材料合成与制备溶胶-凝胶法

材料合成与制备溶胶——凝胶法第1页/共22页溶胶——凝胶合成方法原理1.胶体（Golloid）一种分散相粒径介于~m的分散体系，分散相粒子的质量可以忽略不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。电学性质：电泳（在外电场的作用下，胶体分散体系中的溶胶粒子向阴极定向迁移的现象。）原因：胶体粒子带电作用：识别胶体粒子的带电性光学性质：丁达尔现象第2页/共22页溶胶稳定机制胶体稳定的DLVO理论颗粒越小，表面能越高越不稳定。表面能：表面质点比内部质点多出来的那部分能量叫表面能第3页/共22页2.溶胶（Sol）具有液体特征的胶体体系，指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中不停的进行布朗运动的体系。通常分为亲液型和憎液型，由于界面原子的自由能高于内部原子，溶胶属于热力学不稳定体系，若无其他条件限制，胶粒倾向于自发凝聚，达到低比表面状态。比表面积：单位体积分散相的总表面积第4页/共22页双电层与ζ电位

固液之间发生的相对移动的实际分界面，即滑动面，滑动面上的电位即ζ电位。双电层的结构示意图第5页/共22页颗粒间的范德华力Hamaker假设粒子间的相互作用等于组成它们的各分子之间的相互作用的加合，对于俩个彼此平行的平板粒子，单位面积的相互作用能为第6页/共22页双电层的静电排斥能计算双电层的排斥作用当颗粒较大，双电层膜（）时有：当颗粒较大，双电层膜（）时有：第7页/共22页粒子间总的相互作用能第8页/共22页2.溶胶稳定机制

增加体系中粒子间结合所必须克服的能垒可使之在动力学上稳定。使胶粒带表面电荷三种基本途径利用空间位阻效应利用溶剂化效应第9页/共22页溶胶制备凝胶的方法1.使水、醇等分散介质挥发或冷却溶胶,使其成为过饱和液,而形成冻胶。2.加入非溶剂。3.将适量的电解质加入胶粒亲水性较强的憎液型溶胶，即可形成凝胶。4.利用化学反应产生不溶物，并控制反应条件可得到凝胶。第10页/共22页1.2.3合成方法的基本原理1.金属醇盐的水解——缩聚反应通常是往金属醇盐—母体醇中加入水，进行水解反应。水和醇盐的物质的量比醇盐种类、溶剂种类及用量催化剂种类及用量水解温度第11页/共22页2.金属无机盐的水解—缩聚反应金属盐在水中的性质受金属离子半径的大小、电负性和配位数的影响。脱水凝胶化碱性凝胶化第12页/共22页溶胶—凝胶合成方法的适用范围第13页/共22页1.3溶胶—凝胶合成工艺

传统胶体型三种工艺机制无机聚合物型络合物型第14页/共22页1.3凝胶—溶胶合成工艺(1)传统胶体型。通过控制溶液中金属离子的沉淀过程，使形成的颗粒不团聚成大颗粒而沉淀得到稳定均匀的溶胶，再经过蒸发得到凝胶。(2)无机聚合物型。通过可溶性聚合物在水中或有机相中的溶胶过程，使金属离子均匀分散到其凝胶中。常用的聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸等。(3)络合物型。通过络合剂将金属离子形成络合物，再经过溶胶．凝胶过程成络合物凝胶。第15页/共22页第16页/共22页溶胶—凝胶合成工艺的优点1.过程温度较低2.增进了多元组份体系的化学均匀性3.过程易控制，可以实现过程的完全而精确控制，可以调控凝胶的微观结构。4.掺杂范围广泛，化学计量准确。5.薄膜制备方法，Sol-Gel工艺更显出了独特的优越性6.在一定的条件下，溶胶液的成纤性能很好，可以生产氧化物7.得到一些传统方法无法获得的材料8.从一种原料出发通过简单的反应过程改变工艺即可获得不同的制品。第17页/共22页溶胶—凝胶合成工艺的缺点1.所用原料可能有害2.反应影响因素多3.工艺过程时间较长4.所得的半成品制品容易开裂5.薄膜或涂层的厚度以及均匀性难以控制6.在凝胶点处粘度迅速增加7.很难获得没有絮凝的均匀溶胶8.对玻璃陶瓷材料而言不能范围广泛的应用第18页/共22页凝胶—溶胶合成生产设备1.采用电机带动搅拌叶来进行原料混合的搅拌器2.磁力搅拌器（目前通常采用）第19页/共22页1.3.3合成工艺过程，参数及过程的控制1.前驱体原料的选择2.水解度的影响3.催化剂的影响