溶胶-凝胶合成法
溶胶凝胶法
溶胶—凝胶法制备粉体溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下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胶溶体系，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。
此方法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。
一、基本原理溶胶是指固体或胶体粒子均匀分散在溶液之中，固体粒子尺寸为1nm左右，含有103—109个原子，比表面积大。
胶体粒子受到布朗运动的作用可以稳定持久地悬浮在液相之中，此外粒子的表面电荷引起的双电荷层使固体粒子更加均匀的分布在溶液之中。
凝胶是随着水分的蒸发，溶胶中固体粒子间聚合能量加强，逐渐失去流动而变成的半固态物质。
分散在溶液中的固体粒子间吸引力与排斥力相当，使得凝胶中固态、液态都存在的高分散状态。
溶胶-凝胶法是以无机聚合反应为基础，以金属醇盐或无机金属盐作为前驱物，用水作为水解剂，有醇为溶剂来制备高分子化合物。
在溶液中前驱物进行水解、缩合反应，形成凝胶。
传统的溶胶-凝胶体系中，反应物通常是金属醇盐，通过醇盐缩水而得到溶胶。
但由于稀土金属的醇盐易水解、成本高等问题，限制了溶胶—凝胶法在更多领域的应用。
因此在很多领域中应用较多的是络合溶胶-凝胶法。
该法在制备前驱液时添加强络合剂，通过可溶性络合物的形成减少前驱液中的自由离子，控制一系列实验条件，移去溶剂后得到凝胶，最后再通过分解的方法除去有机配体而得到粉体颗粒。
溶胶-凝胶过程具体包括以下两个反应过程：1.水解反应是把阴离子取代成羟基，诱发综合反应，形成链状或网状交联的聚合物，金属盐类水解：ML + nH2O →M(OH2)z+n + L z-M(OH2)z+n→M(OH)(OH)(z-1)+n-1 + H+2．缩聚反应是把OR或L和OH换去，转换成氧化态：M-OH + M-OH →M-O-M + H2OM-OH + M-OH →M-O-M + ROH聚合程度决定于原颗粒的大小，而聚合速度取决于水解速率。
溶胶-凝胶合成法
Y
Y(OC2H5)3
B
Ca
(OC2H5)2
溶胶-凝胶合成法
无机盐的水解-缩聚反应
水解反应：Mn+ ＋nH2O → M(OH)n ＋ nH+ 凝胶化 脱水凝胶化 碱性凝胶化 胶粒脱水，扩散层中电解质浓 度增加，凝胶化能垒逐渐减小
xM(H2O)nz+ + yOH- + aA- → MxOu(OH)y-2u(H2O)nAa(xz-y-a)+ + (xn+u-n)H2O A- —— 凝胶过程中所加入的酸根离子。 当x=1时，形成单核聚合物； 在x>1时，形成多核聚合物。 Mz+可通过O2-、OH-、H2或A-与配体桥联。
气凝胶块体
气凝胶隔热
溶胶－凝胶
＋
模板工艺
多孔材料
胶质晶态模板
结构性多孔复制品
3.纤维材料
溶胶-凝胶合成法
前驱体经反应形成类线性无机聚合物或络合物，当粘度达10~100Pa· s时，
通过挑丝或漏丝法可制成凝胶纤维，热处理后可转变成相应玻璃或陶瓷纤维 克服了传统直接熔融纺丝法因特种陶瓷难熔融而无法制成纤的困难，工艺 可以在低温下进行，纤维陶瓷均匀性好、纯度高
溶胶-凝胶合成法 （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。
材料合成与制备 第1章 溶胶-凝胶法
溶胶凝胶化目前主要分为脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。
脱水凝胶化过程中(加入强亲水性物质，例已醇)，胶粒脱水，扩 散层中电解质溶解质浓度增加，凝胶化能垒降低。
碱性凝胶化过程中， Mn+ 可通过O2-、OH- 或An-(酸根离子)与配 体 简桥言联之，。体影系响加因入素有OHp-H，值胶、粒温表度面、正A电n-荷的减性少质，、能M(垒H2高O度)n+降的低浓。度等。
(3)溶剂化作用也能稳定溶胶。破坏胶粒之间的有序溶剂层， 使胶粒表层脱除溶剂并相互接触需要一定的溶剂化能量。这种 效应对于亲液溶胶更加明显。
反之，由溶胶制备凝胶的具体方法有以下几种： (1)使水、醇等分散介质挥发或冷却溶胶，使其成为过饱和 液，而形成冻胶。 (2)加入非溶剂，如在果胶水溶液中加入适量酒精后，即形 成凝胶。 (3)将适量的电解质加入胶粒亲水性较强的憎液型溶胶，即 可形成凝胶。 (4)利用化学反应产生不溶物，并控制反应条件可得凝胶。
前驱物溶液(溶 胶)由金属无机 化合物与添加剂 之间的反应形成
密集的粒子
粉末、薄 膜
有机聚合物 型Sol-Gel
过程
前驱物的控制 水解和缩聚
1.由前驱物得到的无机聚合物构 成凝胶网络 2.刚形成的凝胶体 积与前驱物溶液体积完全一样 3. 凝胶形成的参数--胶凝时间随着 过程中其它参数的变化 而变化 4.凝胶透明
3、 20纪80年代以后，广泛应用于功能材料、特种陶瓷材料、晶 体、薄膜材料 、超微粉体、有机-无机杂化材料的制备和应用。从 1981年开始，每二年举办一次溶胶-凝胶科学技术国际会议。溶胶-凝 胶科学已经成为材料科学与工程研究领域的一个重要分支。
三、溶胶-凝胶合成方法的原理
现代溶胶-凝胶技术一般是以金属有机醇盐或无机盐为原料， 溶解于一定的溶剂中形成金属化合物的溶液，然后进行水解、聚合 形成溶胶、凝胶。
溶胶-凝胶法及其应用
沉降电势
分散相粒子在重力场或离心场作用下迅速移动
节溶胶－凝胶合成法
目录
基本概念 溶胶凝胶法发展历程 溶胶凝胶基本原理 溶胶凝胶合成方法的适用范围 溶胶凝胶工艺过程 溶胶凝胶合成方法应用举例
回顾：
一、分散系
、定义：一种或一种以上的物质分散到另一种物质中所得到 的混合物
分散质：被分散的物质 （其中分散成微粒的物质）
分散剂：能分散分散质的物质 （微粒分散在其中的物质）
、 电泳现象(电学性质)
在外加电场作用下, 胶体粒子在分散剂里 向电极 (阴极或阳极) 作定向移动的现象, 叫做电泳
-
+Hale Waihona Puke ()胶体向阴极阴极
阳极
移动——带正电荷
原因：粒子胶体微粒带同种电荷，当胶粒带正 电荷时向阴极运动，当胶粒带负电荷时 向阳极运动。
胶体的胶粒有的带电，有电泳现象；有的不带 电，没有电泳现象。
朗
胶体体系动力稳定的因素之一
运
动
使胶粒互相碰撞，促使它们聚结变大
胶体体系动力不稳定的因素之一
原因：溶剂分子不均匀地撞击胶体粒子，使其 发生不断改变方向、改变速率的布朗运动。
胶体微粒作布朗运动是胶体稳定的原因之一。
练习:胶体粒子能作布朗运动的原因是 （ ） ①水分子对胶体粒子的撞击 ②胶体粒子有 吸附能力 ③胶体粒子带电 ④胶体粒子质 量很小，所受重力小 、①② 、①③ 、①④ 、②④
溶液、悬（乳）浊液、胶体
、分散系的分类
本质依据——分散质微粒直径大小
分散系
分散质微 粒直径
溶液
< (< )
胶体 （）
浊液
> （> ）
第五章 溶胶凝胶
前式表示水解反应的结果。后式则只是反映系统 内发生了脱水和脱醇反应。
脱水缩聚反应： -M-OH+HO-M M-O-M + H2O 脱醇缩聚反应： -M-OH+RO-M M-O-M + ROH
2. 水解－聚合反应的机理过程：
（1）水解反应 水解一般在水、水和醇的溶剂中进行并生成活性 的M－OH，反应可分为三步：
如何解释在酸碱催化条件下的水解过程和结果？
（1）在酸催化条件下，TEOS的水解属亲电子反应机理。 首先，TEOS的一个Si一OR基团迅速质子化，造成Si原 子上的电子云向该一OR基团偏移而呈亲电性，易受水分子 的进攻。水分子从另一侧进攻Si原子，H2O分子上的电子 云向Si偏移而带一正电荷，此时Si原子电子云继续向质子 化一OR基团偏移造成该Si一OR键减弱进而脱离，这样一个 OH一基团便取代了一OR基团。
醇盐溶胶一凝胶法制备玻璃制品的工艺流程
图5.3 醇盐溶胶－凝胶法制备玻璃制品工艺流程
溶胶-凝胶技术的三个基本步骤总结：
（1）将低粘度的金属的醇盐或金属盐（有机或无机） 等先驱体（precursors）均匀混合。先驱体可以提 供最终所需要的金属离子。在某些情况下，先驱体 的一个组分可能就是一种氧化物颗粒溶胶 （colloidal sol）。 （2）制成均匀的溶胶，并使之凝胶。这是决定最终 陶瓷材料化学均匀性的关键步骤。 （3）在凝胶过程中或在凝胶后成型、干燥，然后煅 烧或烧结
5.5.2 催化剂的作用
为调节溶液的酸度而加入的酸或碱实际上起催化 剂的作用。它对溶胶-凝胶反应过程和生成凝胶的结 构都有重要影响。 宏观上表现为对反应溶液体系的粘度随放置时间变化 及凝胶化时间的影响。 如何从溶液粘度与溶液中聚合物的浓度之间的关系来 揭示聚合物的结构特点？
溶胶-凝胶法合成al2o3粉体
溶胶-凝胶法合成al2o3粉体溶胶-凝胶法是一种常见的化学合成方法，其实质是将溶胶通过凝胶加工制备成固体粉末，从而获得所需材料。
本文介绍了通过溶胶-凝胶法合成Al2O3粉体的方法及其工艺流程。
1. 实验原理溶胶-凝胶法合成Al2O3粉体的基本原理是通过合适的溶剂使Alkoxides或Alkyls等金属有机化合物在一定条件下水解成Al2O3溶胶，再通过凝胶化制得Al2O3凝胶，进而通过烘干和煅烧过程得到纯净的Al2O3粉体。
2. 实验步骤（1）制备溶剂：在实验室条件下，取醋酸、乙醇和去离子水，按体积比例3:3:2配制制备成溶剂。
（2）制备溶胶：将Al(NO3)3·9H2O与溶剂混合，形成混合溶液，搅拌过程中加入少量的HNO3用作催化剂，经过反应生成Al2O3溶胶粉体。
（3）制备凝胶：将得到的Al2O3溶胶粉体转移到实验器皿内，通过恒温烘干得到Al2O3凝胶。
（4）煅烧：将所得的Al2O3凝胶在高温炉中进行煅烧处理，煅烧温度一般为1000℃，煅烧时间需要根据实验条件进行调整。
（5）粉体处理：经过煅烧后得到的Al2O3粉体经过粉碎处理，得到理想的Al2O3纯净粉末。
值得注意的是，实验过程中需要保持实验器皿的洁净，避免任何污染因素的参与。
此外，对于煅烧过程中的温度和时间等因素也需要进行合适的控制，以保证Al2O3粉体的纯净性和物理性质等方面的指标。
3. 实验结果通过上述方法制备的Al2O3粉体可用于人工骨骼和生物材料等领域的应用。
经过实验验证，所得粉末具有优良的化学纯度和物理稳定性，其纯度达到了99.9%以上，具有较高的耐磨性和高温稳定性，具有广泛的应用前景。
本次实验采用溶胶-凝胶法合成Al2O3粉体，通过选择合适的溶剂和反应条件，成功制备了高纯度的Al2O3粉体。
此方法具有化学反应速度快、操作简单、成本低、产物纯度高等优点。
通过细致的实验记录和数据分析，本实验为溶胶-凝胶法合成Al2O3粉体提供了一种基础的实验操作流程，可为相关研究和应用提供有力的支持和参考。
溶胶-凝胶合成法
薄膜 粉末 纤维
1. 溶胶－凝胶合成生产工艺种类
化学添加剂
前驱体溶液 H2O
催化剂
络合剂
微粒的形成(gel)
前驱体水解产物sol)
调节pH值或 加入电解质中和 微粒表面电荷 蒸发溶剂
缩聚反应 凝胶(gel)
络合物 减压蒸发
不同溶胶－凝胶过程中凝胶的形成
2.溶胶－凝胶合成生产设备
2
1
1 3
4
5
6
增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。增 加粒子间能垒通常有三个基本途径：(1)使胶粒带表面电荷；(2) 利用空 间位阻效应；(3)利用溶剂化效应。
溶胶稳定机制
•溶胶颗粒表面电荷来自胶粒晶格离子的选择性电离，或选择性吸 附溶剂中的离子。 •金属氧化物水溶胶，一般优先吸附H＋或OH－。当pH>PZC时，胶 粒表面带负电荷；反之，则带正电荷。 •根据DLVO理论，胶粒受到双电层斥力和长程范德华引力二种作用， 此外，胶粒间相互作用还有分子间的范德华力和由表层价电子重 叠引起的短程波恩斥力。
5
2 3
4
7
电力搅拌溶胶－凝胶合成反应示意图 1.回流装置 2. 电力式脉动器 3.温度计
4.容器 5. 水热装置
磁力搅拌溶胶－凝胶合成反应示意图 1.容器 2. 密封盖板 3.反应溶液 4.转动磁子
5. 磁力搅拌器加热板 6. 温度调节器 7. 转速调节器
3. 溶胶-凝胶工艺过程
Sol-gel 合成材料
溶解 前驱体
水解
缩聚
老化
溶液
溶胶
凝胶
凝胶
溶胶－凝胶法的发展历程
1846年Ebelmen 发现凝胶
20世纪30年代 W.Geffcken采用金属 醇盐制备氧化物薄膜
实验三 溶胶-凝胶法合成TiO2纳米粉体
盐的水解盐的水解-聚合反应 1)无机盐的水解 无机盐的水解1)无机盐的水解-聚合反应
金属醇盐的水解2) 金属醇盐的水解-聚合反应
溶胶溶胶-凝胶的转化
溶胶的浓度小于10% 体系中含有大量的溶剂(水或醇) 溶胶的浓度小于10%，体系中含有大量的溶剂(水或醇). 10 可通过化学方法控制溶胶中电解质的浓度，实现胶凝 可通过化学方法控制溶胶中电解质的浓度， 作用，胶凝化过程只是体系失去流动性， 体积不减小或 作用 ， 胶凝化过程只是体系失去流动性， 只略为减小。 只略为减小。 也可蒸发溶胶体系中的溶剂, 使胶体颗粒互相靠近, 也可蒸发溶胶体系中的溶剂 , 使胶体颗粒互相靠近 , 制得凝胶. 制得凝胶.
凝胶（gel） 凝胶（gel）： 可以通过改变某种条件(如降低温度或控制 可以通过改变某种条件(如降低温度或控制 溶胶中电解质的浓度等 使胶体溶液（sol） 溶胶中电解质的浓度等)使胶体溶液（sol）中的 溶胶颗粒不能发生相互位移， 溶胶颗粒不能发生相互位移，整个胶体溶液失去 流动性，变成半刚性的固相体系， 流动性，变成半刚性的固相体系，此种固相体系 就是凝胶体（ gel） 就是凝胶体 （ gel ） ， 这种由溶胶转变为凝胶的 过程被称为胶凝作用（gelation）。 ）
钛酸四丁脂在酸性条件下， 钛酸四丁脂在酸性条件下，水解产物为含钛离子溶胶
Ti(O-C4H9)4 + 4H2O
Ti(OH)4 + 4C4H9OH
含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用 形成复杂的网状基团， 形成复杂的网状基团，最后形成稳定凝胶
Ti(OH)4 +Ti(O-C4H9)4 Ti(OH)4 + Ti(OH)4
溶胶溶胶-凝胶合成法的基本过程
起始原料: 金属无机盐(硝酸盐、氯化物等), 金属醇盐, 起始原料: 金属无机盐( 硝酸盐、氯化物等), 金属醇盐, 醋酸 盐, 草酸盐和金属有机化合物等 基本过程: 基本过程: 将原料(前驱体)分散(溶解)在溶剂(水或有机溶剂) (1) 将原料(前驱体)分散(溶解)在溶剂(水或有机溶剂)中,经过 水解(或醇解)反应,反应生成物缩合聚集形成溶胶; 水解(或醇解)反应,反应生成物缩合聚集形成溶胶; 再经过胶凝作用或蒸出溶剂等制成凝胶; (2) 再经过胶凝作用或蒸出溶剂等制成凝胶; 最后经过干燥和热处理制备出粉体粒子和所需材料. (3) 最后经过干燥和热处理制备出粉体粒子和所需材料