溶膠-凝膠原理與技術(shù)內(nèi)容簡(jiǎn)介

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(wú)機(jī)復(fù)合材料/5199212" data-lemmaid="5199212">無(wú)機(jī)復(fù)合材料的工藝方法；第10章介紹計(jì)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(yǔ)

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(guò)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(wèn)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(guò)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(rùn)凝膠體的干燥過(guò)程變化

4.4 凝膠體燒結(jié)過(guò)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(wú)機(jī)復(fù)合材料

10 溶膠一凝膠工藝及結(jié)構(gòu)的計(jì)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(guò)程及產(chǎn)品的分析測(cè)量方法 2100433B

1、溶膠的制備

將金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽經(jīng)過(guò)水解、縮合反應(yīng)形成溶膠，或經(jīng)過(guò)解凝形成溶膠，該過(guò)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(jì)量關(guān)系所需要的消耗量時(shí)，隨著水量的增加，溶膠的時(shí)間會(huì)逐漸縮短，超過(guò)化學(xué)計(jì)量關(guān)系所需量時(shí)，溶膠時(shí)間又會(huì)逐漸增長(zhǎng)，這是因?yàn)槿艏尤胨可贂r(shí)，醇鹽水解速度較慢而延長(zhǎng)了溶膠時(shí)間；若加水量大于化學(xué)計(jì)量，溶液相對(duì)稀釋，溶液粘度下降而使成膠難，按化學(xué)計(jì)量加入時(shí)，成膠的質(zhì)量好，而且成膠時(shí)間相對(duì)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(shí)，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(shí)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(guò)快而聚合膠凝生成沉淀，同時(shí)一部分溶膠液未發(fā)生水解最后導(dǎo)致無(wú)法獲得均一的凝膠，所以在反應(yīng)時(shí)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(duì)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(shí)，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(kāi)始，因此縮聚物交聯(lián)度低；pH較大時(shí)，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(dòng)能增加，碰撞幾率也增大，聚合速率快，從而導(dǎo)致溶膠時(shí)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(huì)導(dǎo)致生成的溶膠相對(duì)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(dòng)性的溶膠通過(guò)進(jìn)一步縮聚反應(yīng)形成不能流動(dòng)的凝膠體系。經(jīng)縮聚反應(yīng)形成的溶膠溶液在陳化時(shí)，聚合物進(jìn)一步聚集長(zhǎng)大成為小粒子簇，它們相互碰撞連接成大粒子簇，同時(shí)，液相被包于固相骨架中失去流動(dòng)，形成凝膠。陳化形成凝膠過(guò)程中，會(huì)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(shí)間過(guò)短，顆粒尺寸反而不均勻；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，粒子長(zhǎng)大、團(tuán)聚，不易形成超細(xì)結(jié)構(gòu)，由此可見(jiàn)，陳化時(shí)間的選擇對(duì)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(guò)干燥除去，得到干凝膠膜。因干燥過(guò)程體積收縮，很易導(dǎo)致干凝膠膜的開(kāi)裂，導(dǎo)致開(kāi)裂的應(yīng)力主要來(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)程中速度不宜太快，因?yàn)闊崽幚磉^(guò)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(shí)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(guò)程機(jī)制主要分成三種類型：

（1）傳統(tǒng)膠體型。通過(guò)控制溶液中金屬離子的沉淀過(guò)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(guò)蒸發(fā)得到凝膠。

（2）無(wú)機(jī)聚合物型。通過(guò)可溶性聚合物在水中或有機(jī)相中的溶膠過(guò)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(guò)絡(luò)合劑將金屬離子形成絡(luò)合物，再經(jīng)過(guò)溶膠．凝膠過(guò)程成絡(luò)合物凝膠 。

1846年，法國(guó)化學(xué)家J.J.Ebelmen發(fā)現(xiàn)正硅酸酯在空氣中水解時(shí)會(huì)形成凝膠，從而開(kāi)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(guò)這種先驅(qū)體的水解與縮醇化反應(yīng)形成溶膠，最后通過(guò)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(wú)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(guò)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 。