溶胶凝胶法课件.ppt

《溶胶凝胶法课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《溶胶凝胶法课件.ppt（64页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、关于溶胶凝胶法关于溶胶凝胶法第1页，此课件共64页哦221.胶体（胶体（colloid）：）：是一种分散相粒径很小的分散体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。作用主要是短程作用力。第一节 溶胶凝胶法基本概念一、溶胶-凝胶法基本名词术语Fe(OH)3胶体丁达尔效应示意图光源凸透镜光锥第2页，此课件共64页哦32.溶胶(sol)具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 11000nm粒子(基本单元)溶胶的特点：（1）溶胶不是物质而是一种“状态”第3页，此课件共64页哦4分散相分散介质示例液体固体

2、气体液体固体液体气体气体气体液体液体液体固体固体雾烟泡沫牛乳胶态石墨矿石中的液态夹杂物矿石中的气态夹杂物（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂溶液 分散相+分散介质溶胶(分散系)第4页，此课件共64页哦5（3）溶胶的稳定性u亲液溶胶l 分散相和分散介质之间有很好的亲和能力；l 没有明显的相界面；l 热力学稳定体系u憎液溶胶l 分散相与分散介质之间亲和力较弱；l 有明显的相界面；l 热力学不稳定体系第5页，此课件共64页哦663.凝胶（凝胶（Gel）：）：具有固体特征的胶体体系；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；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；骨架

3、空隙中充有液体或气体；凝胶中分散相的含量很低，一般在凝胶中分散相的含量很低，一般在13之间之间第6页，此课件共64页哦77Sol：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。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。4.溶胶与凝胶的比较第7页，此课件共64页哦8溶胶无固定形状固相粒子自由运动凝胶固定形状固相粒子按一定网架结构固定，不能自由移动这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面溶胶与凝胶的结构差异溶胶与凝胶的结构差异第8页，此课件共64页哦94.凝胶时间(gel point time)：在完成凝胶的大分 子聚合过程中最后键合的

4、时间。5.前驱物(precursor)：所用的起始原料。6.金属醇盐(metal alkoxide)：有机醇-OH上的H为 金属所取代的有机化合物。第9页，此课件共64页哦10二、溶胶与凝胶的联系1)溶胶凝胶转变2)凝胶具有触变性（凝胶能转化为溶胶）3)凝胶和溶胶可共存，组成复杂的胶态体系。第10页，此课件共64页哦1111 3.1 溶胶体系的相互作用力三、溶胶稳定理论范德华力库伦力空间阻力体系的稳定性取决于这三种力之间的平衡第11页，此课件共64页哦1212 微粒间总相互作用能：T=A+R（1）微粒间的吸引能（A）（2）微粒间的排斥作用能（R）（3）微粒间总相互作用能（T）3.2 DLVO理

5、论 （静电稳定理论）第12页，此课件共64页哦13T第一极小第二极小微粒的物理稳定性取决于总势能曲线上势垒的大小。特点：）粒子间存在阻止粒子接触的势垒）存在第一极小值（键合的团聚粒子）存在第二极小值（可逆絮凝）第13页，此课件共64页哦143.3 提高溶胶提高溶胶 稳定性的途径：稳定性的途径：l增加势垒的高度增加势垒的高度l阻止颗粒相互接近阻止颗粒相互接近l增加胶粒的电荷量l利用位阻效应l溶剂化效应 颗粒颗粒第14页，此课件共64页哦1515溶胶的制备溶胶-凝胶转化凝胶干燥q先沉淀后解凝q控制沉淀过程直接获得溶胶q迫使胶粒间相互靠近q控制电解质浓度q加热蒸发q焙烧等一、原理：将金属醇盐或无机盐

6、经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。第二节 溶胶凝胶合成原理第15页，此课件共64页哦1616非常活泼的金属非常活泼的金属M=Li、Na、k、Ca、Sr、Ba，在隋性气氛下直接制备，在隋性气氛下直接制备不活泼金属用催化剂（不活泼金属用催化剂（I2、HgCl2、HgI2）M=Be、Mg、Al、Tl、Sc、Y、Yb2nH2nM(RO)nROHM二、溶胶-凝胶法采用的原料金属醇盐第16页，此课件共64页哦17金属醇盐族金属醇盐实例单金属醇盐ABABABABAB稀土Li，NaCuCa，Sr，BaZnB，Al，CaYSi，GePbP

7、，SbV，TaWLa，NaLiOCH3(s)，NaOCH3(s)Cu(OCH3)2(s)Ca(OCH3)2(s)，Sr(OC2H5)2(s)，Ba(OC2H5)2(s)Zn(OC2H5)2(s)B(OCH3)3(s)，Al(OC3H7)3(s)，Ga(OC2H5)3(s)Y(OC4H9)3Si(OC2H5)4(l)，Ge(OC2H5)4(l)Pb(OC4H9)4(l)P(OCH3)3(l)，Sb(OC2H5)3(l)VO(OC2H5)3(l)，Ta(OC3H7)5(l)W(OC2H5)6(s)La(OC3H7)(s)，Nb(OC2H5)3(s)双金属醇盐La-AlMg-AlNi-AlZr-Al

8、Ba-ZrLaAl(iso-OC3H7)43MgAl(iso-OC3H7)42，MgAl(sec-OC4H9)42NiAl(iso-OC3H7)42(C3H7O)2ZrAl(OC3H7)42BaZr(OC2H5)92第17页，此课件共64页哦18常用的金属醇盐金属元素金属醇盐SiSi(OCH3)4(l)，Si(OC2H5)4(l)，Si(i-OC3H7)4(l)，Si(i-OC4H9)4TiTi(OCH3)4(s)，Ti(OC2H5)4(l)，Ti(i-OC3H7)4(l)，Ti(i-OC4H9)4(l)ZrZr(OCH3)4(s)，Zr(OC2H5)4(s)，Zr(i-OC3H7)4(s)，

9、Zr(i-OC4H9)4(s)AlAl(OCH3)3，Al(OC2H5)3(s)，Al(i-OC3H7)3(s)，Al(i-OC4H9)3(s)第18页，此课件共64页哦19四、溶胶-凝胶法基本反应3.1 溶剂化3.2 水解反应（溶胶）HOHOHMOHMZnzn)1(122)()()(xROHOROHMOxHORMxnxn)()()(2nROHOHMOxHORMnn)()(2第19页，此课件共64页哦20 水解反应第20页，此课件共64页哦213.3 缩聚反应（凝胶）失水反应：失醇反应：OHMOMMOHOHM2ROHMOMMHOORM第21页，此课件共64页哦22缩聚反应第22页，此课件共64

10、页哦23五、金属无机盐、金属醇盐溶胶-凝胶主要反应 金属无机盐在水中水解成胶粒 含胶粒的溶胶经凝胶化后形成凝胶 金属醇盐在溶剂中水解 缩合形成凝胶第23页，此课件共64页哦24六、水金属无机盐溶胶-凝胶反应 6.1 水-金属无机盐体系的水解反应金属无机盐在室温下于过量水中水解，形成溶胶nHOHMOnHMnn)(2第24页，此课件共64页哦25脱水凝胶化：胶粒脱水 扩散层中电解质浓度增加 凝胶化能垒逐渐减小。碱性凝胶化：6.2 水-金属无机盐体系的缩聚反应 调节pH值减少胶粒表面正电荷能垒高度降低第25页，此课件共64页哦267.1 醇-金属醇盐体系的水解反应ROH x ORM(OH)OH x

11、M(OR)x-nx2nROHORORSiORSiOHR)()()(34ROHOHSiROOHHORSiRO183183)()(七、醇-金属醇盐体系溶胶-凝胶反应 第26页，此课件共64页哦27酸催化（亲电取代）H ROH Si(OH)(OR)ROH Si(OR)ROH Si(OR)(OR)Si(OR)H Si(OR)(OR)3H33H332O碱催化（亲核取代）OH ROHOH OROR SiOH(OR)OH Si(OR)(OR)2-33第27页，此课件共64页哦28287.2 醇-金属醇盐体系的缩聚反应 28M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH-M-OH+HO-M-M-O

12、-M-+H2O-M-OH+RO-M-M-O-M-+ROH3344)()()()(OHSiOSiOHOHSiOHSi第28页，此课件共64页哦29【例】醇盐水解法制备TiO2金属醇盐溶胶凝胶干凝胶产品水解缩聚干燥煅烧M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH-M-OH+HO-M-M-O-M-+H2O-M-OH+RO-M-M-O-M-+ROH第29页，此课件共64页哦30A:23ml无水乙醇 20ml钛酸丁脂 B:6 ml无水乙醇2 ml乙酸 1.5ml浓盐酸 3 ml蒸馏水预热到30C 控制在35C-60C之间 123第30页，此课件共64页哦31淡黄色透明冻状溶胶 性能检测黄色

13、干凝胶 静置510min红外灯照射12h80C恒温5h干凝胶粉末 不同温度焙烧第31页，此课件共64页哦32一、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。第三节 溶胶凝胶法制备工艺第32页，此课件共64页哦33醇盐溶胶-凝胶法基本工艺过程示意图金属醇盐、溶剂（甲醇、乙醇等）、水和催化剂（酸或弱碱）溶胶湿凝胶水解缩聚涂层、成纤、成型干燥干凝胶成品热处理陈化第33页，此课件共64页哦34（1）制取含金属醇盐和水的均相溶液原料的选择：l醇盐、无机盐l水l溶剂l催化剂及螯合剂l添加剂第34页，此

14、课件共64页哦35原料种类实例作用金属化合物金属醇盐M(OR)n Si(OC2H5)4、PO(OC2H5)3溶胶-凝胶法最合适的原料，提供金属元素金属乙酰丙酮盐Zn(COCH2COCH3)2 金属醇盐的替代物金属有机酸盐醋酸盐（M(C2H3O2)n）Zn(CH3COO)2、Ba(HCOO)2、草酸盐M(C2O4)n-2金属醇盐的替代物水H2O水解反应的必须原料溶剂甲醇、乙醇、丙醇、丁醇（溶胶-凝胶主要的溶剂）、乙二醇、环氧乙烷、三乙醇胺、二甲苯等（溶解金属化合物）溶解金属化合物，调制均匀溶胶催化剂及螯合剂盐酸、-甲苯磺酸、乙酸、琥珀酸、马来酸、硼酸、硫酸、硝酸、醋酸；氨水、氢氧化钠；EDTA和

15、柠檬酸等金属化合物的水解催化或螯合作用添加剂水解控制剂乙酰丙酮等控制水解速度分散剂聚乙烯醇（PVA）等溶胶分散作用干燥开裂控制剂乙二酸草酸、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧杂环乙烷等防止凝胶开裂第35页，此课件共64页哦36（2）制备溶胶l分散法：研磨、超声分散、胶溶（先沉淀后解凝）l浓缩法：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sol)(OHnHMOHMn洗涤第36页，此课件共64页哦37（3）溶胶凝胶的转化途径决定于胶粒间的作用力能否克服凝聚时的势垒作用l 溶剂挥发l 冷冻法l 加入非溶剂l 加入电解质l 利用化学反应产生不溶物法第37页，此课件共64页哦38（4）湿凝

16、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。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。第38页，此课件共64页哦39（5）湿凝胶体的干燥凝胶的干燥过程：l持续的收缩和硬化l产生应力l破裂u干燥初期，液相填充于凝胶孔中，无毛细管力；u进一步蒸发,凝胶承受毛细管压力,将颗粒挤 压在一起；u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。第39页，此课件共64页哦40凝胶开裂的诱因：毛细管作用力减少凝胶开裂的途径：l(1)减小液相的表面张力；l(2)使凝胶表面疏水

17、；l(3)增强凝胶的机械强度；l(4)采用汽液界面消失的超临界干燥；l(5)采用冷冻干燥法蒸发溶剂。第40页，此课件共64页哦l保持凝胶原先的分散结构l避免粒子的团聚和凝并l防止材料基础粒子变粗l防止比表面急剧下降l防止孔隙大量减少超临界干燥技术在超临界状态下的流体，气-液界面消失，表面张力不复存在，凝胶毛细孔中不存在由表面张力产生的附加压力第41页，此课件共64页哦42冷冻干燥技术冷冻干燥技术基本原理：基本原理：先使干燥的溶液喷雾在冷冻剂中冷冻，然后在低温先使干燥的溶液喷雾在冷冻剂中冷冻，然后在低温低压下真空干燥，将溶剂升华除去，得到相应物质低压下真空干燥，将溶剂升华除去，得到相应物质第42

18、页，此课件共64页哦43（6）凝胶体烧结过程 目的：l消除干凝胶中的气孔l满足组成和显微结构的要求特点：l较低的烧结温度第43页，此课件共64页哦442.1 加水量的影响加水量的多少用摩尔数比R=H2O：M(OR)表示l加水量少，醇盐分子被水解的烷氧基团少，水解 的醇盐分子间的缩聚易形成低交联度的产物；l加水量多，易于形成高度交联的产物二、溶胶-凝胶法的工艺控制第44页，此课件共64页哦45l加水量与所制备的溶胶的粘度和胶凝时间有关。当所用的加水量都超过化学计量水量，随R的增大，胶体的粘度下降，且凝胶时间延长。l粉体的晶粒尺寸随加水量的增多而增大，比表面 积则在某加水量处有一个极大值。第45页

19、，此课件共64页哦462.2 醇盐品种及其浓度的影响1）同一种元素的不同醇盐的水解速率不同 有机基团越大，分子量越大，相应的分解速率 越小。Si(OCH3)4(液体)Si(OC2H5)4(液体)Si(OC3H7)4(液体)Si(OC4H9)42）在制备多组分氧化物溶胶时，不同元素醇盐的 水解活性不同 选择合适的醇盐品种，可使它们的水解速率达到较好 的匹配，从而保证溶胶的均匀性。第46页，此课件共64页哦473）起始溶液中的醇盐浓度必须保持适当作为溶剂的醇加入量过多时，将导致醇盐浓度的下降，使已水解的醇盐分子之间的碰撞几率下降，将会延长凝胶的胶凝时间；醇的加入量过少，醇盐浓度过高，水解缩聚产物浓

20、度过高，容易引起粒子的聚集或沉淀。第47页，此课件共64页哦482.3 pH值的影响（催化剂的类型与用量）1）为调整溶胶的pH值而加入的酸或碱实际上起 催化剂的作用；2）具有不同的催化机理；3）水解产物的结构和形态不同；第48页，此课件共64页哦492.4 温度的影响1）温度升高，缩短溶胶和凝胶的制备时间2）温度升高，溶胶不稳定2.5 滴加速度1）速度过快，凝胶加快，易生成沉淀第49页，此课件共64页哦50（1）制备过程温度低（2）增进了多元组分体系的化学均匀性（3）反应过程易于控制（4）化学计量准确且易于改性（5）制备的材料组分均匀、产物的纯度很高（6）可以得到一些用传统方法无法获得的材料

21、（薄膜、纤维、复合材料）三、溶胶-凝胶法的特点第50页，此课件共64页哦51缺点：缺点：原料成本较高原料成本较高存在残留小孔洞存在残留小孔洞存在残留的碳存在残留的碳较长的反应时间较长的反应时间有机溶剂对人体有一定的危害性有机溶剂对人体有一定的危害性溶胶无固定形状溶胶无固定形状51第51页，此课件共64页哦5252前驱体溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层、薄膜气凝胶多孔材料干凝胶致密块体第四节 溶胶凝胶法的应用第52页，此课件共64页哦5353一、制备粉体材料一、制备粉体材料La2O3La(NO3)3溶液HNO3Fe(NO3)3.6H2OFe(NO3)3溶液La:Fe=1:1柠檬酸LaFeO3的超细粉末

22、 10100nmLa3+、Fe3+的柠檬酸溶液5080含La3+、Fe3+的凝胶含La3+、Fe3+的溶胶6090干凝胶热处理120第53页，此课件共64页哦5454Si(OCH3)4C2H5OHH2O,HClC2H5OHNdCl3.6H2O混合溶液凝胶纤维铷玻璃纤维粘性溶胶搅拌（室温）放置、脱水（室温8 0）拉纤维（室温）加热（10/h）500 1h，冷却至室温二、功能材料中制备纤维第54页，此课件共64页哦55工艺流程金属醇盐加入水、溶剂和催化剂（酸）搅拌溶胶控 制 温 度，水解粘稠纺丝液聚合拉丝凝胶纤维热处理无机纤维采用溶胶-凝胶法制备无机纤维工艺流程第55页，此课件共64页哦56纤维组

23、成起始原料制备方法是否有市售SiO2 金属醇盐连续有TiO2金属醇盐不连续ZrO2金属醇盐，无机化合物不连续Al2O3金属醇盐，无机化合物不连续有ZrO2:CaO金属醇盐，无机化合物不连续ZrO2:Y2O3金属醇盐，无机化合物不连续SiC金属醇盐，无机化合物连续，不连续有TiC金属醇盐，无机化合物不连续SiO2-ZrO2金属醇盐，无机化合物不连续SiO2-TiO2金属醇盐，无机化合物不连续SiO2-Al2O3金属醇盐，无机化合物不连续溶胶-凝胶法制备的纤维材料第56页，此课件共64页哦57SiO2-ZrO2-Na2O金属醇盐，无机化合物不连续SiO2-Al2O3-Y2O3金属醇盐，无机化合物不

24、连续SiO2-Al2O3-B2O3金属醇盐，无机化合物连续有BaTiO3金属醇盐，无机化合物不连续PbTiO3金属醇盐，无机化合物不连续LiNbO3金属醇盐，无机化合物不连续Si3N4O金属醇盐，无机化合物不连续TiN金属醇盐，无机化合物不连续Bi-Pb-Sr-Ca-Cn-O金属醇盐，无机化合物不连续YBaCuO金属醇盐，无机化合物不连续第57页，此课件共64页哦5858Nd(NO3)3.6H2OH2O,HClC2H5OHC2H5OHSi(OCH3)4混合溶液粘性溶胶包覆膜保持24h，室温包覆Nd.SiO2膜加热1h三、制备膜材料三、制备膜材料第58页，此课件共64页哦59四、溶胶-凝胶法制备

25、块体材料 体积材料：一般是指厚度超过1mm的材料。溶胶凝胶干凝胶块烧结体积材料注模陈化干燥脱水制备块体材料的典型溶胶-凝胶工艺流程第59页，此课件共64页哦60【例】溶胶-凝胶法制备SiO2玻璃（一）前驱体溶液的制备 1.制备溶胶：将Si(OC2H5)4(简称TEOS)、C2H5OH、和HCl等混合，在一定温度下强烈搅拌；2.注模：制备溶胶后，将上述溶液放入内径40mm，长250mm的用聚甲基戊烯制备的试管中密封，于35的干燥器中放置。OHHCOHSiOHHOCSi52424524)(4)(第60页，此课件共64页哦61（二）凝胶化转变过程与凝胶结构将上述溶胶在48小时内加热使温度由35升到8

26、0，会得到柔软湿润的凝胶体。3344)()()()(OHSiOSiOHOHSiOHSiOHOHOSiSiOSiSiOHOOHSiOHSiOSiOH233334336)()()(6)()(Si(OC2H5)4C2H5OHH2OHClSi凝胶的三维网络结构示意图第61页，此课件共64页哦62凝胶化转变的影响因素（1）pH值对凝胶化转变时间的影响1.01.52.02.53.020406080100120140凝胶化时 间/hpH体系pH与胶凝时间的关系曲线第62页，此课件共64页哦63（2）TEOS浓度对凝胶化转变时间的影响（3）体系温度对凝胶化转变时间的影响051015202530354045300400500600700800凝胶化时 间/hH2O/TEOS/摩尔比硅酸乙酯浓度与体系胶凝时间的关系曲线3035404550556020406080100120140凝胶化时 间/h温度/C 体系温度与体系胶凝时间的关系曲线第63页，此课件共64页哦感谢大家观看第64页，此课件共64页哦