《溶胶凝胶法》PPT课件.pptx

溶胶凝胶法制备薄膜原理及应用,一、溶胶-凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望,一、溶胶-凝胶法的发展 溶胶-凝胶(sol-gel)技术最早且卓有成效地应用可追溯到中国古代的豆腐制作。 1846年法国化学家J.J.Ebelmen将 与乙醇混合置于潮湿的空气中获得透明玻璃状的固体 凝胶，并预言:这种凝胶有希望成为制备光学仪器的原材料。 1939年W.Geffcken 证实金属烷氧基化合物的水解和凝胶可以用来制备氧化物薄膜，溶胶凝胶技术被重新认识，并开展广泛研究。,20世纪70 年代，sol-gel技术被成功地应用于制备块状多组分凝胶玻璃，得到材料界研究者的广泛关注并获得迅速发展。 20 世纪80年代以来，sol-gel技术进入了发展的高峰时期。,基本概念 溶胶（Sol）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1100nm之间。 凝胶（Gel）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。,一、溶胶-凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望,二、溶胶一凝胶法的基本原理 sol-gel法制备薄膜涂层的基本原理是：将金属醇盐或无机盐作为前驱体，溶于溶剂（水或有机溶剂）中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成几个纳米左右的粒子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的涂层。,按照溶胶制备的途径不同： 1、金属有机醇盐的溶胶凝胶 2、无机盐为原料的溶胶凝胶,（1）有机醇盐Sol-gel原理： 通过水解与一定程度的缩聚反应形成溶胶，再经进一步缩聚得到凝胶。 水解反应： M(OR)n+xH2O M(OH)x+nROH （完全水解） M(OR)n+xH2O M(OH)x(OR)n-x+xROH （部分水解） 缩聚反应： 失水缩聚：-M-OH+HO-M- -M-O-M-+H2O （完全水解） 失醇缩聚：-M-OR+HO-M- -M-O-M-+ROH （部分水解） 总反应：M(OR)n+xH2O MO2 +nROH,（2）无机盐的溶胶凝胶原理： 首先获得溶胶的前驱体溶液，再经水解来制得。 水解反应： Mn+xH2O M(OH) n+nH 通过向溶液中加入碱液使这一水解反应不断向正方向进行，可使水解反应不断向正方向进行，逐渐形成M(OH) n沉淀，然后将沉淀物充分水洗过滤，然后将其分散于强酸溶液，进而制备成溶胶前驱物溶液，并添加相应的稳定剂可得到溶胶，最后再经脱水处理制备凝胶。,一、溶胶-凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望,三、溶胶一凝胶法工艺过程 1.溶胶的制备 2. 基材预处理 3. 薄膜涂覆工艺 4. 干燥及热处理,三、溶胶一凝胶法工艺过程 1.溶胶的制备 (1)有机醇盐水解法 (2)无机盐水解法 此外还有：,（3）熔融-淬冷法 熔融-淬冷法是以无机氧化物作为前驱物，加热至完全熔融状态，然后迅速将其急淬于冷水中并快速搅拌均匀，通过无机氧化物粒子迅速溶解并进而聚集成胶体粒子溶胶化而形成溶胶。 （4）离子交换法 该方法通常可分为3个步骤：活性硅酸制备，胶粒增长和稀硅溶胶浓缩。 广泛用于电致变色材料溶胶的制备。,三、溶胶一凝胶法工艺过程 2. 基材预处理 薄膜涂层不能单独作为一种材料使用，它必须与基材结合在一起发挥它的作用。因此，溶胶要能与基材表面润湿，有一定的粘度和流动性，能均匀地固化在基材表面，并以物理的和化学的方式与基材表面牢固地相互结合。这就是说，涂覆前必须对基材表面进行清洗和预处理。,由于基材种类及表面状况不同，表面清洗和预处理的方法也不一样 对于金属或合金材料表面净化采用工业氧化铝细粉，以机械方法净化表面不溶于水的污垢，后用干布擦去板上的工业氧化铝，然后进行洗涤，再采用工业净化剂进行涮洗。 玻璃基片的清洗，可以分为实验室法和工业法，在实验室主要采用的是洗涤剂法、试剂-溶剂法、超声波法、加热法、离子冲击法等，在实际清洗时，应视具体情况，将这几种方法加以适当组合，以达到最佳洗涤效果。,三、溶胶一凝胶法工艺过程 3. 薄膜涂覆工艺 （1）浸渍法 （2）转盘法、 （3）喷涂法 （4）电沉积,4. 干燥及热处理 在基体上涂上薄膜后，凝胶中含有液体，要进行干燥处理。 干燥方法：对流干燥、工频电干燥、远红外干燥、微波干燥 采用红外及微波干燥有利于除去包裹在凝胶内部孔隙内的液体。 为了减少开裂，还可采用超临界干燥、冰冻干燥以及增加凝胶强度等方法，以抵消或减少表面张力的作用。经干燥后的凝胶含有大量气孔，需要进行热处理才能获得所需要的性能。,Sol-gel优点： 起始原料分子级，能制备较均匀材料； 组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料； 较高的纯度； 可降低合成温度； 易于控制；（表面积很大的凝胶或粉末） 容易制备各种形状（ 薄膜、纤维、复合材料）。 Sol-gel缺点： 原料成本较高；可能存在残留碳；较长反应时间等。,一、溶胶-凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望,四、在制备材料方面的应用 溶胶一凝胶法可制得的材料主要有以下几大类型：纤维材料、涂层和薄膜材料、超细粉末材料及复合材料等。 目前应用已经制备出：光学膜、保护膜、分离膜、着色膜、电光效应膜、波导膜等。,具体应用领域： 材料学：高性能粒子探测器，隔热材料，声阻抗耦合材料，电介质材料，有机-无机杂化材料，金属陶瓷涂层耐蚀材料，纳米级氧化物薄膜材料，橡胶工业 催化剂方面：金属氧化物催化剂，包容均相催化剂 色谱分析：制备色谱填料，制备开管柱和电色谱固定相，电分析，光分析,一、溶胶-凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望,五、展望 目前溶胶一凝胶技术的研究已经取得了很大的进展，已从聚合物科学、物理化学、胶体化学、配位化学、金属有机化学等有关学科角度探索而建立了相应的基础理论，应用技术