溶膠-凝膠原理及技術(shù)(前沿)PPT課件.ppt

溶膠 凝膠原理及技術(shù) 主講 黃劍鋒教授 ThemechanismandtechniqueofSol Gelprocess 2011 3陜西科技大學(xué) 1 第一章溶膠 凝膠法的基本概念和特點(diǎn) 第二章溶膠 凝膠法采用的原料 第三章溶膠 凝膠過(guò)程的主要反應(yīng) 第四章溶膠 凝膠法制備塊體材料 第五章溶膠 凝膠法制備的纖維材料 第六章溶膠 凝膠法制備納米粉體 第七章溶膠 凝膠法制備有機(jī) 無(wú)機(jī)復(fù)合材料 第八章溶膠 凝膠法制備薄膜及涂層材料 2 第一章溶膠 凝膠法的基本概念和特點(diǎn) 一 溶膠 凝膠法基本名詞術(shù)語(yǔ) 1 前驅(qū)物 precursor 所用的起始原料 2 金屬醇鹽 metalalkoxide 有機(jī)醇 OH上的H為金屬所取代的有機(jī)化合物 它與一般金屬有機(jī)化合物的差別在于金屬醇鹽是以M O C鍵的形式結(jié)合 金屬有機(jī)化合物則是M C鍵結(jié)合 3 3 溶膠 sol 又稱膠體溶液 指在液體介質(zhì) 主要是液體 中分散了1 100nm粒子 基本單元 且在分散體系中保持固體物質(zhì)不沉淀的膠體體系 溶膠也是指微小的固體顆粒懸浮分散在液相中 并且不停地進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)的體系 溶膠 sol 是 1 溶膠不是物質(zhì)而是一種 狀態(tài) 溶膠中的固體粒子大小常在1 5nm 也就是在膠體粒中的最小尺寸 因此比表面積十分大 2 最簡(jiǎn)單的溶膠與溶液在某些方面有相似之處 溶質(zhì) 溶劑 溶液分散相 分散介質(zhì) 溶膠 分散系 4 3 溶膠態(tài)的分散系由分散相和分散介質(zhì)組成1 分散介質(zhì) 氣體 即為氣溶膠 水 即水溶膠 乙醇等有機(jī)液體 也可以是固體 2 分散相 可以是氣體 液體或固體 3 表1 1說(shuō)明溶膠態(tài)分散系情況 5 表1 1溶膠態(tài)分散系示例 4 根據(jù)分散相對(duì)分散介質(zhì)的親 疏傾向 將溶膠分成兩類 1 分散相具有親近分散介質(zhì)傾向的 稱作親液 lyophilic 溶膠或乳膠 所謂水乳交融 2 分散相具有疏遠(yuǎn)分散介質(zhì)傾向的 則稱作憎液 lyophobic 溶膠或懸膠 6 親液 lyophilic 溶膠 分散相和分散介質(zhì)之間有很好的親和能力 很強(qiáng)的溶劑化作用 因此 將這類大塊分散相 放在分散介質(zhì)中往往會(huì)自動(dòng)散開(kāi) 成為親液溶膠 它們的固 液之間沒(méi)有明顯的相界面 例如蛋白質(zhì) 淀粉水溶液及其它高分子溶液等 親液溶膠雖然具有某些溶膠特性 但本質(zhì)上與普通溶膠一樣屬于熱力學(xué)穩(wěn)定體系 憎液溶膠 分散相與分散介質(zhì)之間親和力較弱 有明顯的相界面 屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系 7 4 凝膠 gel 亦稱凍膠 是溶膠失去流動(dòng)性后 一種富含液體的半固態(tài)物質(zhì) 其中液體含量有時(shí)可高達(dá)99 5 固體粒子則呈連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)體 它是指膠體顆?；蚋呔畚锓肿酉嗷ソ宦?lián) 空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展 最終使得溶膠液逐步失去流動(dòng)性 在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙中充滿液體的非流動(dòng)半固態(tài)的分散體系 它是含有亞微米孔和聚合鏈的相互連接的堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò) 1 凝膠是一種柔軟的半固體 由大量膠束組成三維網(wǎng)絡(luò) 膠束之間為分散介質(zhì)的極薄的薄層所謂 半固體 是指表面上是固體 而內(nèi)部仍含液體 后者的一部分可通過(guò)凝膠的毛細(xì)管作用從其細(xì)孔逐漸排出 8 2 凝膠結(jié)構(gòu)可分為四種 1 有序的層狀結(jié)構(gòu) 2 完全無(wú)序的共價(jià)聚合網(wǎng)絡(luò) 3 由無(wú)序控制 通過(guò)聚合形成的聚合物網(wǎng)絡(luò) 4 粒子的無(wú)序結(jié)構(gòu) 溶膠 凝膠技術(shù)是溶膠的凝膠化過(guò)程 即液體介質(zhì)中的基本單元粒子發(fā)展為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 凝膠的過(guò)程 9 3 凝膠與溶膠是兩種互有聯(lián)系的狀態(tài) 1 乳膠冷卻后即可得到凝膠 加電解質(zhì)于懸膠后也可得到凝膠 2 凝膠可能具有觸變性 在振搖 超聲波或其他能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的特定作用下 凝膠能轉(zhuǎn)化為溶膠 3 溶膠向凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程主要是溶膠粒子聚集成鍵的聚合過(guò)程 4 上述作用一經(jīng)停止 則凝膠又恢復(fù)原狀 凝膠和溶膠也可共存 組成一更為復(fù)雜的膠態(tài)體系 5 溶膠是否向凝膠發(fā)展 決定于膠粒間的作用力是否能夠克服凝聚時(shí)的勢(shì)壘作用 因此 增加膠粒的電荷量 利用位阻效應(yīng)和利用溶劑化效應(yīng)等 都可以使溶膠更穩(wěn)定 凝膠更困難 反之 則更容易形成凝膠 10 5 凝膠在干燥后 形成干凝膠或氣凝膠 這時(shí) 它是一種充滿孔隙的多孔結(jié)構(gòu) 6 通常由溶膠制備凝膠的方法有溶劑揮發(fā) 冷凍法 加入非溶劑法 加入電解質(zhì)法和利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不溶物法等 4 凝膠可分為 易脹型 如明膠 和非易脹型 如硅膠 兩類 凝膠又分為彈性凝膠和脆性凝膠 11 5 膠凝時(shí)間 gelpointtime 在完成凝膠的大分子聚合過(guò)程中最后鍵合的時(shí)間 6 單體 monomer 一種簡(jiǎn)單的化合物 它的分子間通過(guò)功能團(tuán)起聚合反應(yīng)得到分子量較高的化合物 聚合物 單體一般是不飽和的或含有兩個(gè)或更多功能團(tuán)的小分子化合物 7 聚合物 polymer 從至少含兩個(gè)功能團(tuán)的單體經(jīng)聚合反應(yīng)成為很大分子的化合物 它至少含有幾百乃至幾百萬(wàn)個(gè)單體 故常常又稱它為大分子 8 溶膠 凝膠法 是制備材料的濕化學(xué)方法中一種嶄新的方法 包括化學(xué)共沉淀法 水熱法 微乳液法等 12 溶膠 凝膠法 研究的主要是膠體分散體系的一些物化性能 膠體分散體系 是指分散相的大小在1nm 100nm之間的分散體系 在此范圍內(nèi)的粒子 具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì) 分散相的粒子可以是氣體 液體或固體 比較重要的是固體分散在液體中的膠體分散體系 溶膠 sol 13 9 溶膠 凝膠技術(shù) 是一種由金屬有機(jī)化合物 金屬無(wú)機(jī)化合物或上述兩者混合物經(jīng)過(guò)水解縮聚過(guò)程 逐漸凝膠化及相應(yīng)的后處理 而獲得氧化物或其它化合物的新工藝 流程 利用液體化學(xué)試劑 或?qū)⒎勰┤苡谌軇?為原料 高化學(xué)活性的含材料成分的化合物前驅(qū)體 在液相下將這些原料均勻混合 進(jìn)行一系列的水解 縮合 縮聚 的化學(xué)反應(yīng) 在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠液體系 溶膠經(jīng)過(guò)陳化 膠粒間緩慢聚合 形成以前驅(qū)體為骨架的三維聚合物或者是顆?？臻g網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)中其間充滿失去流動(dòng)性的溶劑 形成凝膠 凝膠再經(jīng)過(guò)干燥 脫去其間溶劑而成為一種多孔空間結(jié)構(gòu)的干凝膠或氣凝膠 最后 經(jīng)過(guò)燒結(jié)固化制備所需材料 14 1846年J J Ebelmen首先開(kāi)展這方面的研究工作 20世紀(jì)30年代W Geffcken利用金屬醇鹽水解和膠凝化制備出了氧化物薄膜 從而證實(shí)了這種方法的可行性 但直到1971年德國(guó)聯(lián)邦學(xué)者H Dislich利用Sol Gel法成功制備出多組分玻璃之后 Sol Gel法才引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注 并得到迅速發(fā)展 從80年代初期 Sol Gel法開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于鐵電材料 超導(dǎo)材料 冶金粉末 陶瓷材料 薄膜的制備及其它材料的制備等 15 二 溶膠一凝膠法起源 古代中國(guó)人做豆腐可能是最早的且卓有成效地應(yīng)用Sol Gel技術(shù)之一 溶膠一凝膠法起源于十八世紀(jì) 但由于干燥時(shí)間太長(zhǎng)而沒(méi)有引起人們的興趣 現(xiàn)代溶膠 凝膠技術(shù)的研究始于19世紀(jì)中葉 利用溶膠和凝膠制備單組分化合物 由于用此法制備玻璃所需的溫度比傳統(tǒng)的高溫熔化法低得多 故又稱為玻璃的低溫合成法 1846年 J J Ebelmen發(fā)現(xiàn)SiCl4與乙醇混合后在濕空氣中水解并形成了凝膠 制備了單一氧化物 SiO2 但未引起注意 16 七十年代初德國(guó)科學(xué)家報(bào)道了通過(guò)金屬醉鹽水解得到溶膠 經(jīng)過(guò)凝膠化得到多組分的凝膠 引起了材料科學(xué)界的極大興趣 這被認(rèn)為是溶膠 凝膠技術(shù)的真正開(kāi)端 現(xiàn)代溶膠 凝膠技術(shù)的發(fā)展在于 得到凝膠材料干燥時(shí)間是以天來(lái)計(jì)算 而不象從前那樣以年計(jì)算 17 三 溶膠 凝膠法的應(yīng)用領(lǐng)域 溶膠凝膠技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子 復(fù)合材料 生物 陶瓷 光學(xué) 電磁學(xué) 熱學(xué) 化學(xué)以及環(huán)境處理等各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和材料科學(xué)的諸多領(lǐng)域 18 1 材料學(xué)方面的應(yīng)用 1 高性能粒子探測(cè)器 2 隔熱材料 3 聲阻抗藕合材料 4 電介質(zhì)材料 5 有機(jī) 無(wú)機(jī)雜化材料 19 6 金屬陶瓷涂層耐蝕材料 7 納米級(jí)氧化物薄膜材料 8 橡膠工業(yè)的應(yīng)用 9 在生物材料方面的應(yīng)用 20 表1 2溶膠 凝膠法制備產(chǎn)品的形狀 21 表1 3溶膠 凝膠法制備產(chǎn)品的化學(xué)組成 22 表1 4溶膠 凝膠法的應(yīng)用 23 24 2 溶膠 凝膠技術(shù)在催化劑及催化劑載體方面的應(yīng)用 1 溶膠 凝膠技術(shù)制備金屬 氧化物催化劑 2 溶膠 凝膠技術(shù)在包容均相催化劑方面的應(yīng)用 3 溶膠 凝膠技術(shù)分析化學(xué)方面應(yīng)用 1 色譜分析中的應(yīng)用1 制備色譜填料 25 2 制備開(kāi)管柱和電色譜固定相 3 在電分析中的應(yīng)用 4 在光分析中的應(yīng)用 2 在生物化學(xué)方面的應(yīng)用 4 其它方面 26 四 溶膠 凝膠法的基本過(guò)程 1 醇鹽水解方法 27 1 首先制取含金屬醇鹽和水的均相溶液 以保證醇鹽的水解反應(yīng)在分子的水平上進(jìn)行 由于金屬醇鹽在水中的溶解度不大 一般選用醇作為溶劑 醇和水的加入應(yīng)適量 習(xí)慣上以水 醇鹽的摩爾比計(jì)量 催化劑對(duì)水解速率 縮聚速率 溶膠凝膠在陳化過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變都有重要影響 常用的酸性和堿性催化劑分別為HCl和NH4OH 催化劑加入量也常以催化劑 醇鹽的摩爾比計(jì)量 為保證前驅(qū)溶液的均相性 在配制過(guò)程中需施以強(qiáng)烈攪拌 28 2 第二步是制備溶膠 制備溶膠有兩種方法 聚合法和顆粒法 兩者間的差別是加水量多少 所謂聚合溶膠 是在控制水解的條件下使水解產(chǎn)物及部分未水解的醇鹽分子之間繼續(xù)聚合而形成的 因此加水量很少 而粒子溶膠則是在加入大量水 使醇鹽充分水解的條件下形成的 金屬醇鹽的水解反應(yīng)和縮聚反應(yīng)是均相溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z的根本原因 控制醇鹽的水解 縮聚的條件如 加水量 催化劑和溶液的pH值以及水解溫度等 是制備高質(zhì)量溶膠的前提 29 3 第三步是將溶膠通過(guò)陳化得到濕凝膠 溶膠在敞口或密閉的容器中放置時(shí) 由于溶劑蒸發(fā)或縮聚反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行而導(dǎo)致向凝膠的逐漸轉(zhuǎn)變 此過(guò)程往往伴隨粒子的ostward熟化 即因大小粒子溶解度不同而造成的平均粒徑增加 在陳化過(guò)程中 膠體粒子逐漸聚集形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 整個(gè)體系失去流動(dòng)特性 溶膠從牛頓型流體向賓漢型流體轉(zhuǎn)變 并帶有明顯的觸變性 制品的成型如成纖 涂膜 澆注等可在此期間完成 30 4 第四步是凝膠的干燥 濕凝膠內(nèi)包裹著大量溶劑和水 干燥過(guò)程往往伴隨著很大的體積收縮 因而很容易引起開(kāi)裂 防止凝膠在干燥過(guò)程中至關(guān)重要而又較為困難的一環(huán) 特別對(duì)尺寸較大的塊狀材料 為此需要嚴(yán)格控制干燥條件 或添加控制干燥的化學(xué)添加劑 或采用超臨界干燥技術(shù) 5 最后對(duì)干凝結(jié)膠進(jìn)行熱處理 其目的是消除干凝膠中的氣孔 使制品的相組成和顯微結(jié)構(gòu)能滿足產(chǎn)品性能要求 在熱處理時(shí)發(fā)生導(dǎo)致凝膠致密化的燒結(jié)過(guò)程 由于凝膠的高比表面積 高活性 其燒結(jié)溫度比通常的粉料坯體低數(shù)百度 采用熱壓燒結(jié)等工藝可以縮短燒結(jié)時(shí)間 提高制品質(zhì)量 31 2 工業(yè)上常用的機(jī)械分散法 使用特殊的 膠體磨 將粗分散程度的懸浮液通過(guò)研磨而制成溶膠 實(shí)驗(yàn)室常用 膠溶法 將固體分散而制備溶膠 以無(wú)機(jī)物作為源物質(zhì) 在溶液中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而生成固體沉淀物 新生成的固體沉淀物在適當(dāng)?shù)臈l件下能重新分散而達(dá)到膠體分散程度的現(xiàn)象稱為膠溶作用 再用某種方法促使膠體失去流動(dòng)性 變成彈性固體狀態(tài)的凝膠體 這種方法也可以稱為 溶液 溶膠 凝膠 法 優(yōu)點(diǎn) 是化學(xué)過(guò)程比較簡(jiǎn)單 原料成本低 燒結(jié)后無(wú)有機(jī)殘?jiān)?缺點(diǎn) 是需要對(duì)膠體沉淀物長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)清洗后才能制得凝膠 因而制備周期比較長(zhǎng) 可能會(huì)造成一定的原料損失 32 1990年Sangeeta D等人以ZrO NO3 2為源物質(zhì) 采用這種溶膠 凝膠方法成功的制備了4 6nm的ZrO2粉體 其主要反應(yīng)如式1 1所示 ZrO NO3 2 H2O 2NH3 ZrO2 2NH4NO3 1 1 他們?cè)谥苽鋃rO2凝膠過(guò)程中加入了一種表面活性劑 并在溶膠 凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程中施加超聲波作用 成功地阻止了顆粒的團(tuán)聚 1983年 Cobe等人以無(wú)機(jī)鹽FeCl2和FeCl3作為源物質(zhì) 采用上述溶膠 凝膠方法也成功制備出了3 5nm的Fe3O4磁性超細(xì)粉體 33 五 溶膠 凝膠法的特點(diǎn) 溶膠 凝膠法 是一種可以制備從零維到三維材料的全維材料濕化學(xué)制備反應(yīng)方法 該法的主要特點(diǎn) 利用是用液體化學(xué)試劑 或?qū)⒎蹱钤噭┤苡谌軇┲?或溶膠為原料 而不是用傳統(tǒng)的粉狀物體 反應(yīng)物在液相下均勻混合并進(jìn)行反應(yīng) 反應(yīng)生成物是穩(wěn)定的溶膠體系 經(jīng)放置一定時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)槟z 其中含有大量液相 需借助蒸發(fā)除去液體介質(zhì) 而不是機(jī)械脫水 在溶膠或凝膠狀態(tài)下即可成型為所需制品 在低于傳統(tǒng)燒成溫度下燒結(jié) 34 1 該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是制備過(guò)程溫度低 通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝和低廉的設(shè)備 即可得到比表面積很大的凝膠或粉末 與通常的熔融法或化學(xué)氣相沉積法相比 鍛燒成型溫度較低 并且材料的強(qiáng)度韌性較高 燒成溫度比傳統(tǒng)方法約低400 500 因?yàn)樗枭晌镌跓汕耙巡糠中纬?且凝膠的比表面積很大 利用Sol Gel制備技術(shù)在玻璃和陶瓷方面可以制得一些傳統(tǒng)方法難以得到或根本無(wú)法制備的材料 材料制備過(guò)程易于控制 在相圖中用制備一般玻璃的熔融法將產(chǎn)生相分離的區(qū)域 用溶膠 凝膠法卻可以制得多組分玻璃 不會(huì)產(chǎn)生液相分離現(xiàn)象 1 溶膠 凝膠法的優(yōu)點(diǎn) 35 2 溶膠 凝膠法增進(jìn)了多元組分體系的化學(xué)均勻性 若在醇溶膠體系中 液態(tài)金屬醇鹽的水解速度與縮合速度基本上相當(dāng) 則其化學(xué)均勻性可達(dá)分子水平 在水溶膠的多元組分體系中 若不同金屬離子在水解中共沉積 其化學(xué)均勻性可達(dá)到原子水平 由于Sol Gel工藝是由溶液反應(yīng)開(kāi)始的 從而得到的材料可達(dá)到原子級(jí) 分子級(jí)均勻 這對(duì)于控制材料的物理性能及化學(xué)性能至關(guān)重要 通過(guò)計(jì)算反應(yīng)物的成分可以嚴(yán)格控制最終合成材料的成分 這對(duì)于精細(xì)電子陶瓷材料來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的 36 3 溶膠 凝膠反應(yīng)過(guò)程易于控制 可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的完全而精確的控制 可以調(diào)控凝膠的微觀結(jié)構(gòu) 影響溶膠 凝膠材料結(jié)構(gòu)的因素很多 包括前驅(qū)體 溶劑 水量 反應(yīng)條件 后處理?xiàng)l件等等 通過(guò)對(duì)這些因素的調(diào)節(jié) 可以得到一定微觀結(jié)構(gòu)和不同性質(zhì)的凝膠 4 該法制備材料摻雜的范圍寬 包括摻雜的量和種類 化學(xué)計(jì)量準(zhǔn)確且易于改性 5 Sol Gel制備技術(shù)制備的材料組分均勻 產(chǎn)物的純度很高 因?yàn)樗玫脑系募兌雀?而且溶劑在處理過(guò)程中易被除去 人們己采用Sol Gel方法制備出各種形狀的材料 包括塊狀 圓棒狀 空心管狀 纖維 薄膜等 37 6 在薄膜制備方面 Sol Gel工藝更顯出了獨(dú)特的優(yōu)越性 與其它薄膜制備工藝 濺射 激光閃蒸等 不同 Sol Gel工藝不需要任何真空條件和太高的溫度 且可在大面積或任意形狀的基片上成膜 用溶膠采取浸涂 噴涂和流延的方法制備薄膜也非常方便 厚度在幾十埃到微米量級(jí)可調(diào) 所得產(chǎn)物的純度高 7 在一定條件下 溶膠液的成纖性能很好 因此可以用以生產(chǎn)氧化物 特別是難熔氧化物纖維 38 8 可以得到一些用傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得的材料 有機(jī) 無(wú)機(jī)復(fù)合材料兼具有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的特點(diǎn) 如能在納米大小或分子水平進(jìn)行復(fù)合 增添一些納米材料的特性 特別是無(wú)機(jī)與有機(jī)界面的特性特使其有更廣泛的應(yīng)用 但無(wú)機(jī)材料的制備大多要經(jīng)過(guò)高溫處理 而有機(jī)物一般在高溫下都會(huì)分解 通過(guò)溶膠 凝膠法較低的反應(yīng)溫度將阻止相轉(zhuǎn)變和分解的發(fā)生 采用這種方法可以得到有機(jī) 無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料 9 溶膠 凝膠法從溶膠出發(fā) 從同一種原料出發(fā) 通過(guò)簡(jiǎn)單反應(yīng)過(guò)程 改變工藝即可獲得不同的制品 最終產(chǎn)物的形式多樣制 可得到纖維 粉末 涂層 塊狀物等 可見(jiàn) 溶膠 凝膠法是一種寬范圍 亞結(jié)構(gòu) 大跨度的全維材料制備的濕化學(xué)方法 39 2 溶膠 凝膠法的缺點(diǎn) 1 所用原料可能有害 由于溶膠 凝膠技術(shù)所用原料多為有機(jī)化合物 成本較高 而且有些對(duì)人們的健康有害 若加以防護(hù)可消除 2 反應(yīng)影響因素較多 反應(yīng)涉及大量的過(guò)程變量 如PH值 反應(yīng)物濃度比 溫度 有機(jī)物雜質(zhì)等會(huì)影響凝膠或晶粒的孔徑 粒徑 和比表面積 使其物化特性受到影響 從而影響合成材料的功能性 3 工藝過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng) 有的處理過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 2月 40 4 所得到半成品制品容易產(chǎn)生開(kāi)裂 這是由于凝膠中液體量大 干燥時(shí)產(chǎn)生收縮引起 5 所得制品若燒成不夠完善 制品中會(huì)殘留細(xì)孔及OH 或C 后者易使制品帶黑色 6 采用溶膠 凝膠法制備薄膜或涂層時(shí) 薄膜或涂層的厚度難以準(zhǔn)確控制 另外薄膜的厚度均勻性也很難控制 7 在凝膠點(diǎn)處粘度迅速增加 如何維持粘度始終保持在成型所要求的粘度下是十分重要的 而事實(shí)上在凝膠點(diǎn)處粘度迅速增加是溶膠固有的一個(gè)特性 41 8 通常要獲得沒(méi)有絮凝的均勻溶膠 對(duì)于含有許多金屬離子的體系來(lái)講 也是一件困難的事倩 9 對(duì)制備玻璃陶瓷材料而言溶膠 凝膠方法不能擴(kuò)大玻璃的形成范圍 反而多少有些限制 這過(guò)程似乎完全可能與其產(chǎn)生不均勻催化核化有關(guān) 由于精確的動(dòng)力學(xué)研究表明 殘留OH 族導(dǎo)致大量干凝膠的界面 從而使成核加速 對(duì)析晶加速起到重要的作用 42 六 溶膠 凝膠技術(shù)存在的問(wèn)題與發(fā)展方向 1 關(guān)于溶膠 凝膠技術(shù)的基本理論 工藝方法和應(yīng)用尚待探索的問(wèn)題有 1 對(duì)硅體系以外其它體系的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)知識(shí) 2 與H2O C2H5OH等普通溶劑相反的惰性溶劑的應(yīng)用 3 凝膠在陳化過(guò)程中發(fā)生的物理化學(xué)變化的深入認(rèn)識(shí) 4 多組分體系有關(guān)絡(luò)合物的形成和反應(yīng)特性 5 非氧化物的溶膠 凝膠制備化學(xué) 6 溶膠 凝膠過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬 43 2 在溶膠 凝膠工藝方面 對(duì)最佳工藝 干燥 燒結(jié)工藝 的探索 在盡可能短的時(shí)間內(nèi)制備無(wú)裂紋整塊玻璃仍是有較大興趣的課題 在工藝方面值得進(jìn)一步探索的問(wèn)題有 1 較長(zhǎng)的制備周期 2 應(yīng)力松弛 毛細(xì)管力的產(chǎn)生和消除 孔隙尺寸及其分布對(duì)凝膠干燥方法的影響 3 在凝膠干燥過(guò)程中加入化學(xué)添加劑的考察 非傳統(tǒng)干燥方法探索 4 凝膠燒結(jié)理論與動(dòng)力學(xué)等 此外對(duì)粒子在溶液中的穩(wěn)定性 顆粒度和結(jié)構(gòu)控制的基礎(chǔ)研究 可為最終實(shí)現(xiàn)有特殊功能的人造分子以及納米層次的組裝和納米器件鋪平道路 44 習(xí)題1 名詞解釋 1 前驅(qū)物 2 金屬醇鹽 3 溶膠 sol 4 凝膠 gel 5 膠凝時(shí)間 6 單體 monomer 7 聚合物 polymer 2 什么是溶膠 凝膠法 3 簡(jiǎn)述溶膠 凝膠法的在材料中的應(yīng)用情況 4 簡(jiǎn)述溶膠 凝膠法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 45 第二章溶膠 凝膠法采用的原料 一 溶膠 凝膠法采用的原料分類及作用 表3 1溶膠 凝膠法的原料種類及作用 46 47 二 溶膠 凝膠法采用的金屬醇鹽 一 金屬醇鹽的種類 表3 2溶膠 凝膠原料的金屬醇鹽種類 48 49 表3 3常用的金屬醇鹽 50 二 金屬醇鹽的合成 1 醇鹽化學(xué)的發(fā)展概況 1 1846 1950年 醇鹽制備初期階段 是一個(gè)發(fā)展緩慢的階段 僅合成出了Si B Al Ti P As Sb 堿金屬等12種元素的醇鹽 19世紀(jì) 金屬鋁醇鹽的制備是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn) 2 1950 1970年 金屬醇鹽的全面制備和催化應(yīng)用階段 從單純的嘗試走向了系統(tǒng)的研究 伴隨著催化劑的研制 幾乎對(duì)所有金屬的醇鹽都進(jìn)行了不同程度的研究 表金屬醇鹽化學(xué)真正始于1950年前后 50 60年代醇鹽作為催化劑或制備催化劑的原料而受到廣泛關(guān)注 1948年D WYoung和H B Kellong用AlC13和乙氧基鈦為催化劑 研究了異丁烯的低溫聚合反應(yīng) 開(kāi)拓了金屬醇鹽作為催化劑應(yīng)用的新領(lǐng)域 51 3 1970年一現(xiàn)在 金屬醇鹽的制備及材料應(yīng)用階段 這一階段 金屬醇鹽邁入了材料應(yīng)用的新階段 早在1846年Ebelman就發(fā)現(xiàn) Si OEt 4與水混合 生成了一種整塊的產(chǎn)品 由此得到了 SiO2玻璃 1969年 H Shcoder提出不僅有SiO2的涂層 還有Al Zn Ti Sn Pb Ta Cr Fe Ni和Co等氧化物的涂層也極易獲得 1971年 H Dislich用溶膠 凝膠法從金屬醇鹽為前驅(qū)體開(kāi)拓性地獲得陶瓷氧化物材料 引起材料工業(yè)的一大飛躍 現(xiàn)在 這一方法已在世界各地的實(shí)驗(yàn)室廣泛發(fā)展 先后用此法合成出了多組分功能陶瓷氧化物涂層 超細(xì)粉體材料 玻璃材料 光導(dǎo)纖維 玻璃旋涂材料 浸涂材料等 金屬醇鹽得到了廣泛的應(yīng)用 醇鹽的研究已從理論制備變?yōu)閼?yīng)用研究 52 2 單金屬醇鹽合成方法 1 金屬與醇直接反應(yīng)或催化下的直接反應(yīng) 式中M為金屬元素 R是烷基 1 只有非常活潑的金屬 即電正性非常強(qiáng)的金屬 才能以這種方式與醇反應(yīng) 反應(yīng)條件也比金屬?gòu)乃嶂兄脫Q出氫要苛刻 2 這些金屬一般包括堿金屬和除Mg Be外的堿土金屬 例如鋰 鈉和鉀的醇鹽即是將金屬溶于醇中 在惰性氣體 Ar 或N2保護(hù)下回流的方法制得 3 此種反應(yīng)的可能性隨金屬的電正性增加而增大 醇對(duì)反應(yīng)速度也產(chǎn)生影響 對(duì)于同一種金屬原子 它能與醇反應(yīng)的活性依次是 伯醇 仲醇 叔醇 53 4 金屬鈹 鎂和鋁在不使用用催化劑的情況下 不能直接與醇反應(yīng) 但若在反應(yīng)體系中添加微量的I2或HgCl2 它們就能與醇起反應(yīng)生成醇鹽 這種方法被成功應(yīng)用于鑭系和硅的醇鹽的合成 上述反應(yīng)中催化劑活化了金屬表面或者與金屬形成了中間體 氯化或碘化衍生物 這樣就使得金屬容易與醇反應(yīng) 氧在鉈和醇的反應(yīng)中的作用與I2類似 在金屬表面形成氧化鉈TI2O TIOH參與反應(yīng) 54 5 在使用直接法合成醇鹽的過(guò)程 有一個(gè)共同特點(diǎn) 反應(yīng)速度隨產(chǎn)物的不斷增加而降低 這是由于醇的濃度變稀和酸性下降所致 2 金屬氧化物或氫氧化物與醇反應(yīng)1 這種反應(yīng)過(guò)程可表示為 或 2 這項(xiàng)技術(shù)也被成功地應(yīng)用于B Si Ge Sn Pb As Se V和Hg的金屬醇鹽的合成上 55 3 金屬氧化物與二烷基碳酸酯的反應(yīng)也能生成金屬醇鹽 例如 56 3 金屬鹵化物與醇和堿金屬醇鹽反應(yīng) 1 反應(yīng)通式如下 2 金屬鹵化物與醇的作用 首先是進(jìn)行溶劑化 電負(fù)性較小的金屬如鑭系和釷LaCl3 3PrioH和ThCl4 4EtOH的復(fù)合物已從其醇溶液中分離得到 但是 對(duì)于電負(fù)性較大的元素如B和Si 其氯化物的溶劑分解作用幾乎可以進(jìn)行完全 鹵素全部被烷氧基所取代 57 3 Sidgwick認(rèn)為 這類反應(yīng)是通過(guò)醇對(duì)金屬中心離子的配位作用引發(fā) 接著發(fā)生氯化氫的消除反應(yīng) 后來(lái)在四氯化硅 四氯化鈦 四氯化鋯和四氯化釷與醇的作用中 有如下反應(yīng)結(jié)果 雖然對(duì)上述反應(yīng)結(jié)果還不甚清楚 Mehrotra在四醇鹽與氯化氫的反應(yīng)中 看到了相似的結(jié)果 58 基于Sidgwick的觀點(diǎn) 人們想到了往反應(yīng)體系中添加堿性物質(zhì) 如氨 堿金屬醇鹽等 來(lái)增加醇鹽陰離子的濃度和中和副產(chǎn)物HCl 使醇鹽陰離子可更好地與金屬氯化物反應(yīng) 59 4 根據(jù)所用堿不同 醇鹽合成方法分成了氨法和醇鈉法 酰胺 采用此種方法已成功合成Ti Zr Sn Ge Hf Nb Ni Sb Al Th Ta Fe V Ce U Pu等金屬的醇鹽和Si的醇鹽 60 用醇鈉與金屬氯化物反應(yīng)的方法 現(xiàn)已合成了Ga In Sn Fe Sb Bi Ti Th U Y Se W和鑭系等金屬的醇鹽 61 后3d金屬 外層有3d電子的金屬 的醇鹽已用醇鋰法制得 R Me Et 不存在游離的OH R Me Et 62 R Me Et Me Et 吡啶和三乙胺有時(shí)也當(dāng)作堿用于金屬醇鹽的合成中 除氯化物外 金屬的氧氯化物也常用作制備金屬醇鹽的原料 63 4 醇解法制備醇鹽 幾乎所有金屬元素的烷氧基衍生物都容易與含羥基的化合物發(fā)生反應(yīng) 使原來(lái)的烷氧基被新的烷氧基所取代 例如醇鹽與另一種醇的反應(yīng) 通常稱為醇解反應(yīng)或醇交換反應(yīng) 該反應(yīng)過(guò)程如下 64 人們廣泛地由 低級(jí) 醇鹽合成 高級(jí) 醇鹽 目前 采用這種方法 已成功地制備了Zn Be B Al Ga Ge In Sn Ti Zr Hf Th V Fe Sb Nb Ta Se U 和鑭La系等元素的醇鹽 與C6H12共沸 65 5 金屬有機(jī)鹽與堿金屬醇鹽的反應(yīng) 1982年有人報(bào)道 用醋酸鉛為原料使之與醇鈉反應(yīng) 能夠合成Pb OR 2 1986年 日本也出現(xiàn)了這方面的專利 1985年 YoshiharauOzaki用金屬的醋酸鹽和草酸鹽與醇鈉作用 還成功地合成了一系列稀土金屬元素的醇鹽 6 酯交換反應(yīng) 66 合成出Al Ga Fe Va Ti Zr Hf Nb Ta和La系等元素的金屬醇鹽 7 金屬二烷基胺鹽與醇反應(yīng) 67 此法特別適用于當(dāng)金屬與氧的親合性比與氮的親合性大時(shí) 它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是二烷基胺具有較高的揮發(fā)性 所以它很容易地從體系中揮發(fā)除去 該方法可以用來(lái)制備U OR 4 現(xiàn)已用于合成V Cr Sn Ti Zr Nb 和Ta等多種金屬醇鹽 8 金屬醇鹽的電化學(xué)合成法 1 用電化學(xué)方法目前己經(jīng)合成Ni Co Fe Mn Sb Cu Ge Ta Zr Ti A1等金屬的醇鹽 68 2 電化學(xué)方法 是以惰性元素電極 鉑電極或石墨電極為陰極 以欲制備的金屬醇鹽金屬為犧牲陽(yáng)極 在醇溶液中添加少量電解質(zhì)載體 通電流陰極和陽(yáng)極之間發(fā)生電解反應(yīng)來(lái)制備預(yù)定金屬的醇鹽 3 優(yōu)點(diǎn) 此種方法不僅使制得的醇鹽純度高 而且作業(yè)環(huán)境好 污染少 后處理工作容易 可望成為今后醇鹽合成研究的一個(gè)方向 缺點(diǎn) 它對(duì)金屬的電極電位有一定的要求 金屬電極的造價(jià)也較昂貴 此法目前尚處于研究階段 尚未見(jiàn)工業(yè)化生產(chǎn) 69 3 多元金屬醇鹽的合成 1 雙金屬醇鹽的合成方法 雙金屬醇鹽的化學(xué)結(jié)構(gòu)是建立在不同金屬之間的烷氧橋鏈的配位作用模型的基礎(chǔ)之上的 1 不同醇鹽之間的反應(yīng)不同醇鹽在惰性溶劑苯中按所期望的化學(xué)計(jì)量關(guān)系混合 反應(yīng)方程式如下 此反應(yīng)方程式最初用來(lái)合成NaU OEt 6 Be Zn Al Ti Zr Nb Ta的雙金屬醇鹽一般是用它們的醇鹽與堿金屬醇鹽反應(yīng)來(lái)合成 以下列出了一些合成方法及反應(yīng)方程式 70 M Li Na K Rh Cs M Al Ga M Li Na K Rh Cs 71 2 通過(guò)金屬溶解 金屬醇鹽與金屬醇鹽相互反應(yīng)這種方法用來(lái)制備堿土金屬的雙金屬醇鹽 在Al Zr Nb Ta等醇鹽存在下 這些堿土金屬的雙金屬醇鹽在醇中能很快地溶解 其中M Mg Ca Sr Ba M Al Ga M Zr Hf M Nb Ta R Et Pri 72 3 金屬鹵化物與雙金屬醇鹽反應(yīng)這種方法可用下列反應(yīng)通式表示 此類型的反應(yīng)廣泛使用四異丙氧基鋁鉀 K Al OPri 4 作反應(yīng)試劑 可用于不同金屬的雙金屬醇鹽的合成 M In Th Sn Sn Be Zn Cd Hg Cr Fe Mn Co Ni和Cu 同樣 Nb OPri 6或Ta OPri 6也被用來(lái)合成它門的衍生物 M Nb OPri 6 n 或 M Ta OPri 6 n M Cr Co Ni Cu 通式為 M Zr2 OPri 9 n 的衍生物已通過(guò)類似的途徑合成 M Fe Fe Co Ni Cu 73 4 異丙醇鉀與兩種金屬鹵化物的反應(yīng)鑭系與鋁的雙金屬異丙醇鹽已通過(guò)如下反應(yīng)合成 Ln Gd Ho Er 5 醇解和酯交換反應(yīng)與簡(jiǎn)單醇鹽一樣 高級(jí)醇的雙金屬衍生物也能通過(guò)低級(jí)醇鹽與另一種醇或有機(jī)酯相互交換來(lái)合成 其中R Me Et Pri R Bu Am 74 2 三金屬 四金屬醇鹽的合成 由于許多穩(wěn)定的雙金屬醇鹽的合成已取得成功 并在定性研究方面取得很大進(jìn)展 促進(jìn)了對(duì)帶鰲合配位體的三金屬醇鹽形成可能性的探討 比如 LAl Al OPri 4 LGa Ga OPri 4 LNb Nb OPri 6 LTa Ta OPri 6 LZr Zr OPri 9 的三金屬醇鹽衍生物都已開(kāi)發(fā)出來(lái) 方法是用鰲合配位體 如LZr 取代諸如 PriO M OPri 2Al OPri 2類物質(zhì)中金屬M(fèi)上的三異丙氧基來(lái)合成摩爾比為1 1的衍生物 其中 可以通過(guò)如下反應(yīng)來(lái)制備 PriO MLAl 的衍生物 M Be Zn Cd和Hg 75 以這種氯化雙金屬醇鹽為原料 通過(guò)以下反應(yīng)成功地合成了三金屬醇鹽的單體 對(duì)于3d金屬 價(jià)電子為3d電子的金屬元素 如Mn Fe Co Ni 和Cu 用下列類型的反應(yīng)大量地合成了它們的氯化雙金屬異丙基醇鹽 這種醇鹽既溶于烴類溶劑又有熱穩(wěn)定性 能獲得穩(wěn)定的產(chǎn)品 76 其中M Fe Co Ni 和Cu 對(duì)于FeC13 反應(yīng)分三步進(jìn)行 最后可分離出穩(wěn)定的四金屬醇鹽 77 三 金屬醇鹽的特性 1 金屬醇鹽的物理特性 在考慮金屬醇鹽的物理性質(zhì)時(shí) 必須要考慮到以下的影響因素 1 金屬醇鹽中由于金屬 M 和氧 O 的電負(fù)性之間的差異而引起的M O鍵的離子鍵分?jǐn)?shù) 2 烷氧基或芳香基 R 對(duì)氧原子的電子效應(yīng) 這將通過(guò)烷氧基對(duì)氧原子的電荷增減而影響M O鍵的原有極性 3 金屬原子要求盡可能地?cái)U(kuò)大其自身的配位數(shù)的性質(zhì) 使得醇鹽分子之間通過(guò)配位鍵而形成一定程度的齊聚或締合 如圖3 1 78 1 締合度 重要性 金屬醇鹽分子間產(chǎn)生締合不僅影響醇鹽自身的物化性質(zhì) 溶解性 揮發(fā)性 粘度 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等 而且影響到溶膠凝膠工藝過(guò)程和最終材料的均勻性 79 2 醇鹽分子之間產(chǎn)生締合的驅(qū)動(dòng)力 是金屬原子通過(guò)鍵合鄰近的烷氧基團(tuán)以力求使自身的配位數(shù)達(dá)到最大的傾向性 空的金屬軌道接受來(lái)自烷氧基配位體中氧原子的孤對(duì)電子而形成橋鍵 3 通常 締合度隨中心金屬原子半徑增大而增大 這是因?yàn)榻饘僭釉酱?它要求的配位數(shù)也越大 對(duì)于一價(jià) 二價(jià)金屬元素醇鹽 締合度會(huì)更大 因?yàn)槊恳粋€(gè)金屬原子僅結(jié)合一個(gè)或二個(gè)烷氧基團(tuán) 例如 叔丁醇鋰是六聚物 叔丁醇鈹是三聚物 由于位阻效應(yīng)的影響 隨著烷基的增長(zhǎng)和支鏈增加締合度會(huì)降低 表3 5和3 6分別列出了一些醇鹽分子的中心金屬原子大小 烷基鏈長(zhǎng)度和支化對(duì)其締合度的影響 80 表3 5M OEt 4締合度隨中心金屬原子M大小的變化 表3 6M OEt 4締合度隨烷基碳鏈長(zhǎng)度和支鏈的變化 81 4 有些醇鹽溶解在醇鹽中的齊聚程度與溶液濃度和溶劑特性有關(guān) 締合度似隨溶液濃度減小而減小 但是溶劑特性不可忽略 乙醇鈦的締合度不受苯溶液濃度影響 但在醇溶劑中則由于醇的施主性質(zhì)導(dǎo)致齊聚物解除締合而溶劑化 即鋯的聚合度亦與溶劑特性有關(guān) 1958年 D C Bradley在研究了多種金屬醇鹽的性質(zhì)后 提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的有關(guān)齊聚物結(jié)構(gòu)的理論 在滿足所有原子有較高配位數(shù)的前提下 醇鹽化合物將采用盡可能小的結(jié)構(gòu)單元 見(jiàn)表3 7 表3 7金屬醇鹽的立體化學(xué)和締合度 82 83 以鋁醇鹽的結(jié)構(gòu)為例說(shuō)明上述理論 R C Mehrotra等發(fā)現(xiàn) 由于位阻效應(yīng) 異丙醇鋁分子中鋁的配位數(shù)為6 形成四聚物 Al OPri 3 4 而對(duì)于叔丁醇鋁 由于受到龐大的叔丁氧基的空間位阻因素的影響 鋁的配位數(shù)下降為4 形成 Al OBut 3 2二聚體 它們的結(jié)構(gòu)如圖3 2所示 84 2 揮發(fā)性1 金屬醇鹽的揮發(fā)性取決于烷氧基的大小和形狀 中心原子的電負(fù)性和原子半徑 這些因素將影響到M O C鍵的極性 金屬醇鹽的齊聚程度和分子間范德華力 2 從分子間力觀點(diǎn)出發(fā)對(duì)某元素系列單體醇鹽 揮發(fā)性隨正烷基鏈增長(zhǎng)而降低 烷基支鏈數(shù)增多使揮發(fā)性增大的效果不很明顯 對(duì)各聚合的醇鹽 一般來(lái)說(shuō) 締合度越大 揮發(fā)性越低 因此 增大烷氧基的位阻效應(yīng) 降低締合度 醇鹽揮發(fā)性就增加 最典型的例子是叔烷氧基 可阻止形成橋氧鍵 從而提高揮發(fā)性 一些醇鹽的揮發(fā)性數(shù)據(jù)列于表3 8 85 表3 8一些金屬醇鹽的沸點(diǎn)和聚合度 86 3 粘度金屬醇鹽的粘度受其分子中烷基鏈長(zhǎng)和支鏈及締合度的影響 顯然 高締合的醇鹽化合物的粘度大于單體的或低齊聚的醇鹽 但要得到計(jì)算齊聚物醇鹽粘度值的一般公式或找出其變化規(guī)律卻相當(dāng)困難 表2 6列出了幾種不同烷基鏈長(zhǎng)和支化程度鈦醇鹽的粘度值 醇鹽極易水解的性質(zhì)也極大地限制了其粘度的準(zhǔn)確測(cè)量 表2 6幾種鈦醇鹽的粘度值 87 溶液的粘度主要取決于溶液濃度 溶劑的種類以及溶劑與醇鹽分子間的相互作用 在控制醇鹽水解的條件下 溶液的粘度還受到醇鹽水解和縮合程度等諸因素的影響 2 金屬醇鹽的化學(xué)性質(zhì) 1 醇解反應(yīng) 式中 M為過(guò)渡金屬元素 醇化分解反應(yīng)也稱烷基置換反應(yīng) 通常分為兩種情況 一種情況是醇鹽溶解在相應(yīng)的母醇中 另一種情況則是溶解在與醇鹽具有不同烷基的醇中 88 89 顯然這類反應(yīng)極易受位阻因素的影響 反應(yīng)速度依MeO EtO PriO ButO順序下降 而乙醇鋁與叔丁醇反應(yīng)時(shí) 卻只能形成部分取代產(chǎn)品如Al2 OEt OBut 5 這類反應(yīng)還受中心金屬原子的化學(xué)性質(zhì)影響 硼醇鹽與伯醇鹽能完全反應(yīng) 但不能與叔丁醇完全反應(yīng) 硅醇鹽的醇解反應(yīng)很慢 需要有酸或堿催化劑 錫醇鹽反應(yīng)很快 無(wú)須任何催化劑就能使反應(yīng)進(jìn)行完全 醇解反應(yīng)在金屬醇鹽合成和在溶膠 凝膠法中調(diào)整醇鹽原料的溶解性 水解速度等方面有其廣泛的應(yīng)用 2 醇鹽分子間的締合反應(yīng) 90 3 水解和縮聚反應(yīng)金屬醇鹽 包括單金屬醇鹽和多金屬醇鹽 除鉑醇鹽以外均極易水解 因此在醇鹽的合成 保存和使用中需絕對(duì)避免潮氣 脫水 脫烷基 說(shuō)明 A 分解速率和有機(jī)基團(tuán)的大小有密切的關(guān)系 一般有機(jī)基團(tuán)越大 分子量越大 則相應(yīng)的分解速率越小 例如分解速率對(duì)于Si的醇鹽來(lái)說(shuō) 存在如下關(guān)系 Si OCH3 4 液體 Si OC2H5 4 液體 Si OC3H7 4 液體 Si OC4H9 4 91 B 上述三個(gè)反應(yīng)幾乎是同時(shí)發(fā)生的 因此 獨(dú)立地描述水解和縮聚反應(yīng)過(guò)程是不可能的 C 利用醇鹽上述反應(yīng)特性 在一定程度上使用合適的化學(xué)計(jì)量配比以內(nèi)的水量即可控制水解程度 而產(chǎn)生一些稱之為氧化物醇鹽 MOx OR y 2x n 的聚合物 例如 Ti7O4 Oet 20等 D 另外 使用合適的工藝參數(shù) 控制醇鹽水解 縮聚程度 可制得 預(yù)期 結(jié)構(gòu)的材料 92 4 金屬醇鹽與有機(jī)酸或酸酐的反應(yīng)金屬醇鹽與有機(jī)酸或酸酐很容易反應(yīng)生成相應(yīng)的金屬?；衔锖痛蓟蝓?反應(yīng)通式可由以下表示 式中 x的值一般都要小于1 過(guò)量的乙酸反而與醇發(fā)生酯化反應(yīng) 在溶膠 凝膠法中用有機(jī)酸來(lái)對(duì)金屬醇鹽進(jìn)行化學(xué)改性 例如 Ti OBun 4很容易水解而產(chǎn)生沉淀 而用乙酸進(jìn)行改性后 則較容易得到穩(wěn)定的溶膠 93 5 金屬醇鹽與二元醇的反應(yīng)許多金屬醇鹽能與二元醇發(fā)生反應(yīng) 例如B Al Si Ge Sn Se Te Sb Fe Ti Zr Nb Ta U和鑭系元素等的醇鹽 反應(yīng)生成金屬二元醇鹽化物 反應(yīng)通式如下 式中G為烷烴基或烯烴基 反應(yīng)生成的金屬二元醇化物容易產(chǎn)生高的分子締合 通常比原來(lái)的金屬醇鹽更難以水解 94 在溶膠 凝膠法中 通常用二元醇對(duì)一些水解活性較大的金屬醇鹽進(jìn)行處理 例如鋯醇鹽極易水解而產(chǎn)生氫氧化物沉淀 加入乙二醇后 反應(yīng)生成乙二醇鋯 使水解減慢 從而成功地制得透明的凝膠塊 6 金屬醇鹽與 二羰基化合物的反應(yīng)在 二羰基化合物中存在兩種共振體 即酮式和烯醇式 95 7 金屬醇鹽與氯化物反應(yīng)例如NaOC2H5和TiCl4反應(yīng) 在苯的催化作用下 可以反應(yīng)形成Ti OC2H5 4 如下所示 8 二元金屬醇鹽的反應(yīng)特性 1 不同金屬醇鹽之間的反應(yīng)目前所知道的大多為鋁的醇鹽容易和其它醇鹽發(fā)生反應(yīng) 其反應(yīng)通式如下 式中M為堿金屬 M 為金屬Al 96 2 金屬溶于醇后和金屬醇鹽的反應(yīng)這種反應(yīng)通常需要在一定的催化環(huán)境 HgCl2等 下才能進(jìn)行 例如二價(jià)金屬和醇以及鋁醇鹽的反應(yīng)方程式如下所示 M 二價(jià)金屬 M 為金屬Al 3 金屬氯化物和二元金屬醇鹽之間的反應(yīng)這種反應(yīng)通常也需要在一定的催化環(huán)境 C6H6等 下才能進(jìn)行 反應(yīng)式如下 HgCl2 97 反應(yīng)物M M OR x 可以是典型的二元金屬醇鹽 M為二價(jià)三價(jià)或四價(jià)金屬 M 為一價(jià)金屬 例如K Al OC3H7 4 等 ROH 98 習(xí)題1 溶膠 凝膠法采用的原料分為哪幾類 各有什么作用 2 金屬醇鹽的合成都有哪些方法 3 請(qǐng)寫出異丙醇鋁 Al i OC3H7 3 Ti i OC4H9 4和Y OC4H9 3的合成反應(yīng)方程式 4 采用溶膠 凝膠法制備MgAl2O4尖晶石時(shí) 前驅(qū)體Mg Al iso OC3H7 4 2的制備十分重要 試寫出Mg Al iso OC3H7 4 2的合成反應(yīng)方程式 5 雙金屬醇鹽的合成方法有哪些 6 試寫出Si OC2H5 4的加水分解反應(yīng)方程式 7 試寫出Si OC2H5 4與氯化物反應(yīng)的方程式 8 二元金屬醇鹽之間都能發(fā)生哪些化學(xué)反應(yīng) 9 什么是制備金屬醇鹽的電化學(xué)方法 都有哪些優(yōu)缺點(diǎn) 10 舉例說(shuō)明如何以雙金屬醇鹽為原料 通過(guò)合適的化學(xué)反應(yīng)合成三金屬醇鹽的單體 99 第三章溶膠 凝膠過(guò)程的主要反應(yīng) 溶膠 凝膠過(guò)程通常分為兩類 1 金屬鹽在水中水解成膠粒 含膠粒的溶膠經(jīng)凝膠化后形成凝膠 2 金屬醇鹽在溶劑中水解 縮合形成凝膠 100 一 前驅(qū)體溶液的水解反應(yīng) 一 水 金屬鹽體系的水解反應(yīng) 1 金屬陽(yáng)離子水解 形成溶膠 2 溶膠制備 濃縮法和分散法 濃縮法 在高溫下 控制膠粒慢速成核和晶體生長(zhǎng) 分散法 使金屬在室溫下過(guò)量水中迅速水解 兩法最終都使膠粒帶正電荷 101 102 二 醇 金屬醇鹽體系的水解反應(yīng) 103 脫水凝膠化 膠粒脫水 擴(kuò)散層中電解質(zhì)濃度包括增加 凝膠化能壘逐漸減小 堿性凝膠化 二 溶膠的縮聚反應(yīng) 一 水 金屬鹽體系的縮聚反應(yīng) 其中 A 為膠溶過(guò)程中所加入的酸根離子 當(dāng)x 1時(shí) 形成單核聚合物 當(dāng)x 1時(shí) 形成多核聚合物 可通過(guò) 或與配體橋聯(lián) 104 堿性凝膠化的影響因素 主要是pH值 受x和y影響 其次還有溫度 濃度及的性質(zhì) 簡(jiǎn)言之 隨著pH值的增加 膠粒表面正電荷減少 能壘高度降低 二 醇 金屬醇鹽體系的縮聚反應(yīng) 反應(yīng)通式 105 此外 羥基與烷氧基之間也可以縮合 三 潤(rùn)濕凝膠體的干燥過(guò)程變化 一 凝膠干燥的幾個(gè)階段通過(guò)對(duì)Al2O3凝膠的干燥進(jìn)行研究 發(fā)現(xiàn)孔徑大于20nm的Al2O3凝膠在80 干燥時(shí) 干燥速率與凝膠含水量關(guān)系如下圖所示 106 干燥速率與凝膠含水量關(guān)系 107 二 維持凝膠織構(gòu)的干燥技術(shù) 可以采用減小破壞織構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力和增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械抵抗性來(lái)維持凝膠的織構(gòu) 通常可采用以下措施 1 減小液相的表面張力 2 增大凝膠的孔徑 3 增強(qiáng)凝膠的機(jī)械強(qiáng)度 4 使凝膠表面疏水 5 采用汽液界面消失的超臨界干燥 6 采用冷凍干燥法蒸發(fā)溶劑 108 超臨界干燥技術(shù) 冷凍干燥 Freezedrying 技術(shù) 109 四 凝膠體燒結(jié)過(guò)程的變化 凝膠的結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題 如就一個(gè)理想的單一分散系 球狀膠態(tài)微粒的組合體 作一理論上的考察 可出現(xiàn)3種情況 1 在微粒之間存在長(zhǎng)程強(qiáng)斥力 從而組成有序的類晶體結(jié)構(gòu) 2 在網(wǎng)絡(luò)的相鄰微粒之間存在短程強(qiáng)范德華引力 3 在網(wǎng)絡(luò)的相鄰微粒之間存在長(zhǎng)程范德華引力 從而由聚集程度甚弱的微粒組成動(dòng)態(tài)彈性網(wǎng)絡(luò) 110 凝膠包含了很多種物質(zhì)構(gòu)造 Flory把它們分成四種 1 短程有序結(jié)構(gòu) 非常有序的層狀結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)程均一結(jié)構(gòu) 2 完全無(wú)序的共價(jià)聚合物網(wǎng)絡(luò) 3 主要是無(wú)序的以物理聚集形成的高分子網(wǎng)絡(luò) 4 特殊的無(wú)序結(jié)構(gòu) 111 凝膠經(jīng)干燥 燒結(jié)轉(zhuǎn)變成固體材料的過(guò)程是溶膠 凝膠法的重要步驟 由多孔疏松凝膠轉(zhuǎn)變成致密玻璃至少有四個(gè)歷程 毛細(xì)收縮 縮合一聚合 結(jié)構(gòu)弛豫和粘滯燒結(jié) 112 第四章溶膠 凝膠法制備塊體材料 體積材料 一般是指厚度超過(guò)1mm的材料 MgO Al2O3 SiO2系微晶玻璃 具有低的介電常數(shù) 低的熱膨脹系數(shù) 高的力學(xué)強(qiáng)度和良好的電絕緣性能等 被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的介電材料 廣泛應(yīng)用于電力電子工業(yè)領(lǐng)域 如用于制造各種類型的電路板 絕緣體 電容器 濾波器和混頻器等 在Sol Gel法的全過(guò)程 如下圖 溶膠 凝膠全過(guò)程及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)示意圖所示 113 金屬醇鹽 溶劑 水以及催化劑組成均相溶液 由水解縮聚而形成均相溶膠 進(jìn)一步陳化成為濕凝膠 經(jīng)過(guò)蒸發(fā)除去溶劑或蒸發(fā)分別得到氣凝膠 或干凝膠 后者經(jīng)燒結(jié)得到致密的陶瓷體 同時(shí) 均相溶膠可以在不同襯底上涂膜 經(jīng)過(guò)焙燒等熱處理得到均勻致密的薄膜 也可以拉絲 得到玻璃纖維 以及均相溶膠經(jīng)不同方式處理得到粉體 114 115 一 溶膠 凝膠法制備SiO2玻璃 一 前驅(qū)體溶液的制備 1 主要有兩種方法 1 是將Si OC2H5 4 簡(jiǎn)稱TEOS C2H5OH 和HCl等混合 在一定溫度下強(qiáng)烈攪拌 即可以制備溶膠 其 2 是將Si OC2H5 4 C2H5OH 或者CH3OH CH3 2NCHO N N二甲基甲酰胺 簡(jiǎn)稱DMF NH4 H2O 氨水 和水進(jìn)行混合 摩爾比例為 TEOS H2O CH3OH DMF NH4 H2O 1 0 10 2 2 1 0 3 7 10 4 然后充分?jǐn)嚢韬?可以制得溶膠 制備溶膠后 將上述溶液放入內(nèi)徑40mm 長(zhǎng)250mm的用聚甲基戊烯制備的試管中密封 于35 的干燥器中放置 這一過(guò)程也叫注模 116 該過(guò)程發(fā)生的主要反應(yīng)如下所示 二 溶液的凝膠化轉(zhuǎn)變 1 凝膠化轉(zhuǎn)變過(guò)程與凝膠結(jié)構(gòu) 將上述溶膠在48小時(shí)內(nèi)加熱使溫度由35 升到80 會(huì)得到柔軟濕潤(rùn)的凝膠體 該過(guò)程的主要反應(yīng)如下 縮合反應(yīng) 117 在凝膠點(diǎn)不但粘度急速增加 而且隨著膠凝從本質(zhì)上以一種特殊的高分子結(jié)構(gòu)凝固 在凝膠點(diǎn)的膠凝可以看作是一個(gè)快速的固化過(guò)程 凝固 結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間 溫度 溶劑和PH值等條件的改變而有明顯的改變 118 2 凝膠化轉(zhuǎn)變的影響因素 膠凝時(shí)間 薄膜和纖維材料塊體材料 1 pH值對(duì)凝膠化轉(zhuǎn)變時(shí)間的影響 圖5 4體系pH與膠凝時(shí)間的關(guān)系曲線 119 2 TEOS濃度對(duì)凝膠化轉(zhuǎn)變時(shí)間的影響 3 體系溫度對(duì)凝膠化轉(zhuǎn)變時(shí)間的影響 120 三 潤(rùn)濕凝膠體的干燥 1 傳統(tǒng)干燥工藝 1 工藝 將試樣放入干燥容器中加蓋 蓋上有1mm厚度的用聚甲基戊烯制備的微孔的蓋子 于80 保溫120小時(shí) 然后用96小時(shí)連續(xù)升溫到150 保溫24小時(shí) 2 干燥初期 凝膠結(jié)構(gòu)中還含有大量的結(jié)合水 如圖5 7所示 注意 干燥過(guò)程中一定要注意干燥升溫速度 一般來(lái)說(shuō) 速度太快容易導(dǎo)致制品的開(kāi)裂 采用分階段干燥制度的目的也是為了防止凝膠在干燥過(guò)程開(kāi)裂 使水和DMF依次排除 121 在干燥過(guò)程中液體被從相互連通的網(wǎng)絡(luò)孔徑中除去 當(dāng)孔徑小于20nm時(shí) 干燥會(huì)產(chǎn)生很大的毛細(xì)壓力 可以導(dǎo)致凝膠的龜裂 降低表面張力與接觸角均可以有效降低毛細(xì)管壓力 加入一些表面活性劑物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn) 122 2 凝膠體中的氣孔模型 123 3 特殊的干燥工藝超臨界流體干燥冷凍干燥技術(shù) 四 干燥凝膠體的燒結(jié) 在高溫下熱處理多孔凝膠導(dǎo)致凝膠致密化 凝膠中的孔可以被消除 致密化溫度取決于凝膠網(wǎng)絡(luò)中孔的尺寸 孔的連通程度和凝膠的表面積 1 脫水反應(yīng) 124 圖5 9硅凝膠的差熱分析曲線 125 2 凝膠體的玻璃化 將干燥得到的凝膠進(jìn)行燒結(jié) 燒結(jié)工藝為從室溫到1050 以每小時(shí)20 的升溫速度 到1050 后保溫2小時(shí) 可以得到無(wú)氣孔的玻璃材料 燒成前后的掃描電鏡照片如圖5 9所示 126 五 玻璃凝膠塊制備的開(kāi)裂問(wèn)題1 開(kāi)裂的影響因素 1 溶膠的配比 1 如 a 當(dāng)TEOS H2O NH4OH CH3 2NCHO CH3OH 摩爾比 為1 0 10 2 2 1 0 7 4 10 4 或?yàn)? 0 20 2 7 1 4 3 7 10 4 時(shí) 均可得到無(wú)開(kāi)裂的干燥凝膠體 b 當(dāng)TEOS H2O CH3OH CH3 2NCHO NH4OH配比為1 0 11 1 9 2 0 0 01時(shí) 可得到有微小開(kāi)裂的凝膠體 c 當(dāng)TEOS H2O CH3OH CH3 2NCHO NH4OH配比為1 0 10 2 2 1 0 7 4 10 4 時(shí) 得到的凝膠體有明顯的開(kāi)裂 d 當(dāng)TEOS H2O CH3OH CH3 2NCHO HNO3為1 0 11 1 46 2 0 0 5 干燥后凝膠體裂成碎片 127 表5 1不同硅溶膠配比及其開(kāi)裂情況 128 2 干燥制度的影響1 采用傳統(tǒng)的干燥方法時(shí) 干燥速度太快引起開(kāi)裂 2 必須注意 a 在干燥過(guò)程中 慢升溫階梯式升溫的長(zhǎng)時(shí)間干燥工藝 b 在干燥過(guò)程中還要適當(dāng)保持環(huán)境的濕度 采用先高濕后低濕的濕度環(huán)境條件 3 凝膠塊的結(jié)構(gòu)當(dāng)凝膠塊中的連通氣孔較小時(shí) 亦容易引起干燥開(kāi)裂 當(dāng)溶劑的選擇不當(dāng)時(shí)同樣會(huì)造成干燥開(kāi)裂 129 2 凝膠體開(kāi)裂的防止及無(wú)開(kāi)裂凝膠塊玻璃的制備方法 1 調(diào)整溶膠的配比 溶劑的含量有一個(gè)最低限度 根據(jù)具體的系統(tǒng)不同而有差別 2 干燥溫度一般為80 180 不能太高 否則由于干燥速率太快而開(kāi)裂 同時(shí)應(yīng)該分