什么是溶膠凝膠法
什么是溶膠凝膠法
科普目錄
一、溶膠凝膠技術(shù)簡(jiǎn)介及發(fā)展
二、在制備納米粉體中的應(yīng)用
三、在制備納米薄膜中的應(yīng)用
四、在制備納米結(jié)構(gòu)纖維材料中的應(yīng)用
五、總結(jié)及展望
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目錄一
溶膠凝膠技術(shù)簡(jiǎn)介及發(fā)展
溶膠（Sol）
又稱膠體溶液
是具有液體特征的膠體體系
分散的是固體或者大分子
分散的粒子大小在1-100nm之間
溶膠不是物質(zhì)而是一種「狀態(tài)」
凝膠（Gel）
亦稱凍膠
是溶膠失去流動(dòng)性后
一種富含液態(tài)的半固態(tài)物質(zhì)
其中液體含量有時(shí)可高達(dá)99.5%
固體粒子（膠體顆粒或者高聚物分子）相互交聯(lián)
形成連續(xù)不斷的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)
溶膠-凝膠（Sol-Gel）技術(shù)
溶膠凝膠是一種由金屬有機(jī)化合物、
金屬無(wú)機(jī)化合物或者上述兩者混合物
經(jīng)過水解縮聚過程
逐漸凝膠化及相應(yīng)的后處理
而獲得的氧化物或其他化合物的工藝
溶膠-凝膠（Sol-Gel）技術(shù)的發(fā)展
1984年
1939年
1971年
20世紀(jì)80年代至今
溶膠-凝膠（Sol-Gel）法
是制備材料的化學(xué)方法中一種重要方法
包括化學(xué)沉淀法、水熱法、微乳液法等
也被稱為制備固體材料的四種主要方法之一
溶膠-凝膠（Sol-Gel）技術(shù)工藝流程
水熱法合成 IBN-9
在45°下
將0.067g CTAB 溶解于32 ml 的氨水溶液
隨后加入0.9 ml 的正丁醇
靜態(tài)狀態(tài)下逐滴滴加0.312g TEOS
改混合物在45°陳化24小時(shí)
反應(yīng)釜中100攝氏度下再處理24小時(shí)
抽濾、洗滌得到固體粉末
550攝氏度、空氣中煅燒6小時(shí)得到*后的產(chǎn)物
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目錄二
在制備納米粉體中的應(yīng)用
基本類型
分類標(biāo)準(zhǔn)：原料和機(jī)理的不同劃分
傳統(tǒng)膠體溶膠-凝膠法
先將膠質(zhì)顆粒（直徑一般為1-100nm）
分散在液體介質(zhì)中形成溶膠
然后通過蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為凝膠
凝膠化作用由溶膠中的膠質(zhì)顆粒之間的靜電
或空間相互作用控制
靜電作用
溶膠體系中
由于靜電引力的存在會(huì)使溶液中的反離子
向顆粒表面靠攏，并排斥同離子
固體表面電荷與溶液中反電荷形成了雙電層結(jié)構(gòu)
被吸附的離子與固體表面結(jié)合牢固
固體和液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)
固體帶動(dòng)部分反離子一起滑動(dòng)
金屬有機(jī)化合物聚合凝膠法
1、金屬醇鹽水解法
金屬有機(jī)化合物溶解在合適的溶劑中
發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)
如水解、縮聚和聚合
形成連續(xù)的無(wú)機(jī)網(wǎng)絡(luò)凝膠
是目前溶膠凝膠技術(shù)*為常用的方法
2、金屬螯合凝膠法
通過可溶性螯合物的形成
減少前驅(qū)液中的自由離子
在制備前驅(qū)液時(shí)添加強(qiáng)螯合劑
例如，檸檬酸和 EDTA
再通過控制一系列實(shí)驗(yàn)條件
如，溶液的 PH 值、溫度和濃度等
移去溶劑將發(fā)生凝膠化
有機(jī)聚合玻璃凝膠法
1、原位聚合法
有機(jī)單體聚合形成
不斷生長(zhǎng)的剛性有機(jī)聚合網(wǎng)絡(luò)
包圍穩(wěn)定的金屬螯合物
從而減弱各不同金屬離子的差異性
減少各金屬在高溫分解過程中的偏析
典型代表 Pechini 法的基本原理是
羧酸和醇的酯化
由金屬螯合物之間利用a-羥基羧酸和多羥基醇的
聚酯作用形成聚合物
2、聚合物前驅(qū)液法
首先在含水的金屬鹽溶液中加入
水溶性聚合物
*常用的是聚乙烯醇（PVA）
聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯亞胺（PEI）
它們都是陽(yáng)離子的配位有機(jī)聚合物
將大大改變?cè)膀?qū)液的流變性能
而后金屬離子將充當(dāng)聚合物之間的交聯(lián)劑
聚合鏈間的隨機(jī)交聯(lián)
把水圍在生長(zhǎng)著的三維網(wǎng)絡(luò)中
使系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z
工藝制備過程
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目錄三
在制備納米薄膜中的應(yīng)用
優(yōu)點(diǎn)
1、用基片浸漬溶膠后熱處理的簡(jiǎn)單方法
即可制備薄膜，設(shè)備簡(jiǎn)單
2、反應(yīng)在溶液中進(jìn)行，均勻度高
多組分均勻度可達(dá)分子或原子級(jí)
3、對(duì)襯底的大小和形狀要求較低
4、后處理溫度低，在遠(yuǎn)低于陶瓷燒結(jié)
或玻璃融化的溫度下進(jìn)行熱處理即可獲得
5、對(duì)多元組分薄膜，幾種有機(jī)物互溶性好
溶膠-凝膠法制備方法
1、醇鹽法制備薄膜
反應(yīng)體系包含
金屬醇鹽、溶劑（甲醇、乙醇等）、水
催化劑（酸、弱堿）
水解速度控制劑（乙酰丙酮等）
成膜控制劑（PVA、DMF 及聚乙二醇等）
2、非醇鹽法制備薄膜
反應(yīng)體系的確定主要考慮以下幾個(gè)因素
以燒結(jié)陶瓷主成分為依據(jù)選擇相應(yīng)的無(wú)機(jī)前驅(qū)體
合成初期的化學(xué)現(xiàn)象具有代表性
涉及單組分和多組分氧化物
工藝流程圖
應(yīng)用
常用薄膜涂覆工藝
浸漬提拉法
旋轉(zhuǎn)涂覆法
流動(dòng)涂膜技術(shù)
滾動(dòng)/照相凹版涂鍍技術(shù)
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目錄四
在制備納米結(jié)構(gòu)纖維材料中的應(yīng)用
納米纖維
廣義上指材料在空間兩個(gè)維度上
尺寸為納米尺度
如，納米絲、納米棒、納米管等
納米纖維制備方法
拉伸、模板聚合、相分離、自組織
海島型雙組分復(fù)合紡絲、靜電紡絲
分子噴絲板紡絲法等
其中靜電紡絲技術(shù)是*成熟、能夠直接、連續(xù)
制備聚合物納米纖維
靜電紡絲技術(shù)
聚合物溶液或者溶體
在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行噴射*終固化成纖維
相對(duì)于常規(guī)技術(shù)的織物
由靜電紡纖維構(gòu)成的無(wú)紡織物具有大的比表面積
以及纖維表面具有小孔等特殊形態(tài)
這樣的特性使得該纖維在組織工程、過濾、超敏感傳感器等方面
有很大的潛在應(yīng)用前景
工藝流程
納米纖維應(yīng)用
由于具有低密度、高孔隙度、大的比表面積
柔順性好、力學(xué)性能優(yōu)良等等特點(diǎn)
在防護(hù)服、仿生材料、光電材料、聲學(xué)材料、細(xì)胞載體和航天航空等領(lǐng)域
有著巨大的應(yīng)用潛力
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目錄五
總結(jié)和展望
前景
溶膠-凝膠技術(shù)以其多種優(yōu)點(diǎn)及高度靈活性
從而在膜的制備、色分析、光分析
電分析、納米材料的制備
生物雜化材料及復(fù)材料的制備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景
不足
原料價(jià)格較高
工藝時(shí)間較長(zhǎng)等
展望
整體上來(lái)說
此領(lǐng)域尚屬起步階段
研究不夠深入
許多基礎(chǔ)理論應(yīng)用方面尚待進(jìn)一步完善
隨著各種性能應(yīng)用技術(shù)的研究日益深入
溶膠-凝膠技術(shù)
必將在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮它越來(lái)越大的作用
