溶胶-凝胶原理及技术ppt课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,.,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,溶胶,-,凝胶技术原理及其应用,主讲：曹丽云,The mechanism and application of Sol-Gel technique,.,第一章 溶胶,-,凝胶法的基本概念和特点,第二章 溶胶,-,凝胶法采用的原料,第三章 溶胶,-,凝胶过程的主要反应,第四章 溶胶,-,凝胶法制备块体材料,第五章 溶胶,-,凝胶法制备的纤维材料,第六章 溶胶,-,凝胶法制备纳米粉体,第七章 溶胶,-,凝胶法制备有机,-,无机复合材料,第八章 溶胶,-,凝胶法制备薄膜及涂层材料,.,第一章 溶胶,-,凝胶法的基本概念和特点,一、溶胶,-,凝胶法基本名词术语,1.,前驱物,(,precursor),：,所用的起始原料。,2.,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。它与一般金属有机化合物的差别在于金属醇盐是以,M,O,C,键的形式结合，金属有机化合物则是,M,C,键结合。,.,3.,溶胶,(sol),：,又称胶体溶液。指在液体介质（主要是液体）中分散了,1100nm,粒子,(,基本单元,),，且在分散体系中保持固体物质不沉淀的胶体体系。溶胶也是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停地进行布朗运动的体系。,溶胶,(sol),是,（,1,）,溶胶不是物质而是一种“状态”。,溶胶中的固体粒子大小常在,15nm,，也就是在胶体粒中的最小尺寸，因此比表面积十分大。,（,2,）最简单的溶胶与溶液在某些方面有相似之处：,溶质,+,溶剂溶液,分散相,+,分散介质溶胶,(,分散系,),.,(3),溶胶态的分散系由分散相和分散介质组成,1),分散介质,:,气体，即为气溶胶；,水，即水溶胶；,乙醇等有机液体；,也可以是固体。,2),分散相,:,可以是气体、液体或固体，,3),表,1-1,说明溶胶态分散系情况：,.,分散相,分散介质分散介质,示例,液体,固体,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,表,1-1,溶胶态分散系示例,（,4,）根据分散相对分散介质的亲、疏倾向，将溶胶分成两类。,1),分散相具有亲近分散介质倾向的：称作亲液（,lyophilic,）溶胶或乳胶，所谓水乳交融；,2),分散相具有疏远分散介质倾向的：则称作憎液,(lyophobic),溶胶或悬胶。,.,亲液（,lyophilic,）溶胶,：分散相和分散介质之间有很好的亲和能力，很强的溶剂化作用。因此，将这类大块分散相，放在分散介质中往往会自动散开，成为亲液溶胶。,它们的固,-,液之间,没有明显的相界面,，例如蛋白质、淀粉水溶液及其它高分子溶液等。,亲液溶胶虽然具有某些溶胶特性，但本质上与普通溶胶一样属于,热力学稳定体系,。,憎液溶胶,：分散相与分散介质之间亲和力较弱，有明显的相界面，属于热力学,不稳定,体系。,.,4.,凝胶,(gel),：,亦称冻胶，是溶胶失去流动性后，一种富含液体的半固态物质，其中液体含量有时可高达,99.5%,，固体粒子则呈连续的网络体。它是指胶体颗粒或高聚物分子相互交联，空间网络状结构不断发展，最终使得溶胶液逐步失去流动性，在网状结构的孔隙中充满液体的非流动半固态的分散体系，它是含有亚微米孔和聚合链的相互连接的坚实的网络。,（,1,）凝胶是一种柔软的半固体，由大量胶束组成三维网络，胶束之间为分散介质的极薄的薄层,所谓“半固体”是指表面上是固体、而内部仍含液体。后者的一部分可通过凝胶的毛细管作用从其细孔逐渐排出。,.,（,2,）凝胶结构可分为四种：,1),有序的层状结构；,2),完全无序的共价聚合网络；,3),由无序控制，通过聚合形成的聚合物网络；,4),粒子的无序结构。,溶胶,-,凝胶技术是溶胶的凝胶化过程，即液体介质中的基本单元粒子发展为三维网络结构,凝胶的过程。,.,（,3,）凝胶与溶胶是两种互有联系的状态。,1),乳胶冷却后即可得到凝胶；加电解质于悬胶后也可得到凝胶。,2),凝胶可能具有触变性：在振摇、超声波或其他能产生内应力的特定作用下，凝胶能转化为溶胶。,3),溶胶向凝胶转变过程主要是溶胶粒子聚集成键的聚合过程。,4),上述作用一经停止，则凝胶又恢复原状，凝胶和溶胶也可共存，组成一更为复杂的胶态体系。,5),溶胶是否向凝胶发展，决定于胶粒间的作用力是否能够克服凝聚时的势垒作用。因此，增加胶粒的电荷量，利用位阻效应和利用溶剂化效应等，都可以使溶胶更稳定，凝胶更困难；反之，则更容易形成凝胶。,.,能使蛋白质变性的化学方法和物理方法很多，主要的有：,1,加热，,2,机械力（冷冻、声波振荡、机械振荡、搅拌和研磨、加压等,),，,3,紫外线照射，,4,辐照，,5,，有机试剂,(,酒精、丙酮、尿素、苯酚及其衍生物,),，,6,无机试剂,(,强酸、强碱、重金属盐、碘化物、硫氰酸盐等,),，,7,蛋白酶等。,.,（,5,）凝胶在干燥后：,形成干凝胶或气凝胶，这时，它是一种充满孔隙的多孔结构。,6,）通常由溶胶制备凝胶的方法有溶剂挥发、冷冻法、加入非溶剂法、加入电解质法和利用化学反应产生不溶物法等。,（,4,）凝胶可分为：,易胀型,(,如明胶,),和非易胀型,(,如硅胶,),两类；,凝胶又分为弹性凝胶和脆性凝胶。,.,5.,胶凝时间,(gel point time),：在完成凝胶的大分子聚合过程中最后键合的时间。,6.,单体,(monomer),：一种简单的化合物，它的分子间通过功能团起聚合反应得到分子量较高的化合物,(,聚合物,),。单体一般是不饱和的或含有两个或更多功能团的小分子化合物。,7.,聚合物,(polymer),：从至少含两个功能团的单体经聚合反应成为很大分子的化合物，它至少含有几百乃至几百万个单体，故常常又称它为大分子。,8.,溶胶,-,凝胶法,：是制备材料的,湿化学,方法中一种崭新的方法。（包括化学共沉淀法，水热法，微乳液法等）,.,溶胶,-,凝胶法：,研究的主要是胶体分散体系的一些物化性能。,胶体分散体系,：是指分散相的大小在,1nm100nm,之间的分散体系。,在此范围内的粒子，具有,特殊的物理化学性质,。,分散相,的粒子可以是,气体、液体或固体,，比较重要的是,固体,分散在液体中的胶体分散体系,溶胶,（,sol,）。,.,9.,溶胶,-,凝胶技术：,是一种由金属有机化合物、金属无机化合物或上述两者混合物经过水解缩聚过程，逐渐凝胶化及相应的后处理，而获得氧化物或其它化合物的新工艺。,流程：,利用液体化学试剂,(,或将粉末溶于溶剂,),为原料,(,高化学活性的含材料成分的化合物前驱体,),在液相下将这些原料均匀混合,进行一系列的水解、缩合,(,缩聚,),的化学反应,在溶液中形成稳定的透明溶胶液体系,溶胶经过陈化,胶粒间缓慢聚合，形成以前驱体为骨架的三维聚合物或者是颗粒空间网络，网络中其间充满失去流动性的溶剂，形成凝胶,凝胶再经过干燥，脱去其间溶剂而成为一种多孔空间结构的干凝胶或气凝胶,最后，经过烧结固化制备所需材料。,.,1846,年,J.J.Ebelmen,首先开展这方面的研究工作，,20,世纪,30,年代,W.Geffcken,利用金属醇盐水解和胶凝化制备出了氧化物薄膜，从而证实了这种方法的可行性，但直到,1971,年德国联邦学者,H.Dislich,利用,Sol-Gel,法成功制备出多组分玻璃之后，,Sol-Gel,法才引起科学界的广泛关注，并得到迅速发展。从,80,年代初期，,Sol-Gel,法开始被广泛应用于铁电材料、超导材料、冶金粉末、陶瓷材料、薄膜的制备及其它材料的制备等。,.,二、溶胶一凝胶法起源,古代中国人做豆腐可能是最早的且卓有成效地应用,Sol-Gel,技术之一。,溶胶一凝胶法起源于十八世纪，但由于干燥时间太长而没有引起人们的兴趣,现代溶胶,-,凝胶技术的研究始于,19,世纪中叶，利用溶胶和凝胶制备单组分化合物。由于用此法制备玻璃所需的温度比传统的高温熔化法低得多，故又称为玻璃的低温合成法。（,1846,年，,J.J.Ebelmen,发现,SiCl4,与乙醇混合后在湿空气中水解并形成了凝胶，制备了单一氧化物,(SiO2),，但未引起注意。）,.,七十年代初,德国科学家报道了通过金属醉盐水解得到溶胶，经过凝胶化得到多组分的凝胶，引起了材料科学界的极大兴趣这被认为是溶胶,凝胶技术的真正开端现代溶胶,凝胶技术的发展在于，得到凝胶材料干燥时间是以天来计算，而不象从前那样以年计算。,.,三、溶胶,-,凝胶法的应用领域,溶胶凝胶技术目前已经广泛应用于电子、复合材料、生物、陶瓷、光学、电磁学、热学、化学以及环境处理等各个科学技术领域和材料科学的诸多领域。,.,1,、材料学方面的应用,(1),高性能粒子探测器,(2),隔热材料,(3),声阻抗藕合材料,(4),电介质材料,(5),有机,/,无机杂化材料,.,(6),金属陶瓷涂层耐蚀材料,(7),纳米级氧化物薄膜材料,(8),橡胶工业的应用,(9),在生物材料方面的应用,.,表,1-2,溶胶,-,凝胶法制备产品的形状,形状,制备方法,块状体,成形凝胶体加热,粉末成形体烧结,纤维,凝胶纤维加热,预制棒材拉制,薄膜或涂层,浸渍提拉、旋涂或甩涂等方法,粉末,凝胶粉末加热,凝胶微拉子沉淀,.,表,1-3,溶胶,-,凝胶法制备产品的化学组成,化学式,产品举例,SiO,2,凝胶体、玻璃、纤维、薄膜、块状体,TiO,2,TiO,2,纤维、薄膜,ZrO,2,ZrO,2,纤维、薄膜,A1,2,O,3,多孔性氧化铝、薄膜,BaTiO,3,多晶膜电容器、薄膜,LiNbO,3,多晶膜电容器、薄膜,KTaO,3,多晶膜电容器、薄膜,In,2,O-SnO,2,透明导电膜,LiAlO,2,多晶体,SiO,2,-B,2,O,3,-Na,2,O,中空球,(,激光核融合载体,),、玻璃,SiO,2,-TiO,2,-,有机物,有机,-,无机复合材料,.,表,1-4,溶胶,-,凝胶法的应用,项目,应用,实用情况,块状玻璃体,SiO,2,成功,低温合成纤维,SiO,2,-TiO,2,玻璃，,SiO,2,-ZrO,2,玻璃,ZrO,2,、,TiO,2,、,A1,2,O,3,、,BaTiO,3,陶瓷,SiO,2,-B,2,O,3,-A1,2,O,3,(,连接,),SiO,2,(,连接,),高温超导陶瓷,成功,成功,成功,成功,有希望,薄膜,CdSnO,4,(,在板玻璃上,),BaTiO,3,、,SrTiO,3,、,PbTiO,3,ZrO,2,、,TiO,2,、,SnO,2,、,A1,2,O,3,、,SiO,2,、,V,2,O,5,等,高温超导陶瓷薄膜,SrAl,2,O,4,成功,成功,成功,有希望,成功,.,多孔体,多孔氧化硅,显微气球,(,激光核融合燃料,),成功,成功,核燃料放射性废弃物,UO,2,球,(,凝胶球的烧结,),含有放射性元素的球体,由,Si(OEt),4,-A1(OEt),3,的玻璃化,成功,有希望,有希望,烧结原料粉末,微细的氧化物粉末,成功,.,2,、溶胶,-,凝胶技术在催化剂及催化剂载体方面的应用,（,1,）溶胶,-,凝胶技术制备金属,-,氧化物催化剂,（,2,）溶胶,-,凝胶技术在包容均相催化剂方面的应用,3,、溶胶,-,凝胶技术分析化学方面应用,（,1,）色谱分析中的应用,1,）制备色谱填料,.,2,）制备开管柱和电色谱固定相,3,）在电分析中的应用,4,）在光分析中的应用,（,2,）在生物化学方面的应用,4,、其它方面,.,四、溶胶,-,凝胶法的基本过程,图,1-1,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,水解聚缩,陈化,涂层、成纤、成型,干燥,干凝胶,成品,热处理,1.,醇盐水解方法,.,（,1,）首先制取含金属醇盐和水的均相溶液，以保证醇盐的水解反应在分子的水平上进行。,由于金属醇盐在水中的溶解度不大，一般选用醇作为溶剂，醇和水的加入应适量，习惯上以水,/,醇盐的摩尔比计量。催化剂对水解速率、缩聚速率、溶胶凝胶在陈化过程中的结构演变都有重要影响，常用的酸性和碱性催化剂分别为,HCl,和,NH4OH,，催化剂加入量也常以催化剂,/,醇盐的摩尔比计量。为保证前驱溶液的均相性，在配制过程中需施以强烈搅拌。,.,（,2,）第二步是制备溶胶。,制备溶胶有两种方法：聚合法和颗粒法，两者间的差别是加水量多少。所谓聚合溶胶，是在控制水解的条件下使水解产物及部分未水解的醇盐分子之间继续聚合而形成的，因此加水量很少；而粒子溶胶则是在加入大量水，使醇盐充分水解的条件下形成的。金属醇盐的水解反应和缩聚反应是均相溶液转变为溶胶的根本原因，控制醇盐的水解、缩聚的条件如：加水量、催化剂和溶液的,pH,值以及水解温度等，是制备高质量溶胶的前提；,.,（,3,）第三步是将溶胶通过陈化得到湿凝胶。,溶胶在敞口或密闭的容器中放置时，由于溶剂蒸发或缩聚反应继续进行而导致向凝胶的逐渐转变，此过程往往伴随粒子的,ostward,熟化，即因大小粒子溶解度不同而造成的平均粒径增加。在陈化过程中，胶体粒子逐渐聚集形成网络结构，整个体系失去流动特性，溶胶从牛顿型流体向宾汉型流体转变，并带有明显的触变性，制品的成型如成纤、涂膜、浇注等可在此期间完成。,.,（,4,）第四步是凝胶的干燥。,湿凝胶内包裹着大量溶剂和水，干燥过程往往伴随着很大的体积收缩，因而很容易引起开裂，防止凝胶在干燥过程中至关重要而又较为困难的一环，特别对尺寸较大的块状材料，为此需要严格控制干燥条件，或添加控制干燥的化学添加剂，或采用超临界干燥技术。,（,5,）最后对干凝结胶进行热处理。,其目的是消除干凝胶中的气孔，使制品的相组成和显微结构能满足产品性能要求。在热处理时发生导致凝胶致密化的烧结过程，由于凝胶的高比表面积、高活性，其烧结温度比通常的粉料坯体低数百度，采用热压烧结等工艺可以缩短烧结时间，提高制品质量。,.,2.,工业上常用的机械分散法：,使用特殊的“胶体磨”将粗分散程度的悬浮液通过研磨而制成溶胶。实验室常用“胶溶法”将固体分散而制备溶胶。以无机物作为源物质，在溶液中进行化学反应而生成固体沉淀物，新生成的固体沉淀物在适当的条件下能重新分散而达到胶体分散程度的现象称为胶溶作用。再用某种方法促使胶体失去流动性，变成弹性固体状态的凝胶体。这种方法也可以称为“溶液,-,溶胶,-,凝胶”法。,优点：,是化学过程比较简单、原料成本低、烧结后无有机残渣；,缺点：,是需要对胶体沉淀物长时间连续清洗后才能制得凝胶，因而制备周期比较长、可能会造成一定的原料损失。,.,1990,年,Sangeeta.D,等人以,ZrO(NO3)2,为源物质，采用这种溶胶,-,凝胶方法成功的制备了,46nm,的,ZrO2,粉体，其主要反应如式,1-1,所示。,ZrO(NO3)2,H2O,2NH3ZrO2,2NH4NO3,（,1-1,）,他们在制备,ZrO2,凝胶过程中加入了一种表面活性剂，并在溶胶,-,凝胶转变过程中施加超声波作用，成功地阻止了颗粒的团聚。,1983,年，,Cobe,等人以无机盐,FeCl2,和,FeCl3,作为源物质，采用上述溶胶,-,凝胶方法也成功制备出了,35nm,的,Fe3O4,磁性超细粉体。,.,五、溶胶,-,凝胶法的特点,溶胶,-,凝胶法：,是一种可以制备从零维到三维材料的全维材料湿化学制备反应方法。,该法的主要特点：,利用是用液体化学试剂,(,或将粉状试剂溶于溶剂中,),或溶胶为原料，而不是用传统的粉状物体，反应物在液相下均匀混合并进行反应，反应生成物是稳定的溶胶体系，经放置一定时间转变为凝胶，其中含有大量液相，需借助蒸发除去液体介质，而不是机械脱水，在溶胶或凝胶状态下即可成型为所需制品，在低于传统烧成温度下烧结。,.,（,1,）该方法的最大优点是制备过程温度低。,通过简单的工艺和低廉的设备，即可得到比表面积很大的凝胶或粉末，与通常的熔融法或化学气相沉积法相比，锻烧成型温度较低，并且材料的强度韧性较高。烧成温度比传统方法约低,400500,，因为所需生成物在烧成前已部分形成，且凝胶的比表面积很大。利用,Sol-Gel,制备技术在玻璃和陶瓷方面可以制得一些传统方法难以得到或根本无法制备的材料，材料制备过程易于控制。在相图中用制备一般玻璃的熔融法将产生相分离的区域，用溶胶,-,凝胶法却可以制得多组分玻璃，不会产生液相分离现象。,1.,溶胶,-,凝胶法的优点,.,（,2,）溶胶,-,凝胶法增进了多元组分体系的化学均匀性。,若在醇溶胶体系中，液态金属醇盐的水解速度与缩合速度基本上相当，则其化学均匀性可达分子水平。在水溶胶的多元组分体系中，若不同金属离子在水解中共沉积，其化学均匀性可达到原子水平。由于,Sol-Gel,工艺是由溶液反应开始的，从而得到的材料可达到原子级、分子级均匀。这对于控制材料的物理性能及化学性能至关重要。通过计算反应物的成分可以严格控制最终合成材料的成分，这对于精细电子陶瓷材料来说是非常关键的。,.,（,3,）溶胶,-,凝胶反应过程易于控制，可以实现过程的完全而精确的控制，可以调控凝胶的微观结构。,影响溶胶,-,凝胶材料结构的因素很多，包括前驱 体、溶剂、水量、反应条件、后处理条件等等通过对这些因素的调节，可以得到一定微观结构和不同性质的凝胶。,（,4,）该法制备材料掺杂的范围宽,(,包括掺杂的量和种类,),，化学计量准确且易于改性。,（,5,）,Sol-Gel,制备技术制备的材料组分均匀、产物的纯度很高。,因为所用的原料的纯度高，而且溶剂在处理过程中易被除去。人们己采用,Sol-Gel,方法制备出各种形状的材料，包括块状、圆棒状、空心管状、纤维、薄膜等。,.,（,6,）在薄膜制备方面，,Sol-Gel,工艺更显出了独特的优越性。,与其它薄膜制备工艺,(,溅射、激光闪蒸等,),不同，,Sol-Gel,工艺不需要任何真空条件和太高的温度，且可在大面积或任意形状的基片上成膜。,用溶胶采取浸涂、喷涂和流延的方法制备薄膜也非常方便，厚度在几十埃到微米量级可调，所得产物的纯度高。,（,7,）在一定条件下，溶胶液的成纤性能很好，因此可以用以生产氧化物，特别是难熔氧化物纤维。,.,（,8,）可以得到一些用传统方法无法获得的材料。,有机,无机复合材料兼具有机材料和无机材料的特点，如能在纳米大小或分子水平进行复合，增添一些纳米材料的特性，特别是无机与有机界面的特性特使其有更广泛的应用。但无机材料的制备大多要经过高温处理，而有机物一般在高温下都会分解，通过溶胶,-,凝胶法较低的反应温度将阻止相转变和分解的发生，采用这种方法可以得到有机,无机纳米复合材料。,（,9,）溶胶,-,凝胶法从溶胶出发，从同一种原料出发，通过简单反应过程，改变工艺即可获得不同的制品。,最终产物的形式多样制，可得到纤维、粉末、涂层、块状物等。可见，溶胶,-,凝胶法是一种宽范围、亚结构、大跨度的全维材料制备的湿化学方法。,.,2.,溶胶,-,凝胶法的缺点,（,1,）所用原料可能有害。,由于溶胶,-,凝胶技术所用原料多为有机化合物，成本较高，而且有些对人们的健康有害（若加以防护可消除）。,（,2,）反应影响因素较多。,反应涉及大量的过程变量，如,PH,值、反应物浓度比、温度、有机物杂质等会影响凝胶或晶粒的孔径,(,粒径,),和比表面积，使其物化特性受到影响，从而影响合成材料的功能性。,（,3,）工艺过程时间较长。,有的处理过程时间长达,12,月。,.,（,4,）所得到半成品制品容易产生开裂。,这是由于凝胶中液体量大，干燥时产生收缩引起。,（,5,）所得制品若烧成不够完善，制品中会残留细孔及,OH,或,C,，后者易使制品带黑色。,（,6,）采用溶胶,-,凝胶法制备薄膜或涂层时，薄膜或涂层的厚度难以准确控制，另外薄膜的厚度均匀性也很难控制。,（,7,）在凝胶点处粘度迅速增加。,如何维持粘度始终保持在成型所要求的粘度下是十分重要的，而事实上在凝胶点处粘度迅速增加是溶胶固有的一个特性。,.,（,8,）通常要获得没有絮凝的均匀溶胶，对于含有许多金属离子的体系来讲，也是一件困难的事倩。,（,9,）对制备玻璃陶瓷材料而言溶胶,-,凝胶方法不能扩大玻璃的形成范围，反而多少有些限制。,这过程似乎完全可能与其产生不均匀催化核化有关，由于精确的动力学研究表明，残留,OH,族导致大量干凝胶的界面，从而使成核加速，对析晶加速起到重要的作用。,.,六、溶胶,-,凝胶技术存在的问题与发展方向,1.,关于溶胶,-,凝胶技术的基本理论，工艺方法和应用尚待探索的问题有：,(1),对硅体系以外其它体系的详细动力学知识；,(2),与,H2O,，,C2H5OH,等普通溶剂相反的惰性溶剂的应用；,(3),凝胶在陈化过程中发生的物理化学变化的深入认识；,(4),多组分体系有关络合物的形成和反应特性；,(5),非氧化物的溶胶,-,凝胶制备化学；,（,6,）溶胶,-,凝胶过程的计算机模拟。,.,2.,在溶胶,-,凝胶工艺方面，对最佳工艺,(,干燥、烧结工艺,),的探索。在尽可能短的时间内制备无裂纹整块玻璃仍是有较大兴趣的课题。在工艺方面值得进一步探索的问题有：,(1),较长的制备周期；,(2),应力松弛，毛细管力的产生和消除，孔隙尺寸及其分布对凝胶干燥方法的影响；,(3),在凝胶干燥过程中加入化学添加剂的考察，非传统干燥方法探索；,(4),凝胶烧结理论与动力学等。,此外对粒子在溶液中的稳定性、颗粒度和结构控制的基础研究，可为最终实现有特殊功能的人造分子以及纳米层次的组装和纳米器件铺平道路。,.,习题,1.,名词解释,（,1,）前驱物 （,2,）金属醇盐 （,3,）溶胶,(sol),（,4,）凝胶,(gel),（,5,）胶凝时间 （,6,）单体,(monomer),（,7,）聚合物,(polymer),2.,什么是溶胶,-,凝胶法？,3.,简述溶胶,-,凝胶法的在材料中的应用情况。,4.,简述溶胶,-,凝胶法的优点和缺点。,.,第二章 溶胶,-,凝胶法采用的原料,一、溶胶,-,凝胶法采用的原料分类及作用,表,3-1,溶胶,-,凝胶法的原料种类及作用,.,原料种类,实例,作用,金属化,合物,金属醇盐,M(OR),n,Si(OC,2,H,5,),4,、,PO(OC,2,H,5,),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(COCH,2,COCH,3,),2,金属醇盐的替代物,金属有机酸盐,醋酸盐（,M(C,2,H,3,O,2,),n,）,Zn(CH,3,COO),2,、,Ba(HCOO),2,、草酸盐,M(C,2,O,4,),n-2,金属醇盐的替代物,水,H,2,O,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,.,二、溶胶,-,凝胶法采用的金属醇盐,（一）金属醇盐的种类,表,3-2,溶胶,-,凝胶原料的金属醇盐种类,.,金属醇盐,族,金属,醇盐实例,单金属醇盐,A,B,A,B,A,B,A,B,A,B,稀土,Li,，,Na,Cu,Ca,，,Sr,，,Ba,Zn,B,，,Al,，,Ca,Y,Si,，,Ge,Pb,P,，,Sb,V,，,Ta,W,La,，,Na,LiOCH,3,(s),，,NaOCH,3,(s),Cu(OCH,3,),2,(s),Ca(OCH,3,),2,(s),，,Sr(OC,2,H,5,),2,(s),，,Ba(OC,2,H,5,),2,(s),Zn(OC,2,H,5,),2,(s),B(OCH,3,),3,(s),，,Al(OC,3,H,7,),3,(s),，,Ga(OC,2,H,5,),3,(s),Y(OC,4,H,9,),3,Si(OC,2,H,5,),4,(l),，,Ge(OC,2,H,5,),4,(l),Pb(OC,4,H,9,),4,(l),P(OCH,3,),3,(l),，,Sb(OC,2,H,5,),3,(l),VO(OC,2,H,5,),3,(l),，,Ta(OC,3,H,7,),5,(l),W(OC,2,H,5,),6,(s),La(OC,3,H,7,)(s),，,Nb(OC,2,H,5,),3,(s),双金属醇盐,La-Al,Mg-Al,Ni-Al,Zr-Al,Ba-Zr,LaAl(iso-OC,3,H,7,),4,3,MgAl(iso-OC,3,H,7,),4,2,，,MgAl(sec-OC,4,H,9,),4,2,NiAl(iso-OC,3,H,7,),4,2,(C,3,H,7,O),2,ZrAl(OC,3,H,7,),4,2,BaZr(OC,2,H,5,),9,2,.,表,3-3,常用的金属醇盐,金属元素,金属醇盐,Si,Si(OCH,3,),4,(l),，,Si(OC,2,H,5,),4,(l),，,Si(i-OC,3,H,7,),4,(l),，,Si(i-OC,4,H,9,),4,Ti,Ti(OCH,3,),4,(s),，,Ti(OC,2,H,5,),4,(l),，,Ti(i-OC,3,H,7,),4,(l),，,Ti(i-OC,4,H,9,),4,(l),Zr,Zr(OCH,3,),4,(s),，,Zr(OC,2,H,5,),4,(s),，,Zr(i-OC,3,H,7,),4,(s),，,Zr(i-OC,4,H,9,),4,(s),Al,Al(OCH,3,),3,，,Al(OC,2,H,5,),3,(s),，,Al(i-OC,3,H,7,),3,(s),，,Al(i-OC,4,H,9,),3,(s),.,（二）金属醇盐的合成,1.,醇盐化学的发展概况,（,1,）,1846,1950,年，醇盐制备初期阶段,是一个发展缓慢的阶段，仅合成出了,Si,，,B,，,Al,，,Ti,，,P,，,As,，,Sb,、碱金属等,12,种元素的醇盐,19,世纪，金属铝醇盐的制备是一个重要的发现,（,2,）,1950,1970,年，金属醇盐的全面制备和催化应用阶段,从单纯的尝试走向了系统的研究。,伴随着催化剂的研制，几乎对所有金属的醇盐都进行了不同程度的研究。,表,金属醇盐化学真正始于,1950,年前后，,50,、,60,年代醇盐作为催化剂或制备催化剂的原料而受到广泛关注。,1948,年,D.W Young,和,H.B.Kellong,用,AlC13,和乙氧基钛为催化剂，研究了异丁烯的低温聚合反应，开拓了金属醇盐作为催化剂应用的新领域。,.,（,3,）,1970,年一现在，金属醇盐的制备及材料应用阶段,这一阶段，金属醇盐迈入了材料应用的新阶段,早在,1846,年,Ebelman,就发现，,Si(OEt)4,与水混合，生成了一种整块的产品，由此得到了“,SiO2,玻璃”。,1969,年，,H.Shcoder,提出不仅有,SiO2,的涂层，还有,Al,，,Zn,，,Ti,，,Sn,，,Pb,，,Ta,，,Cr,，,Fe,，,Ni,和,Co,等氧化物的涂层也极易获得。,1971,年，,H.Dislich,用溶胶,-,凝胶法从金属醇盐为前驱体开拓性地获得陶瓷氧化物材料，引起材料工业的一大飞跃。,现在，这一方法已在世界各地的实验室广泛发展，先后用此法合成出了多组分功能陶瓷氧化物涂层，超细粉体材料，玻璃材料，光导纤维，玻璃旋涂材料、浸涂材料等，金属醇盐得到了广泛的应用。,醇盐的研究已从理论制备变为应用研究。,.,2.,单金属醇盐合成方法,（,1,）金属与醇直接反应或催化下的直接反应,式中,M,为金属元素，,R,是烷基,1,）,只有非常活泼的金属，,即电正性非常强的金属，才能以这种方式与醇反应，反应条件也比金属从酸中置换出氢要苛刻。,2,）这些金属一般,包括碱金属和除,Mg,、,Be,外的碱土金属,。,例如锂、钠和钾的醇盐即是将金属溶于醇中，在惰性气体,(Ar),或,N2,保护下回流的方法制得。,3,）此种反应的可能性,随金属的电正性增加而增大,。,醇对反应速度也产生影响。,对于同一种金属原子，它能与,醇反应的活性依次是：伯醇,仲醇,叔醇。,.,4,）,金属铍、镁和铝,在不使用用催化剂的情况下，不能直接与醇反应。但若在反应体系中添加微量的,I2,或,HgCl2,，它们就能与醇起反应生成醇盐。,这种方法被成功应用于镧系和硅的醇盐的合成。,上述反应中催化剂活化了金属表面或者与金属形成了中间体,氯化或碘化衍生物，这样就使得金属容易与醇反应。,氧在铊和醇的反应中的作用与,I2,类似，在金属表面形成氧化铊,TI2O/TIOH,参与反应。,.,5,）在使用直接法合成醇盐的过程，有一个共同特点，,反应速度随产物的不断增加而降低,，这是由于醇的浓度变稀和酸性下降所致。,（,2,）金属氧化物或氢氧化物与醇反应,1,）这种反应过程可表示为：,或,2,）这项技术也被成功地应用于,B,，,Si,，,Ge,，,Sn,，,Pb,，,As,，,Se,，,V,和,Hg,的金属醇盐的合成上，,.,3,）金属氧化物与二烷基碳酸酯的反应也能生成金属醇盐。例如：,.,（,3,）金属卤化物与醇和碱金属醇盐反应,1,）反应通式如下：,2,）金属卤化物与醇的作用，首先是进行溶剂化，电负性较小的金属如镧系和钍,LaCl33PrioH,和,ThCl44EtOH,的复合物已从其醇溶液中分离得到。,但是，对于电负性较大的元素如,B,和,Si,，其氯化物的溶剂分解作用几乎可以进行完全，卤素全部被烷氧基所取代：,.,3,）,Sidgwick,认为，这类反应是通过醇对金属中心离子的配位作用引发，接着发生氯化氢的消除反应。后来在四氯化硅、四氯化钛、四氯化锆和四氯化钍与醇的作用中，有如下反应结果：,虽然对上述反应结果还不甚清楚，,Mehrotra,在四醇盐与氯化氢的反应中，看到了相似的结果：,.,基于,Sidgwick,的观点，人们想到了往反应体系中添加碱性物质,(,如氨、碱金属醇盐等,),来增加醇盐阴离子的浓度和中和副产物,HCl,，使醇盐阴离子可更好地与金属氯化物反应：,.,4,）根据所用碱不同，醇盐合成方法分成了,氨法,和,醇钠法,酰胺,采用此种方法已成功合成,Ti,、,Zr,、,Sn,、,Ge,、,Hf,、,Nb,、,Ni,、,Sb,、,Al,、,Th,、,Ta,、,Fe,、,V,、,Ce,、,U,、,Pu,等金属的醇盐和,Si,的醇盐。,.,用醇钠与金属氯化物反应的方法，现已合成了,Ga,、,In,、,Sn,、,Fe,、,Sb,、,Bi,、,Ti,、,Th,、,U,、,Y,、,Se,、,W,和镧系等金属的醇盐。,.,后,3d,金属,(,外层有,3d,电子的金属,),的醇盐已用醇锂法制得,(R=Me,、,Et,、,),(,不存在游离的,OH),(R=Me,、,Et,、,),.,(R=Me,、,Et,、,),(Me,、,Et,、,),吡啶和三乙胺有时也当作碱用于金属醇盐的合成中。,除氯化物外，金属的氧氯化物也常用作制备金属醇盐的原料。,.,（,4,）醇解法制备醇盐,几乎所有金属元素的烷氧基衍生物都容易与含羟基的化合物发生反应，使原来的烷氧基被新的烷氧基所取代。,例如醇盐与另一种醇的反应，通常称为醇解反应或醇交换反应。,该反应过程如下：,.,人们广泛地由“低级,醇盐合成“高级”醇盐。,目前，采用这种方法，已成功地制备了,Zn,、,Be,、,B,、,Al,、,Ga,、,Ge,、,In,、,Sn,、,Ti,、,Zr,、,Hf,、,Th,、,V,、,Fe,、,Sb,、,Nb,、,Ta,、,Se,、,U,、和镧,La,系等元素的醇盐。,(,与,C6H12,共沸,),.,（,5,）金属有机盐与碱金属醇盐的反应,1982,年有人报道：用醋酸铅为原料使之与醇钠反应，能够合成,Pb(OR)2,。,1986,年，日本也出现了这方面的专利。,1985,年，,Yoshiharau Ozaki,用金属的醋酸盐和草酸盐与醇钠作用，还成功地合成了一系列稀土金属元素的醇盐。,（,6,）酯交换反应,.,合成出,Al,，,Ga,，,Fe,，,Va,，,Ti,，,Zr,，,Hf,，,Nb,，,Ta,和,La,系等元素的金属醇盐,（,7,）金属二烷基胺盐与醇反应,.,此法特别适用于当金属与氧的亲合性比与氮的亲合性大时，它的另一个优点是二烷基胺具有较高的挥发性，所以它很容易地从体系中挥发除去。,该方法可以用来制备,U(OR)4,，现已用于合成,V,、,Cr,、,Sn,、,Ti,、,Zr,、,Nb,、和,Ta,等多种金属醇盐。,（,8,）金属醇盐的电化学合成法,1,）用电化学方法目前己经合成,Ni,，,Co,，,Fe,，,Mn,，,Sb,、,Cu,、,Ge,、,Ta,、,Zr,、,Ti,、,A1,等金属的醇盐。,.,2,）电化学方法：是以惰性元素电极,铂电极或石墨电极为阴极，以欲制备的金属醇盐金属为牺牲阳极，在醇溶液中添加少量电解质载体，通电流阴极和阳极之间发生电解反应来制备预定金属的醇盐。,3,）优点：此种方法不仅使制得的醇盐纯度高，而且作业环境好，污染少，后处理工作容易，可望成为今后醇盐合成研究的一个方向。,缺点：它对金属的电极电位有一定的要求，金属电极的造价也较昂贵。,此法目前尚处于研究阶段，尚未见工业化生产。,.,3.,多元金属醇盐的合成,（,1,）双金属醇盐的合成方法,双金属醇盐的化学结构是建立在不同金属之间的烷氧桥链的配位作用模型的基础之上的,1,）不同醇盐之间的反应,不同醇盐在惰性溶剂苯中按所期望的化学计量关系混合，反应方程式如下。,此反应方程式最初用来合成,NaU(OEt)6,。,Be,、,Zn,、,Al,、,Ti,、,Zr,、,Nb,、,Ta,的双金属醇盐一般是用它们的醇盐与碱金属醇盐反应来合成，以下列出了一些合成方法及反应方程式：,.,（,M=Li,，,Na,，,K,，,Rh,，,Cs,；,M=Al,，,Ga,）,（,M=Li,，,Na,，,K,，,Rh,，,Cs,）,.,2,）通过金属溶解，金属醇盐与金属醇盐相互反应,这种方法用来制备碱土金属的双金属醇盐。,在,Al,、,Zr,、,Nb,、,Ta,等醇盐存在下，这些碱土金属的双金属醇盐在醇中能很快地溶解：,(,其中,M=Mg,，,Ca,，,Sr,，,Ba,；,M=Al,，,Ga,；,M,Zr,，,Hf,；,M=Nb,，,Ta,；,R=Et,，,Pri),.,3,）金属卤化物与双金属醇盐反应,这种方法可用下列反应通式表示：,此类型的反应广泛使用四异丙氧基铝钾,K(Al(OPri)4),作反应试剂，可用于不同金属的双金属醇盐的合成，,M=In,、,Th,、,Sn(),、,Sn(),、,Be,、,Zn,、,Cd,、,Hg,、,Cr,、,Fe,、,Mn,、,Co,、,Ni,和,Cu,。,同样，,Nb(OPri)6,或,Ta(OPri)6,也被用来合成它门的衍生物,M(Nb(OPri)6)n,或,M(Ta(OPri)6)n,，,M=Cr,、,Co,、,Ni,、,Cu,，通式为,