溶胶-凝胶法制备纳米材料

溶胶-凝胶法制备纳米材料,郭雨王姣张聪,1.溶胶凝胶法的基本原理,1.溶胶(sol),具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了1100nm粒子(基本单元)。将一种或几种盐均匀分散在一种溶剂中，使它们成为透明状的胶体，即成溶胶(sol)。,（1）溶胶不是物质而是一种“状态”,1.溶胶凝胶法的基本原理,2.凝胶（Gel）,A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；B凝胶中分散相的含量很低，一般在13之间将溶胶在一定条件下（温度、酸碱度等）进行老化处理，得到透明状的冻状物即称凝胶(gel)。,按分散相介质不同可分为水凝胶、醇凝胶和气凝胶,1.溶胶凝胶法的基本原理,Sol：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。无固定形状固相粒子自由运动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。有固定形状固相粒子按一定网架结构固定，不能自由移动,1.溶胶凝胶法的基本原理,合成原理,1金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶2溶胶聚合凝胶化，3凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料,控制沉淀过程直接获得溶胶先沉淀后解凝,使胶粒间相互靠近控制电解质浓度,加热蒸发焙烧,1.溶胶凝胶法的基本原理,制备纳米材料的溶胶凝胶法类型和特征,1.溶胶凝胶法的基本原理,溶胶-凝胶法基本反应,1溶剂化,2水解反应（溶胶）,3缩聚反应（凝胶）失水反应：失醇反应：,2.溶胶-凝胶法的工艺过程,溶胶凝胶工艺流程,（1）制取含金属醇盐和水的均相溶液；（2）制备溶胶；（3）溶胶-凝胶转化（4）湿凝胶陈化；（5）凝胶的干燥；（6）对干凝结胶进行热处理,2.溶胶-凝胶法的工艺过程,1制取含金属醇盐和水的均相溶液,2.溶胶-凝胶法的工艺过程,制备溶胶,1分散法：研磨：胶体磨超声分散：利用“超声空化”作用对粒子进行分散胶溶：先沉淀后解凝,2.溶胶-凝胶法的工艺过程,制备溶胶,2浓缩法化学反应法：控制胶粒慢速成核和晶体生长，控制沉淀过程直接获得溶胶。改换介质法：利用同种物质在不同溶剂中的溶解度差，使溶解于良性溶剂中的物质在加入不良溶剂后，因溶解度下降而以胶体粒子的大小析出。,2.溶胶-凝胶法的工艺过程,溶胶凝胶的转化途径,改变温度：溶解度的差异溶剂挥发：对分散相进行浓缩加入非溶剂：用不良溶剂替换良溶剂加入电解质：加入带有反号电荷的电解质进行化学反应：产生交联反应产生胶凝,决定于胶粒间的作用力能否克服凝聚时的势垒作用,2.溶胶-凝胶法的工艺过程,湿凝胶陈化,聚合物聚集形成粒子簇的过程。Ostward熟化：凝胶在陈化的过程中，粒子的曲率半径不同，溶解度产生区别，使得大小粒子因溶解度的不同而造成平均粒径的增加。陈化时间过短，颗粒尺寸分布不均匀时间过长，粒子长大、团聚，不易形成超细结构,2.溶胶-凝胶法的工艺过程,湿凝胶体的干燥,凝胶的干燥过程：持续的收缩和硬化产生应力破裂干燥初期，液相填充于凝胶孔中，无毛细管力；进一步蒸发,凝胶承受毛细管压力,将颗粒挤压在一起；凝胶中毛细孔孔径大小不匀,产生的毛细管压力的大小不等,造成的应力差导致凝胶开裂。,2.溶胶-凝胶法的工艺过程,凝胶体烧结,目的：消除干凝胶中的气孔满足组成和显微结构的要求特点：较低的烧结温度,3.溶胶-凝胶法优缺点,优点,1)所用原料首先被分散在溶剂中而形成低粘度的溶胶，因此，可以在很短的时间内获得分子水平上的均匀性，形成凝胶。2)与固相反应相比，溶胶凝胶法属于液相化学反应仅需要较低的合成温度，一般认为，溶胶凝胶体系中组分的扩散是在纳米范围内。3)制品微粒的粒径小、均匀度较高、纯度高、烧结温度低，同一原料改变工艺过程即可获得不同的产物，尤其对多组分材料的制备，反应过程易于控制。4)不需要外加能量，污染少。,3.溶胶-凝胶法优缺点,缺点,1)原料大多数是有机化合物所以成本较高，而且有机溶剂一般对人体有伤害；2)存在残留小孔洞；3)热处理时温度处理不当，可能会导致残留的碳；4)较长的反应时间，有时长达12月；5)制品易产生开裂,这是由于凝胶中液体量大,干燥时产生收缩引起；6)若烧成不够完善，制品中会残留细孔及C，后者使制品带黑色。,4.在制备材料方面的的应用,纤维材料,当分子前驱体经化学反应形成类线性无机聚合物络合物间呈类线性缔合时，使体系粘度不断提高，当粘度值达10100Pas时，通过挑丝法可从凝胶中拉制成凝胶纤维，经热处理后可转变成相应玻璃或陶瓷纤维。近年来，溶胶-凝胶法在制备ABO3钙钛矿型钛酸盐系列陶瓷纤维中已得到广泛应用，钛酸锆铅(PZT)等。,方向，工艺过程：溶胶制备基材预备涂膜干燥热处理，目前应用已经制备出光学膜、波导膜、着色膜、电光效应膜、分离膜、保护膜等。,4.在制备材料方面的的应用,2超细粉末,运用溶胶-凝胶法，将所需成分的前驱物配制成混合溶液，形成溶胶后，继续加热使