溶胶-凝胶原理及技术

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。
四、溶胶-凝胶法的基本过程
金属醇盐、溶
1.醇盐水解方法
剂（甲醇、乙 醇等）、水和
催化剂（酸或 弱碱）
水解聚 缩
陈
溶胶
化 涂层、成纤、成
型
湿凝胶
干 燥
成品
热处 理
干凝胶
图1-1 醇盐溶胶-凝胶法基本工艺过程示意 图
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。
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。 ）
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。
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。
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。
（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。
2.溶胶-凝胶法的缺点
（1）所用原料可能有害。
（2）反应影响因素较多。 （3）工艺过程时间较长。 （4）所得到半成品制品容易产生开裂。 （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。
（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。
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。
溶胶-凝胶技术 原理及其应用
The mechanism and application of Sol-Gel technique
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.溶胶(sol)：又称胶体溶液。指在液体介质（主要是液 体）中分散了1~100nm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。
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。
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。
溶胶不是物质而是一种“状态”。
溶胶中的固体粒子大小常在1~5nm，也就是在胶体 粒中的最小尺寸，因此比表面积十分大。
2.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.溶胶-凝胶法的优点
（1）该方法的最大优点是制备过程温度低。
（2）溶胶-凝胶法增进了多元组分体系的化学 均匀性。 （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。 （4）该法制备材料掺杂的范围宽(包Fra Baidu bibliotek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。