溶胶凝胶在无机中的应用

论文题目：Sol-gel在无机材料中的应用课程名称：无机合成化学
专业名称：应用化学
学号：1109341009
姓名：高康能
成绩：
2014年9月29日
Sol-gel在无机材料中的应用
摘要：介绍了溶胶-凝胶法制备有机-无机杂化材料的原理、分类和制备方法及应用。

关键词：溶胶-凝胶法、无机材料、应用
引言
随着现代科技的发展，单一性能的材料已不能满足人们的需要。

目前通过两种或多种材料的功能复合，性能互补和优化,无机有机杂化材料是无机材料和有机材料在纳米尺度结合的复合材料，两相间存在强的作用力的结构。

可以克服单一的有机或无机材料的局限性。

同时在光学、力学、电学及电化学等方面呈现出许多新的特性。

因此无机有机杂化材料是材料领域的一个重要的研究方向[1-4]。

1 溶胶凝胶法的基本理论
溶胶是指分散在液体中的粒子足够小（100mm）以致可以通过布朗运动保持无限期的悬浮。

凝胶是一种包含液相组分秋游内部网络结构的固体，此时的液相和故乡都呈现一种高度分散的状态。

溶胶-凝胶法一般是以金属及半金属盐作为前躯体（硅酸甲酯（TMOS）、正硅酸乙酯（TEOS）、酞酸丁酯等）在水、互溶剂
三维网络结构在成胶的过程及催化剂的存在下发生水解和缩聚反应,，形成SiO
2
中,若引人掺杂组分,可将其包埋于三维网络结构中用溶胶一凝胶法制备的材料不仅有良好的化学性能、高的光稳定性和透过性,,同时溶胶凝胶过程还具有纯度高、均匀性强、反应条件易于控制并易于实现多种产品构型等优点溶胶-凝胶法是湿化学反应方法之一,不论所用的起始原料称为前驱物为无机盐或金属醇盐,其主要反应步骤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生成物聚集成1nm左右的粒子并组成溶胶,经蒸发干燥转变为凝胶具体过程为图溶剂化、水解反应和缩聚反应。

2 溶胶凝胶的特点
溶胶一凝胶法的特点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。

在低于传统烧成温度下烧结溶胶一凝胶法与其它传统方法相比,它的优点是：①反应温度低,反应过程易于控制；②制品的均匀度、纯度高均匀性可达分子或原子水平；③化学计量准确,易于改性掺杂的范围宽（包括掺杂的量和种类）；④从同一种原料出发,改变工艺过程即可获得不同的产品如粉料、薄膜、纤维等；⑤工艺简单,不需要昂贵的设备。

由于溶胶一凝胶法工艺独特的优点，日益受到人们的重视,其应用十分广泛,已在气敏、湿敏、超导、光导、吸收、电压、光电子、隐身、磁性、增韧陶瓷等方面获得应用,但它也存在着许多不足之处，如工艺参数的控制极为困难, 难以实现大型工艺化生产,原材料极为昂贵若采用金属醇盐和其它有机物为原料,在
生产过程中污染严重,且许多物质为有毒物质,对健康有害[5]；处理过程时间较长,
制品易产生开裂若烧成不够完善，制品中会残留细孔及OH-根或C，后者使制品带黑色这些因素都限制着它的发展这些问题都有待于进一步解决但不可否认的是它为纳米材料的制备提供了一种可行的方法,而且具有极大的潜在应用前景它在制备催化膜时有很大的优越性,且已引起人们的重视[6]。

3 Sol-gel的应用
3.1 耐温性材料
用溶胶-凝胶法制得的有机-无机杂化材料可作为填料,提高材料的耐热性,而且能很好地分散于体系中,避免团聚。

把溶胶-凝胶法制备的多功能巯基硅氧烷溶胶(MPTS 溶胶)、光引发剂加入到改性亚麻籽油(MLO)低聚物中,制备的紫外光固化有机/无机混杂膜的热稳定性比纯MLO 膜高[7]；随SiO
2
含量的增加,杂化材料的Tg升高；一种聚己内酯/环氧树脂有机-无机杂化材料的交联网络的形成显著提
高了材料的耐热性能；一种环糊精聚合物有机-无机杂化材料中TiO
2
的含量为60%时,有机无机相容性和材料的热稳定性能最好[11]；通过溶胶-凝胶法研制出低孔率
SiO
2
涂层,能耐950℃以上的高温[12]。

3.2 电子材料
对导电高分子聚合物改性得到的有机-无机杂化材料,通过改变无机组分的类别和结构,可以从分子设计的角度来满足实际应用的要求。

将氨基嫁接到介孔材料孔壁上,组装出的一种新颖无机-有机杂化材料可有效捕集稀土La3+离子,且比非印迹杂化材料表现出更好的识别选择性；由于铂对过氧化氢还原的催化作用,
酶电极可以在0～0.25V之间测定葡萄糖的浓度；一种含V
2O
5
和聚苯胺(PANI)的有
机-无机杂化材料具有较高的首次抽锂容量；一种有机相与无机相之间是用共价键连接的光固化有机-无机杂化涂料,涂层的抗静电性能非常优良。

3.3光学材料
在当今，光子作为信息载体的研究日益受到重视,结合目前杂化材料所体现出来的各种优良性能,有机-无机杂化光学材料的研究也引起极大的关注。

一种光敏聚酰亚胺/二氧化硅杂化材料,当SiO
2
的含量≤10%时杂化材料除了保持光敏聚酰亚胺原有的感光性能外其热稳定性能、力学性能以及与基底的粘附性能均有明显地提高,同时材料的热膨胀系数也显著地降低；通过双马来化合物加成反应和烷氧基硅烷染料溶胶-凝胶过程,得到热稳定性的非线形聚合物材料。

3.4 防腐材料
有机-无机杂化材料可与金属表面以Si-O-M化学键相结合,能极大地增强膜的附着能力和抗腐蚀能力。

用乙烯基三甲氧基硅烷(VMS)制得的倍半硅氧烷(SSO),涂敷于LY12铝合金表面,提高了膜基结合力,提高了膜层的防腐性能；在溶胶-凝胶复合材料涂层和不锈钢基材之间通过化学键合加入一层聚合物膜,该涂层具有极强的耐腐蚀性；将得到的有机-无机杂化涂层应用到对奥氏体球墨铸铁(AIN)
的保护中,发现杂化涂层提高了AIN的耐腐蚀性能[12]。

3.5生物医用材料
新疑难病症的特效药、病损组织器官的修复、智能可控给药系统等课题的研究所要涉及到的材料都不外乎有机-无机杂化材料。

有机-无机杂化材料
(C
3H
5
N
2
)4PMo V Mo
11
VI O
40
·4DMF·2H
2
O中,十二钼磷酸阴离子和质子化的咪唑分子通过
静电引力和氢键相互作用[13],对其可能体外抗前列腺癌活性及毒性进行了研究；发现由该体系制得的涂层浸泡在模拟体液中时可形成仿生羟基磷灰石膜,并且得到的仿生膜具有可控的晶体和多孔结构,有望与生物功能有机分子配合使用;用明胶/葡萄糖互穿网络结构(IPN)凝胶作为载体与类脂微球制备出控制释放给药系统, 类脂微球从载体上的释放与凝胶受到的刺激有关。

3.6 催化剂
纳米TiO
2
在光照条件下具有催化活性,可降解VOC,有机-无机复合催化剂能增大催化剂的表面积,提高催化效率。

一种二元旋转相分离TiO
2
材料具有很好的光催化活性,能广泛应用于内墙涂料降
低VOC的排放,TiO
2膜层厚度是影响光催化效率的主要参数,在相同厚度时TiO
2
晶
体的尺寸越小,其催化效率越高[15]。

3.7 航空航天
采用溶胶-凝胶法、磁控反应溅射工艺,将氮化铝薄膜涂敷(ALN)于静电纺丝
纳米二氧化硅(SiO
2)纤维上,该ALN/SiO
2
核壳异质结构表明,静电纺丝产生的低质
量、高比表面积的弹性纤维可能在空间站获得运用[16]。

3.8 其他方面的应用
溶胶一凝胶法的基本理论已经建立,但关于体系分子间反应动力学和热力学理论还很不完善,伴随着溶胶转变为凝胶,大分子网络、尺寸及性能都发生突变合成中控制高分子网络的结构,有科学家提出新的理论和研究手段，随着理论知识的完备,通过溶胶凝胶这种湿态化学途径可得到更多的纳米材料,将在宇航、电子、冶金、化学、生物、医学等领域展示广泛的应用前景在光学领域往往需要某种能满足特殊要求的光学膜如高反射膜、低反射膜、波导膜等在玻璃表面制得的仇薄膜具有良好的减反射作用[17]，通过控制工艺因素可以有效地控制薄膜厚度,以便制
得对不同波长光的最优透光膜此外已制备出Ta
2O
5
,SiO
2
-TiO
2
,SiO
2
-B
2
O
3
-Al
2
O
3
,BaO
等组成的反射膜。

4 结语
目前，溶胶凝胶法制备无机有机杂化材料的研究还处于起步阶段。

有待进一步的研究。

其中，形成各种有机物-无机物杂化材料的界面、键合型式、界面的稳定性、面在剪切力作用下的行为、材料的结构与性能、各种功能性的开发以及原料种类、含量、杂化条件等对成品材料性能等影响，都是很重要的研究课题。

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