溶胶凝胶法的技术进展和展望

溶胶-凝胶法的技术进展和展

大连理工大学 化工学院

摘要：溶胶-凝胶法是一种条件温和的材料制备方法, 文章简述了Sol-Gel 法的基本原理和主要步骤。研究了工艺过程的影响因素，总结溶胶－凝胶法的优缺点。结果表明，水的加入量、温度、醇盐的滴加速度、反应液的pH 都会影响溶胶-凝胶法的产品质量。溶胶－凝胶法可制得的材料主要有以下几大类型：单晶、纤维材料、涂层和薄膜材料、超细粉末材料及复合材料等，有很大的发展前景。

关键词：溶胶-凝胶法；原理；影响因素；应用；

Abstract：Sol-gel method is a method for material preparation under mild condition .In this paper , basicprinciples of sol-gel method and the main step are briefly described .The paper studiedinfluence factor of process of sol-gel method and generalized its advantages anddisadvantages.Results showed the addition amount of water, the dropping-speed of alkoxide, the pH of reaction solution all affected on the product quality of sol-gel method. Sol-gel method could prepare some materials: single crystal, fiber material, coating, film material,superfine powder material. Sol-gel method had good development prospects.

Key word：Sol-gel method；principles；influence factor；application；

1.引言

溶胶-凝胶法(Sol-Gel法, 简称S-G 法)就是以无机物或金属醇盐作前驱体,

在液相将这些原料均匀混合, 并进行水解、缩合化学反应, 在溶液中形成稳定的透明溶胶体系, 溶胶经陈化, 胶粒间缓慢聚合,形成三维空间网络结构的凝胶, 凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂, 形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备

出分子乃至纳米亚结构的材料。

溶胶-凝胶法初始研究可追溯到1846年, Ebelmen等用SiCl4与乙醇混合后,发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶,这一发现当时未引起化学界和材料界的注意。直到20世纪30年代,Geffcken等证实用这种方法,可以制备氧化物薄膜。1971年德国Dislich报道了通过金属醇盐水解得到溶胶,经胶凝化,再在923～973 K的温度和100N的压力下进行处理,制备SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃,引起了材料科学界的极大兴趣和重视[1]。80年代以来,溶胶—凝胶技术在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料,尤其是传统方法难以制备的复合氧化物材料、高临界温度(Tc)氧化物超导材料的合成中均得到成功的应用[2]。

2.溶胶-凝胶法的基本原理

所用的起始原料(前驱物)一般为金属醇盐，也可用某些盐类、氢氧化物、配合物等，其主要反应步骤都是前驱物溶于溶剂(水或有机溶剂)中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成1 nm 左右的粒子并组成溶胶，溶胶经蒸发干燥转变为凝胶。其最基本的反应如下。

2.1 溶剂化

能电离的前驱物－金属盐的金属阳离子Mz+吸引水分子形成溶剂单元

(M(H2O)n)z+ (z 为M 离子的价数)，为保持它的配位数而具有强烈的释放H＋的趋势。

(M(H2O)n)z+→(M(H2O)n－1(OH))(z-1)++H＋

2.2 水解反应

非电离式分子前驱物，如金属醇盐M(OR)n(n 为金属M 的原子价，R 代表烷基)，与水反应，反应可延续进行，直至生成M(OH)n。

M(OR)n＋xH2O→M(OH)x(OR)n-x+xROH

2.3 缩聚反应

可分为失水缩聚：-M-OH+HO-M→M-O-M-+H2O 失醇缩聚：-M-OR+HO-M→-M-O-M+ROH

3.溶胶-凝胶法的工艺过程

Sol-Gel 法的工艺过程如图1 所示。

图1 Sol-Gel 法的工艺过程

溶胶-凝胶法的化学过程根据原料不同可以分为有机工艺和无机工艺, 根据溶胶-凝胶过程的不同可以分为胶体型Sol-Gel 过程、无机聚合物型Sol-Gel过程和络合物型Sol-Gel 过程, 这些溶胶-凝胶过程的特征见表1。

表1 不同溶胶-凝胶过程的特征

3.1 溶胶的制备

将金属醇盐或无机盐经过水解、缩合反应形成溶胶，或经过解凝形成溶胶，该过程的主要影响因素有水的加入量、pH、滴加速度、反应温度等因素。 3.1.1 水的加入量

水的加入量低于按化学计量关系所需要的消耗量时，随着水量的增加，溶胶的时间会逐渐缩短，超过化学计量关系所需量时，溶胶时间又会逐渐增长，这是因为若加入水量少时，醇盐水解速度较慢而延长了溶胶时间；若加水量大于化学计量，溶液相对稀释，溶液粘度下降而使成胶难，按化学计量加入时，成胶的质量好，而且成胶时间相对短。 3.1.2 滴加速率

醇盐易吸收空气中的水水解凝固，因此在滴加醇盐醇溶液时，其他因素一致情况下观察滴加速率，发现滴加速率明显影响溶胶时间，滴加速率越快，凝胶速度也快，但速度快易造成局部水解过快而聚合胶凝生成沉淀，同时一部分溶胶液未发生水解最后导致无法获得均一的凝胶，所以在反应时还应辅以均匀搅拌，以保证得到均一的凝胶。 3.1.3反应液的pH[3]

反应液的pH 不同，其反应机理不同，因而对同一种金属醇盐的水解缩聚，往往产生结构、形态不同的缩聚。研究表明，pH 较小时，缩聚反应速率远远大于水解反应，水解由H+的亲电机理引起，缩聚反应在完全水解前已经开始，因此缩聚物交联度低；pH 较大时，体系的水解反应体系由[OH-]的亲核取代引起，水解速度大于亲核速度，形成大分子聚合物，有较高的交联度，可按具体要生产的材料要求选择适宜的酸碱催化剂。 3.1.4 反应温度

温度升高，水解速率相应增大，胶粒分子动能增加，碰撞几率也增大，聚合速率快，从而导致溶胶时间缩短；另一方面，较高温度下溶剂醇的挥发也加快，相当于增加了反应物浓度，也在一定程度上加快了溶胶速率，但温度升高也会导致生成的溶胶相对不稳定，且易生成多种产物的水解产物聚合。因此，在保证生成溶胶的情况下，尽可能在较低温度下进行，多以室温条件进行。

3.2 凝胶化

具流动性的溶胶通过进一步缩聚反应形成不能流动的凝胶体系。经缩聚反应形成的溶胶溶液在陈化时，聚合物进一步聚集长大成为小粒子簇，它们相互碰撞

连接成大粒子簇，同时，液相被包于固相骨架中失去流动，形成凝胶。陈化形成凝胶过程中，会发生Ostward 熟化，即大小粒子因溶解度的不同而造成平均粒径的增加。陈化时间过短，颗粒尺寸反而不均匀；时间过长，粒子长大、团聚，不易形成超细结构，由此可见，陈化时间的选择对产物的微观结构非常重要。

3.3 凝胶的干燥

3.3.1 一般干燥

目的是把湿凝胶膜包裹的大量溶剂和水通过干燥除去，得到干凝胶膜。因干燥过程体积收缩，很易导致干凝胶膜的开裂，导致开裂的应力主要来源于毛细管力，而该力又是因充填于凝胶骨架孔隙中的液体的表面张力所引起的。因此干燥过程中应注意在减少毛细管力和增强固相骨架这二方面入手。目前干燥方法主要有以下两种：(1)控制干燥，即在溶胶制备中，加入控制干燥的化学添加剂，如甲酰胺、草酸等。由于它们的低蒸汽压、低挥发性，能把不同孔径中的醇溶剂的不均匀蒸发大大减少，从而减小干燥应力，避免干凝胶的开裂。(2)超临界干燥，即将湿凝胶中的有机溶剂和水加热加压到超过临界温度、临界压力，则系统中的液气界面将消失，凝胶中毛细管力也不复存在，从而从根本上消除导致凝胶开裂应力的产生。 3.3.2 热处理

进一步热处理，消除干凝胶的气孔，使其致密化，并使制品的相组成和显微结构能满足产品性能的要求。在加热过程中，须先在低温下脱去干凝胶吸附在表面的水和醇，在升温过程中速度不宜太快，因为热处理过程中伴随较大的体积收缩、各种气体的释放(二氧化碳、水、醇)，且须避免发生炭化而在制品中留下炭质颗粒(-OR 基在非充分氧化时可能炭化)。热处理的设备主要有：真空炉、干燥箱等。

4.在制备材料方面的应用

溶胶-凝胶法可制得的材料主要有以下几大类型：纤维材料、涂层和薄膜材料、超细粉末材料及复合材料等。

4.1 纤维材料

溶胶-凝胶法可用于制备纤维材料。当分子前驱体经化学反应形成类线性无

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