溶胶-凝胶法及其应用ppt课件.ppt

溶胶 凝胶法及其应用 SimonWong 1 OUTLINE 发展历程基本概念基本原理和工艺过程常用测试方法应用举例优势 缺陷未来 2 溶胶 凝胶法的发展历程 1846年法国化学家J J Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后 发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶 20世纪30年代W Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜 1971年德国H Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了SiO2 B2O Al2O3 Na2O K2O多组分玻璃 1975年B E Yoldas和M Yamane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜 80年代以来 在玻璃 氧化物涂层 功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用 3 溶胶 凝胶法的基本概念 胶体 colloid 是一种分散相粒径很小的分散体系 分散相粒子的重力可以忽略 粒子之间的相互作用主要是短程作用力 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1 1000nm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 凝胶中分散相的含量很低 一般在1 3 之间 4 溶胶 凝胶法的基本概念 溶胶与凝胶的结构比较 这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面 5 溶胶 Sol 是由孤立的细小粒子或大分子组成 分散在溶液中的胶体体系 当液相为水时称为水溶胶 Hydrosol 当为醇时称为醇溶胶 alcosol 凝胶 Gel 是一种由细小粒子聚集而成三维网状结构的具有固态特征的胶态体系 凝胶中渗有连续的分散相介质 按分散相介质不同可分为水凝胶 Hydrogel 醇凝胶 alcogel 和气凝胶 aerogel 沉淀物 precipitate 由孤立粒子聚集体组成而区别于凝胶 图1溶胶 凝胶和沉淀物的区分 6 溶胶 凝胶法的基本概念 简单的讲 溶胶 凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体 在液相下将这些原料均匀混合 并进行水解 缩合化学反应 在溶液中形成稳定的透明溶胶体系 溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合 形成三维空间网络结构的凝胶 凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂 凝胶经过干燥 烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料 7 溶胶 凝胶法的基本原理 溶剂化 M H2O nz M H2O n 1 OH z 1 H 水解反应 M OR n xH2O M OH x OR n x xROH M OH n缩聚反应失水缩聚 M OH HO M M O M H2O失醇缩聚 M OR HO M M O M ROH 8 溶胶 凝胶法的基本原理 水解反应机理 9 溶胶 凝胶法的基本原理 缩聚反应机理 10 超临界流体技术是近30年在发达国家中蓬勃发展起来的一门新型化工分离 干燥技术 广泛应用于新型复合材料的制备及材料表面的改性 废水处理 物质的精密分离 有效成分的提取 干燥等涉及材料 化工 医药 食品及化学加工等领域 超临界干燥是在干燥介质临界温度和临界压力的条件下进行干燥 它可以避免物料在干燥过程中的收缩和碎裂 从而保持物料原有的结构与状态 防止初级纳米粒子的团聚 这对于各种纳米材料的制备极具意义 超临界干燥技术 11 传统的干燥方法如室温或加热条件下让溶剂自然挥发或通过减压使溶剂挥发 都不可避免地造成气凝胶的体积逐步收缩 以致开裂碎化 这是因为气凝胶中毛细孔内的流体在气液相交界面上存在着表面张力的缘故 若对于半径为r的圆柱形孔洞 流体表面张力引起的毛细管收缩压强 capillarypressure p为 1 式中的为液体的表面张力 为弯曲液面与固体壁间的湿润角 若考虑弯曲液面为球面 则 1 2 传统干燥方法存在的问题 12 液体的表面张力越大 气凝胶所承受的毛细压力越大 毛细管越细 其收缩压强越大 如半径为15nm的充满乙醇流体的直毛细孔 理论计算所承受的压力为3 03MPa 如此强烈的毛细压力 使被干燥对象间的粒子进一步接触 挤压 收缩和聚集 显然 采用一般的干燥方法难于阻止气凝胶中微粒间的接触 挤压与聚集作用 因而不可能制得具有结构稳定的介孔材料 也不可能由sol gel制得分散性好的纳米级超微材料 13 超临界干燥技术的原理 气 液相变关系 任何一种气体都有一个特定的温度 在此温度以上 不论加入多大压力都不能使气体液化 这个温度就称为临界温度 使该气体在临界温度下液化所需的压力叫临界压力 超临界流体干燥技术是利用液体的超临界现象 即在临界点以上 气液相界面消失 来避免液体的表面张力 这是因为液体的表面张力与温度有如下的关系 14 其中为液体的摩尔体积 为临界绝对温度 为常数 非极性液体的约为2 2 10 7J K 1 当温度接近临界温度时 即时 表面张力趋于零 液 气相界面即消失 15 下图为典型的单元相图SCFD示意图 流体达到超临界状态有两条途径 一是为防止凝胶内流体蒸发 先用惰性气体加压使压强从A升至A 再升温使温度从A 至B点超临界状态 二是向装有凝胶的高压釜内加入同凝胶孔内相同的流体 加热使温度从A至B达到超临界状态 达到超临界状态后 将系统恒温减压 排出溶剂蒸汽 减压至常压D点后可降温至室温 从而能获得结构稳定 粒径分布窄的超微颗粒 超临界干燥过程示意图 16 溶胶 凝胶法常用测试方法 测定前驱物金属醇盐的水解程度 化学定量分析法 测定溶胶的物理性质 粘度 浊度 电动电位 胶粒尺寸大小 准弹性光散射法 电子显微镜观察 溶胶或凝胶在热处理过程中发生的物理化学变化 XRD 中子衍射 DTA TG 反应中官能团及键性质的变化 红外分光光度计 拉曼光谱仪 溶胶 凝胶粒子中的结构 GC MS 固态物体的核磁共振谱测定M O结构状态 17 溶胶 凝胶法的应用 18 溶胶 凝胶法应用 1 铝胶制备及化学机理 boehmite溶胶将1M仲丁醇铝的仲丁醇溶液滴入温度高于80 的去离子水中进行水解 生成boehmite沉淀 加入适量1 6MHNO3 使沉淀胶溶 经老化形成稳定的溶胶 19 溶胶 凝胶法应用 铝胶制备及化学机理 铝盐溶液中 铝离子呈水合状态 即 Al H2O 6 3 由于铝离子的正电荷与配位水分子中氢离子相斥 使氢离子释放出来 水解反应 Al H2O 6 3 Al OH H2O 5 2 H Al OH H2O 5 2 Al OH 2 H2O 4 H Al OH 2 H2O 4 Al OH 3 H2O 3 0 H 溶液的Ph值升高 水解程度增大 20 溶胶 凝胶法应用 铝溶胶制备及化学机理 水解反应生成的沉淀 Al OH 3 H2O 3 0在溶液酸度提高时 能够溶解 变成离子 形成沉淀 胶溶反应 Precipitation Peptization n Al OH 3 H2O 3 0 xHNO3 Al OH 3 H2O 3 nHx x xNO3 胶溶反应中胶核呈正电性 外层吸附了电量相等的负电离子 21 溶胶 凝胶法的应用 2 功能材料中制备粉体材料 22 溶胶 凝胶法的应用 功能材料中制备纤维 23 溶胶 凝胶法的应用 功能材料中制备膜材料 24 溶胶 凝胶法的应用 功能材料中制备单晶 25 溶胶 凝胶法的优势 起始原料是分子级的能制备较均匀的材料较高的纯度组成成分较好控制 尤其适合制备多组分材料可降低程序中的温度具有流变特性 可用于不同用途产品的制备可以控制孔隙度容易制备各种形状 26 溶胶 凝胶法的缺陷 原料成本较高存在残留小孔洞存在残留的碳较长