溶胶凝胶法及其应用

溶胶凝胶法及其应用

溶胶凝胶法及其应用

摘要 介绍了溶胶凝胶法的概念、发展、原理、工艺以及应用

关键词 溶胶凝胶法

一.基本概念和发展历程

1．基本概念:溶胶一凝胶法是以金属有机或无机化合物溶液为原料, 经水解、缩合反应生成的溶液中显示分散流动性的亚微米级超微粒溶胶, 再将其与超微粒结合,形成外表层固化凝胶, 再经过热处理而制成氧化物或其他化合物固体的方法[1]。

2．发展历程: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。20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。1971年德国H.Dislich报道了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。80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。[2]

二.基本原理和工艺过程

1.基本原理:溶胶－凝胶法的主要步骤为将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品。[3]

2.工艺过程: Sol-Gel法的工艺过程如图1所示。

图1

溶胶-凝胶法的化学过程根据原料不同可以分为有机工艺和无机工艺, 根据溶胶-凝胶过程的不同可以分为胶体型Sol-Gel过程、无机聚合物型Sol-Gel过程和络合物型Sol-Gel 过程,这些溶胶-凝胶过程的特征见表

1。[4]

表1 不同溶胶2凝胶过程的特征

三.优势、劣势和应用

1.优势: (1)制品的均匀度高,尤其是多组份的制品,其均匀度可达分子或原子尺度。

(2)制品的纯度高，因为所用原料的纯度高，而且溶剂在处理过程中易被出去。

(3)烧成温度比传统方法约低400—500℃，因为所需生成物在烧成前已部分形成，且凝胶的比表面积很大。

(4)反应过程易于控制，大幅度减少支反应、分相，并可避免结晶等（对制玻璃而言）。

（5）从同一种原料出发，改变工艺过程即可获得不同的制品，如纤维、粉料或薄膜等。

溶胶凝胶法及其应用

2.劣势:

(1)所用原料大多数是有机化合物，成本较高，有些对健康有害，若加以防护可消除。

(2)处理过程的时间较长，常达1—2个月。

(3)制品容易开裂，这是由于凝胶中液体量大，干燥时产生收缩引起。

(4)若烧成不够完善，制品中会残留细空及OH-根或C，后者使制品带黑色。[5]

3.应用:

由于溶胶－凝胶技术在控制产品的成分及均匀性方面具有独特的优越性，近年来已用该技术制成

LiTaO2、LiNbO2、PbTiO3、Pb(ZrTi)O3、BaTiO3 等各种电子陶瓷材料。特别是制备出形状各异的超导薄膜、高温超导纤维等。

纳米粉体的制备方法中，溶胶－凝胶法具有独特的优点。其反应中各组分的混合在分子间进行，因而产物的粒径小、均匀性高;反应过程易于控制，可得到一些用其他方法难以得到的产物；另外，反应是在低温下进行，避免了高温杂相的出现，因而产物的纯度较高。溶胶－凝胶法是被广泛应用的制备纳米粉体的重要方法。

在光学方面该技术已被用于制备各种光学膜，如高反射膜、减反射膜等和光导纤维、折射率梯度材料，有机染料掺杂型非线形光学材料等以及波导光栅、稀土发光材料等。

在热学方面该技术制备的SiO2-TiO2 玻璃非常均匀，热膨胀系数很小，化学稳定性也很好；已制成的InO3-SnO(ITO)大面积透明导电薄膜具有很好的热镜性能；制成的SiO2 气凝胶具有超绝热性能等特点。

在化学材料方面用该技术制备的下列产品都具有独特的优点：超微细多孔滤膜具有耐温、耐压、耐腐蚀等特点，而且孔径可以调节；超细氧化物已被广泛应用在金属、玻璃、塑料等表面作为氧化物保护膜，其抗磨损和抗腐蚀能力大为增强；催化剂具有高比表面、大孔容和孔径均匀以及低的表观堆密度等特点；氧化物气敏材料具有良好的透气性，较大的比表面和均匀分布的微孔。目前，用该技术合成的镧系氧化物燃料也已取得了重大突破，制得的ThO2 及UO2 具有良好的烧结性能。另外采用该技术制备的金属与陶瓷复合材料，也具有许多独特的功能。

除以上几种应用外，采用溶胶－凝胶法制备In2O3 薄膜材料，它具有低电阻及对乙醇、丁烷气体具有较高的灵敏度等特点；以硅酸乙酯和硝酸铝为主要原料，用溶胶－凝胶法在不锈钢基体上制备出了均匀的铝硅酸盐陶瓷涂层，该涂层具有与基体的结合强度高、抗热震、抗氧化、耐腐蚀性能好等优点；以锂氧钴为代表的各氧化物性能及其电极的制备，得出一种电极制备新方法：软溶胶－凝胶法，此技术在制备微型锂离子电池领域有很大的应用前景。同时，溶胶－凝胶技术还能制成各种研磨材料、磁性薄膜材料和仿生材料等，它必将能在未来的众多高科技领域中得到越来越广泛的应用。[6]

四.发展方向

溶胶凝胶法及其应用

到目前为止, 溶胶一凝胶技术已发挥其优势在电子陶瓷、光学、热学、化学、功能材料及复合材料等方面得到广泛应用, 制备出了高纯粉体、块状凝胶、各种性能优异的纤维, 薄膜及复合材料如氧化物一氧化物复合, 有机一无机复合及陶瓷一金属复合等, 未来它的研究重点在于：

（1）继续在制备用传统焙烧法得不到的新型非晶态功能方面发挥作用。

（2）在纳米复合材料、纳米功能材料合成方面将异军突起.

（3）改良传统溶胶一凝胶法, 克服其工艺存在的不足。

（4）进一步揭示溶胶一凝胶热力学及动力学机理。[7]

溶胶凝胶法及其应用

一.基本概念

1.(1)胶体是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。

(2)溶胶是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之间。

(3)凝胶是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。

2.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，并进行水解、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，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

二.发展

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。20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。1971年德国H.Dislich报道了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。80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。

三.基本原理和工艺

溶胶－凝胶法的主要步骤为将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品。

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

失水缩聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O

失醇缩聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH

四.重要 …… 此处隐藏：2934字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……