凝胶转变过程主要是溶胶粒子聚集成键的聚合过程。合过程。4)上述作用一经停止，则凝胶又恢复原状，凝胶和溶上述作用一经停止，则凝胶又恢复原状，凝胶和溶胶也可共存，组成一更为复杂

5、的胶态体系。胶也可共存，组成一更为复杂的胶态体系。5)溶胶是否向凝胶发展，决定于胶粒间的作用力是否溶胶是否向凝胶发展，决定于胶粒间的作用力是否能够克服凝聚时的势垒作用。因此，增加胶粒的电荷能够克服凝聚时的势垒作用。因此，增加胶粒的电荷量，利用位阻效应和利用溶剂化效应等，都可以使溶量，利用位阻效应和利用溶剂化效应等，都可以使溶胶更稳定，凝胶更困难；反之，则更容易形成凝胶。胶更稳定，凝胶更困难；反之，则更容易形成凝胶。二、二、溶胶一凝胶法起源溶胶一凝胶法起源古代中国人做豆腐可能是最早的且卓有成效地应用古代中国人做豆腐可能是最早的且卓有成效地应用Sol-Gel技术之一。技术之一。溶胶一凝胶法起源于十

6、八世纪，但由于干燥溶胶一凝胶法起源于十八世纪，但由于干燥时间太长而没有引起人们的兴趣时间太长而没有引起人们的兴趣现代溶胶现代溶胶-凝胶技术的研究始于凝胶技术的研究始于19世纪中叶，利用溶世纪中叶，利用溶胶和凝胶制备单组分化合物。由于用此法制备玻璃胶和凝胶制备单组分化合物。由于用此法制备玻璃所需的温度比传统的高温熔化法低得多，故又称为所需的温度比传统的高温熔化法低得多，故又称为玻璃的低温合成法。（玻璃的低温合成法。（1846年，年，J.J.Ebelmen发现发现SiCl4与乙醇混合后在湿空气中水解并形成了凝胶，与乙醇混合后在湿空气中水解并形成了凝胶，制备了单一氧化物制备了单一氧化物(SiO2)，

7、但未引起注意。，但未引起注意。）七十年代初七十年代初德国科学家报道了通过金属醉盐水解得德国科学家报道了通过金属醉盐水解得到溶胶，经过凝胶化得到多组分的凝胶，引起了材到溶胶，经过凝胶化得到多组分的凝胶，引起了材料科学界的极大兴趣这被认为是溶胶料科学界的极大兴趣这被认为是溶胶凝胶技术凝胶技术的真正开端现代溶胶的真正开端现代溶胶凝胶技术的发展在于，得凝胶技术的发展在于，得到凝胶材料干燥时间是以天来计算，而不象从前那到凝胶材料干燥时间是以天来计算，而不象从前那样以年计算。样以年计算。三、溶胶三、溶胶-凝胶法的应用领域凝胶法的应用领域 溶胶凝胶技术目前已经广泛应用于溶胶凝胶技术目前已经广泛应用于电子、复

8、合材料、生物、陶瓷、光学、电子、复合材料、生物、陶瓷、光学、电磁学、热学、化学以及环境处理等电磁学、热学、化学以及环境处理等各个科学技术领域和材料科学的诸多各个科学技术领域和材料科学的诸多领域。领域。四、溶胶四、溶胶-凝胶法的基本过程凝胶法的基本过程 图图1-1 醇醇盐盐溶溶胶胶-凝凝胶胶法法基基本本工工艺艺过过程程示示意意图图金属醇盐、溶金属醇盐、溶剂（甲醇、乙剂（甲醇、乙醇等）、水和醇等）、水和催化剂（酸或催化剂（酸或弱碱）弱碱）溶胶溶胶湿凝胶湿凝胶水水 解解 聚聚缩缩陈陈化化涂层、成纤、成涂层、成纤、成型型干干燥燥干凝胶干凝胶成品成品热热 处处理理1.醇盐水解方法醇盐水解方法五、溶胶五、

9、溶胶-凝胶法的特点凝胶法的特点溶胶溶胶-凝胶法：凝胶法：是一种可以制备从零维到三维材料的是一种可以制备从零维到三维材料的全维材料湿化学制备反应方法。全维材料湿化学制备反应方法。该法的主要特点：该法的主要特点：利用是用液体化学试剂利用是用液体化学试剂(或将粉状或将粉状试剂溶于溶剂中试剂溶于溶剂中)或溶胶为原料，而不是用传统的粉或溶胶为原料，而不是用传统的粉状物体，反应物在液相下均匀混合并进行反应，反应状物体，反应物在液相下均匀混合并进行反应，反应生成物是稳定的溶胶体系，经放置一定时间转变为凝生成物是稳定的溶胶体系，经放置一定时间转变为凝胶，其中含有大量液相，需借助蒸发除去液体介质，胶，其中含有大

10、量液相，需借助蒸发除去液体介质，而不是机械脱水，在溶胶或凝胶状态下即可成型为所而不是机械脱水，在溶胶或凝胶状态下即可成型为所需制品，在低于传统烧成温度下烧结。需制品，在低于传统烧成温度下烧结。（1）该方法的最大优点是制备过程温度低。）该方法的最大优点是制备过程温度低。（2）溶胶）溶胶-凝胶法增进了多元组分体系的化学凝胶法增进了多元组分体系的化学均匀性。均匀性。（3）溶胶）溶胶-凝胶反应过程易于控制，可以实现凝胶反应过程易于控制，可以实现过程的完全而精确的控制，可以调控凝胶的过程的完全而精确的控制，可以调控凝胶的微观结构。微观结构。（4）该法制备材料掺杂的范围宽）该法制备材料掺杂的范围宽(包括掺

11、杂的包括掺杂的量和种类量和种类)，化学计量准确且易于改性。，化学计量准确且易于改性。（5）Sol-Gel制备技术制备的材料组分均匀、制备技术制备的材料组分均匀、产物的纯度很高。产物的纯度很高。1.溶胶溶胶-凝胶法的优点凝胶法的优点（6）在薄膜制备方面，）在薄膜制备方面，Sol-Gel工艺更显出工艺更显出了独特的优越性。了独特的优越性。与其它薄膜制备工艺与其它薄膜制备工艺(溅溅射、激光闪蒸等射、激光闪蒸等)不同，不同，Sol-Gel工艺不需要工艺不需要任何真空条件和太高的温度，且可在大面任何真空条件和太高的温度，且可在大面积或任意形状的基片上成膜。积或任意形状的基片上成膜。用溶胶采取浸涂、喷涂和

12、流延的方法制备用溶胶采取浸涂、喷涂和流延的方法制备薄膜也非常方便，厚度在几十埃到微米量薄膜也非常方便，厚度在几十埃到微米量级可调，所得产物的纯度高。级可调，所得产物的纯度高。（7）在一定条件下，溶胶液的成纤性能很好，）在一定条件下，溶胶液的成纤性能很好，因此可以用以生产氧化物，特别是难熔氧化物因此可以用以生产氧化物，特别是难熔氧化物纤维。纤维。2.溶胶溶胶-凝胶法的缺点凝胶法的缺点（1）所用原料可能有害。）所用原料可能有害。（2）反应影响因素较多。）反应影响因素较多。（3）工艺过程时间较长。）工艺过程时间较长。（4）所得到半成品制品容易产生开裂。）所得到半成品制品容易产生开裂。（5）所得制品若

13、烧成不够完善，制品中会残）所得制品若烧成不够完善，制品中会残留细孔及留细孔及OH或或C，后者易使制品带黑色。，后者易使制品带黑色。（6）采用溶胶）采用溶胶-凝胶法制备薄膜或涂层时，薄凝胶法制备薄膜或涂层时，薄膜或涂层的厚度难以准确控制，另外薄膜的膜或涂层的厚度难以准确控制，另外薄膜的厚度均匀性也很难控制。厚度均匀性也很难控制。六、溶胶六、溶胶-凝胶技术存在的问题与发展方向凝胶技术存在的问题与发展方向1.关于溶胶关于溶胶-凝胶技术的基本理论，工艺方法和应用凝胶技术的基本理论，工艺方法和应用尚待探索的问题有：尚待探索的问题有：(1)对硅体系以外其它体系的详细动力学知识；对硅体系以外其它体系的详细动

14、力学知识；(2)与与H2O，C2H5OH等普通溶剂相反的惰性溶剂的等普通溶剂相反的惰性溶剂的应用；应用；(3)凝胶在陈化过程中发生的物理化学变化的深入认凝胶在陈化过程中发生的物理化学变化的深入认识；识；(4)多组分体系有关络合物的形成和反应特性；多组分体系有关络合物的形成和反应特性；(5)非氧化物的溶胶非氧化物的溶胶-凝胶制备化学；凝胶制备化学；（6）溶胶）溶胶-凝胶过程的计算机模拟。凝胶过程的计算机模拟。2.在溶胶在溶胶-凝胶工艺方面，对最佳工艺凝胶工艺方面，对最佳工艺(干燥、烧结工干燥、烧结工艺艺)的探索。在尽可能短的时间内制备无裂纹整块玻的探索。在尽可能短的时间内制备无裂纹整块玻璃仍是有

15、较大兴趣的课题。在工艺方面值得进一步璃仍是有较大兴趣的课题。在工艺方面值得进一步探索的问题有：探索的问题有：(1)较长的制备周期；较长的制备周期；(2)应力松弛，毛细管力的产生和消除，孔隙尺寸及应力松弛，毛细管力的产生和消除，孔隙尺寸及其分布对凝胶干燥方法的影响；其分布对凝胶干燥方法的影响；(3)在凝胶干燥过程中加入化学添加剂的考察，非传在凝胶干燥过程中加入化学添加剂的考察，非传统干燥方法探索；统干燥方法探索；(4)凝胶烧结理论与动力学等。凝胶烧结理论与动力学等。此外对粒子在溶液中的稳定性、颗粒度和结构控制此外对粒子在溶液中的稳定性、颗粒度和结构控制的基础研究，可为最终实现有特殊功能的人造分子的基础研究，可为最终实现有特殊功能的人造分子以及纳米层次的组装和纳米器件铺平道路。以及纳米层次的组装和纳米器件铺平道路。