材料合成與制備溶膠-凝膠法

材料合成與制備溶膠——凝膠法第1頁(yè)/共22頁(yè)溶膠——凝膠合成方法原理1.膠體（Golloid）一種分散相粒徑介于~m的分散體系，分散相粒子的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，粒子之間的相互作用主要是短程作用力。電學(xué)性質(zhì)：電泳（在外電場(chǎng)的作用下，膠體分散體系中的溶膠粒子向陰極定向遷移的現(xiàn)象。）原因：膠體粒子帶電作用：識(shí)別膠體粒子的帶電性光學(xué)性質(zhì)：丁達(dá)爾現(xiàn)象第2頁(yè)/共22頁(yè)溶膠穩(wěn)定機(jī)制膠體穩(wěn)定的DLVO理論顆粒越小，表面能越高越不穩(wěn)定。表面能：表面質(zhì)點(diǎn)比內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)多出來(lái)的那部分能量叫表面能第3頁(yè)/共22頁(yè)2.溶膠（Sol）具有液體特征的膠體體系，指微小的固體顆粒懸浮分散在液相中不停的進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)的體系。通常分為親液型和憎液型，由于界面原子的自由能高于內(nèi)部原子，溶膠屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，若無(wú)其他條件限制，膠粒傾向于自發(fā)凝聚，達(dá)到低比表面狀態(tài)。比表面積：?jiǎn)挝惑w積分散相的總表面積第4頁(yè)/共22頁(yè)雙電層與ζ電位

固液之間發(fā)生的相對(duì)移動(dòng)的實(shí)際分界面，即滑動(dòng)面，滑動(dòng)面上的電位即ζ電位。雙電層的結(jié)構(gòu)示意圖第5頁(yè)/共22頁(yè)顆粒間的范德華力Hamaker假設(shè)粒子間的相互作用等于組成它們的各分子之間的相互作用的加合，對(duì)于倆個(gè)彼此平行的平板粒子，單位面積的相互作用能為第6頁(yè)/共22頁(yè)雙電層的靜電排斥能計(jì)算雙電層的排斥作用當(dāng)顆粒較大，雙電層膜（）時(shí)有：當(dāng)顆粒較大，雙電層膜（）時(shí)有：第7頁(yè)/共22頁(yè)粒子間總的相互作用能第8頁(yè)/共22頁(yè)2.溶膠穩(wěn)定機(jī)制

增加體系中粒子間結(jié)合所必須克服的能壘可使之在動(dòng)力學(xué)上穩(wěn)定。使膠粒帶表面電荷三種基本途徑利用空間位阻效應(yīng)利用溶劑化效應(yīng)第9頁(yè)/共22頁(yè)溶膠制備凝膠的方法1.使水、醇等分散介質(zhì)揮發(fā)或冷卻溶膠,使其成為過(guò)飽和液,而形成凍膠。2.加入非溶劑。3.將適量的電解質(zhì)加入膠粒親水性較強(qiáng)的憎液型溶膠，即可形成凝膠。4.利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不溶物，并控制反應(yīng)條件可得到凝膠。第10頁(yè)/共22頁(yè)1.2.3合成方法的基本原理1.金屬醇鹽的水解——縮聚反應(yīng)通常是往金屬醇鹽—母體醇中加入水，進(jìn)行水解反應(yīng)。水和醇鹽的物質(zhì)的量比醇鹽種類(lèi)、溶劑種類(lèi)及用量催化劑種類(lèi)及用量水解溫度第11頁(yè)/共22頁(yè)2.金屬無(wú)機(jī)鹽的水解—縮聚反應(yīng)金屬鹽在水中的性質(zhì)受金屬離子半徑的大小、電負(fù)性和配位數(shù)的影響。脫水凝膠化堿性凝膠化第12頁(yè)/共22頁(yè)溶膠—凝膠合成方法的適用范圍第13頁(yè)/共22頁(yè)1.3溶膠—凝膠合成工藝

傳統(tǒng)膠體型三種工藝機(jī)制無(wú)機(jī)聚合物型絡(luò)合物型第14頁(yè)/共22頁(yè)1.3凝膠—溶膠合成工藝(1)傳統(tǒng)膠體型。通過(guò)控制溶液中金屬離子的沉淀過(guò)程，使形成的顆粒不團(tuán)聚成大顆粒而沉淀得到穩(wěn)定均勻的溶膠，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)得到凝膠。(2)無(wú)機(jī)聚合物型。通過(guò)可溶性聚合物在水中或有機(jī)相中的溶膠過(guò)程，使金屬離子均勻分散到其凝膠中。常用的聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸等。(3)絡(luò)合物型。通過(guò)絡(luò)合劑將金屬離子形成絡(luò)合物，再經(jīng)過(guò)溶膠．凝膠過(guò)程成絡(luò)合物凝膠。第15頁(yè)/共22頁(yè)第16頁(yè)/共22頁(yè)溶膠—凝膠合成工藝的優(yōu)點(diǎn)1.過(guò)程溫度較低2.增進(jìn)了多元組份體系的化學(xué)均勻性3.過(guò)程易控制，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的完全而精確控制，可以調(diào)控凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。4.摻雜范圍廣泛，化學(xué)計(jì)量準(zhǔn)確。5.薄膜制備方法，Sol-Gel工藝更顯出了獨(dú)特的優(yōu)越性6.在一定的條件下，溶膠液的成纖性能很好，可以生產(chǎn)氧化物7.得到一些傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得的材料8.從一種原料出發(fā)通過(guò)簡(jiǎn)單的反應(yīng)過(guò)程改變工藝即可獲得不同的制品。第17頁(yè)/共22頁(yè)溶膠—凝膠合成工藝的缺點(diǎn)1.所用原料可能有害2.反應(yīng)影響因素多3.工藝過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)4.所得的半成品制品容易開(kāi)裂5.薄膜或涂層的厚度以及均勻性難以控制6.在凝膠點(diǎn)處粘度迅速增加7.很難獲得沒(méi)有絮凝的均勻溶膠8.對(duì)玻璃陶瓷材料而言不能范圍廣泛的應(yīng)用第18頁(yè)/共22頁(yè)凝膠—溶膠合成生產(chǎn)設(shè)備1.采用電機(jī)帶動(dòng)攪拌葉來(lái)進(jìn)行原料混合的攪拌器2.磁力攪拌器（目前通常采用）第19頁(yè)/共22頁(yè)1.3.3合成工藝過(guò)程，參數(shù)及過(guò)程的控制1.前驅(qū)體原料的選擇2.水解度的影響3.催化劑的影響