溶膠-凝膠原理與技術(shù)

1 溶膠一凝膠法的基本概念和特點(diǎn)

1.1 溶膠一凝膠法基本名詞術(shù)語

1.2 溶膠一凝膠法的基本概念

1.3 溶膠一凝膠技術(shù)發(fā)展的基本歷程

1.4 溶膠一凝膠法的應(yīng)用領(lǐng)域

1.5 溶膠一凝膠法的基本過程

1.6 溶膠一凝膠法的特點(diǎn)

1.7 溶膠一凝膠技術(shù)存在的問題與發(fā)展方向

習(xí)題

參考文獻(xiàn)

2 溶膠與凝膠的基本物理化學(xué)特性

2.1 溶膠的基本物理化學(xué)特性

2.2 凝膠的基本物理化學(xué)特性

習(xí)題

參考文獻(xiàn)

3 溶膠一凝膠法采用的原料

3.1 溶膠一凝膠法采用的原料分類及作用

3.2 溶膠一凝膠法采用的金屬醇鹽

習(xí)題

參考文獻(xiàn)

4 溶膠一凝膠過程的主要反應(yīng)

4.1 前驅(qū)體溶液的水解反應(yīng)

4.2 溶膠的縮聚反應(yīng)

4.3 潤凝膠體的干燥過程變化

4.4 凝膠體燒結(jié)過程的變化

習(xí)題

參考文獻(xiàn)

5 溶膠一凝膠法制備塊體材料

5.1 溶膠一凝膠法制備SiO2玻璃

5.2 溶膠一凝膠法制備其他氧化物塊體及玻璃陶瓷材料

5.3 溶膠一凝膠法制備其他氧化物塊體及玻璃陶瓷材料

習(xí)題

參考文獻(xiàn)

6 溶膠一凝膠法制備的纖維材料

……

7 溶膠一凝膠法制備薄膜及涂層材料

8 溶膠一凝膠法制備納米粉體

9 溶膠一凝膠法制備有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料

10 溶膠一凝膠工藝及結(jié)構(gòu)的計算機(jī)模擬

11 已經(jīng)實(shí)用的溶膠一凝膠法產(chǎn)品介紹

12 溶膠一凝膠過程及產(chǎn)品的分析測量方法 2100433B

全書共12章，第1～4章介紹溶膠"_blank" href="/item/薄膜材料/1019347" data-lemmaid="1019347">薄膜材料、納米粉體和有機(jī)"_blank" href="/item/無機(jī)復(fù)合材料/5199212" data-lemmaid="5199212">無機(jī)復(fù)合材料的工藝方法；第10章介紹計算機(jī)模擬情況；第11章介紹已實(shí)用的相關(guān)產(chǎn)品；第12章介紹溶膠"para" label-module="para">

本書適合作為本科生、碩士生及博士生教材及參考書使用，也可作為從事材料科學(xué)研究的科技人員、研究院的研究人員以及工廠企業(yè)的相關(guān)從業(yè)人員參考使用。

1、溶膠的制備

將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)過水解、縮合反應(yīng)形成溶膠，或經(jīng)過解凝形成溶膠，該過程的主要影響因素有水的加入量、pH、滴加速度、反應(yīng)溫度等因素。

（1）水的加入量

水的加入量低于按化學(xué)計量關(guān)系所需要的消耗量時，隨著水量的增加，溶膠的時間會逐漸縮短，超過化學(xué)計量關(guān)系所需量時，溶膠時間又會逐漸增長，這是因?yàn)槿艏尤胨可贂r，醇鹽水解速度較慢而延長了溶膠時間；若加水量大于化學(xué)計量，溶液相對稀釋，溶液粘度下降而使成膠難，按化學(xué)計量加入時，成膠的質(zhì)量好，而且成膠時間相對短。

（2）滴加速率

醇鹽易吸收空氣中的水水解凝固，因此在滴加醇鹽醇溶液時，其他因素一致情況下觀察滴加速率，發(fā)現(xiàn)滴加速率明顯影響溶膠時間，滴加速率越快，凝膠速度也快，但速度快易造成局部水解過快而聚合膠凝生成沉淀，同時一部分溶膠液未發(fā)生水解最后導(dǎo)致無法獲得均一的凝膠，所以在反應(yīng)時還應(yīng)輔以均勻攪拌，以保證得到均一的凝膠。

（3）反應(yīng)液的pH

反應(yīng)液的pH不同，其反應(yīng)機(jī)理不同，因而對同一種金屬醇鹽的水解縮聚，往往產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、形態(tài)不同的縮聚。研究表明，pH較小時，縮聚反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水解反應(yīng)，水解由H 的親電機(jī)理引起，縮聚反應(yīng)在完全水解前已經(jīng)開始，因此縮聚物交聯(lián)度低；pH較大時，體系的水解反應(yīng)體系由[OH^-]的親核取代引起，水解速度大于親核速度，形成大分子聚合物，有較高的交聯(lián)度，可按具體要生產(chǎn)的材料要求選擇適宜的酸堿催化劑。

（4）反應(yīng)溫度

溫度升高，水解速率相應(yīng)增大，膠粒分子動能增加，碰撞幾率也增大，聚合速率快，從而導(dǎo)致溶膠時間縮短；另一方面，較高溫度下溶劑醇的揮發(fā)也加快，相當(dāng)于增加了反應(yīng)物濃度，也在一定程度上加快了溶膠速率，但溫度升高也會導(dǎo)致生成的溶膠相對不穩(wěn)定，且易生成多種產(chǎn)物的水解產(chǎn)物聚合。因此，在保證生成溶膠的情況下，盡可能在較低溫度下進(jìn)行，多以室溫條件進(jìn)行。

2、凝膠化

具流動性的溶膠通過進(jìn)一步縮聚反應(yīng)形成不能流動的凝膠體系。經(jīng)縮聚反應(yīng)形成的溶膠溶液在陳化時，聚合物進(jìn)一步聚集長大成為小粒子簇，它們相互碰撞連接成大粒子簇，同時，液相被包于固相骨架中失去流動，形成凝膠。陳化形成凝膠過程中，會發(fā)生Ostward熟化，即大小粒子因溶解度的不同而造成平均粒徑的增加。陳化時間過短，顆粒尺寸反而不均勻；時間過長，粒子長大、團(tuán)聚，不易形成超細(xì)結(jié)構(gòu)，由此可見，陳化時間的選擇對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)非常重要。

3、凝膠的干燥

1）一般干燥

目的是把濕凝膠膜包裹的大量溶劑和水通過干燥除去，得到干凝膠膜。因干燥過程體積收縮，很易導(dǎo)致干凝膠膜的開裂，導(dǎo)致開裂的應(yīng)力主要來源于毛細(xì)管力，而該力又是因充填于凝膠骨架孔隙中的液體的表面張力所引起的。因此干燥過程中應(yīng)注意在減少毛細(xì)管力和增強(qiáng)固相骨架這二方面入手。干燥方法主要有以下兩種：

(1)控制干燥，即在溶膠制備中，加入控制干燥的化學(xué)添加劑，如甲酰胺、草酸等。由于它們的低蒸汽壓、低揮發(fā)性，能把不同孔徑中的醇溶劑的不均勻蒸發(fā)大大減少，從而減小干燥應(yīng)力，避免干凝膠的開裂。

(2)超臨界干燥，即將濕凝膠中的有機(jī)溶劑和水加熱加壓到超過臨界溫度、臨界壓力，則系統(tǒng)中的液氣界面將消失，凝膠中毛細(xì)管力也不復(fù)存在，從而從根本上消除導(dǎo)致凝膠開裂應(yīng)力的產(chǎn)生。

2）熱處理

進(jìn)一步熱處理，消除干凝膠的氣孔，使其致密化，并使制品的相組成和顯微結(jié)構(gòu)能滿足產(chǎn)品性能的要求。在加熱過程中，須先在低溫下脫去干凝膠吸附在表面的水和醇，在升溫過程中速度不宜太快，因?yàn)闊崽幚磉^程中伴隨較大的體積收縮、各種氣體的釋放(二氧化碳、水、醇)，且須避免發(fā)生炭化而在制品中留下炭質(zhì)顆粒(-OR基在非充分氧化時可能炭化)。熱處理的設(shè)備主要有：真空爐、干燥箱等。

溶膠-凝膠法按產(chǎn)生溶膠凝膠過程機(jī)制主要分成三種類型：

（1）傳統(tǒng)膠體型。通過控制溶液中金屬離子的沉淀過程，使形成的顆粒不團(tuán)聚成大顆粒而沉淀得到穩(wěn)定均勻的溶膠，再經(jīng)過蒸發(fā)得到凝膠。

（2）無機(jī)聚合物型。通過可溶性聚合物在水中或有機(jī)相中的溶膠過程，使金屬離子均勻分散到其凝膠中。常用的聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸等。

（3）絡(luò)合物型。通過絡(luò)合劑將金屬離子形成絡(luò)合物，再經(jīng)過溶膠．凝膠過程成絡(luò)合物凝膠 。

1846年，法國化學(xué)家J.J.Ebelmen發(fā)現(xiàn)正硅酸酯在空氣中水解時會形成凝膠，從而開創(chuàng)了溶膠-凝膠（Sol—Gel）化學(xué)的新紀(jì)元。所謂溶膠-凝膠法是以金屬烷氧化物為先驅(qū)體，通過這種先驅(qū)體的水解與縮醇化反應(yīng)形成溶膠，最后通過縮聚反應(yīng)形成凝膠制品的一種方法。這是一種制備金屬氧化物材料的濕化學(xué)方法。由于該法在制備高分散性多組分材料（如多組分陶瓷、有機(jī)一無機(jī)雜化材料）方面所具有的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以溶膠-凝膠化學(xué)，特別是過渡金屬醇鹽的溶膠一凝膠化學(xué)受到研究人員的廣泛重視 。