溶膠-凝膠原理及技術(shù)課件

溶膠-凝膠技術(shù)原理及其應(yīng)用ThemechanismandapplicationofSol-Geltechnique溶膠-凝膠法的基本概念和特點一、溶膠-凝膠法基本名詞術(shù)語1.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，并且不停地進行布朗運動的體系。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.凝膠(gel)：亦稱凍膠，是溶膠失去流動性后，一種富含液體的半固態(tài)物質(zhì)，其中液體含量有時可高達99.5%，固體粒子則呈連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)體。它是指膠體顆粒或高聚物分子相互交聯(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性，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙中充滿液體的非流動半固態(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實的網(wǎng)絡(luò)。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凝膠的毛細管作用從其細孔逐漸排出。二、溶膠一凝膠法起源古代中國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，但由于干燥時間太長而沒有引起人們的興趣．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。）七十年代初德國科學家報道了通過金屬醉鹽水解得到溶膠，經(jīng)過凝膠化得到多組分的凝膠，引起了材料科學界的極大興趣．這被認為是溶膠—凝膠技術(shù)的真正開端．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間是以天來計算，而不象從前那樣以年計算。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、電磁學、熱學、化學以及環(huán)境處理等各個科學技術(shù)領(lǐng)域和材料科學的諸多領(lǐng)域。四、溶膠-凝膠法的基本過程

圖1-1醇鹽溶膠-凝膠法基本工藝過程示意圖金屬醇鹽、溶劑（甲醇、乙醇等）、水和催化劑（酸或弱堿）溶膠濕凝膠水解聚縮陳化涂層、成纖、成型干燥干凝膠成品熱處理1.醇鹽水解方法（1）該方法的最大優(yōu)點是制備過程溫度低。（2）溶膠-凝膠法增進了多元組分體系的化學均勻性。（3）溶膠-凝膠反應(yīng)過程易于控制，可以實現(xiàn)過程的完全而精確的控制，可以調(diào)控凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。（4）該法制備材料摻雜的范圍寬(包括摻雜的量和種類)，化學計量準確且易于改性。（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。1.溶膠-凝膠法的優(yōu)點（6）在薄膜制備方面，Sol-Gel工藝更顯出了獨特的優(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。六、溶膠-凝膠技術(shù)存在的問題與發(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)用尚待探索的問題有：(1)對硅體系以外其它體系的詳細動力學知識；(2)與H2O，C2H5OH等普通溶劑相反的惰性溶劑的應(yīng)用；(3)凝膠在陳化過程中發(fā)生的物理化學變化的深入認識；(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；（6）溶膠-凝膠過程的計算機模擬。2.在溶膠-凝膠工藝方面，對最佳工藝(干燥、燒結(jié)工藝)的探索。在盡可能短的時間內(nèi)制備無裂紋整塊玻璃仍是有較大興趣的課題。在工藝方面值得進一步探索的問題有：(1)較長的制備周期；(2)應(yīng)力松弛，毛細管力的產(chǎn)生和消除，孔隙尺寸及其分布對凝膠干燥方法的影響；(3)在凝膠干燥過程中加入