您现在的位置: 什么是 >> 科学科技 >>  文章正文
什么是溶胶凝胶
作者:佚名 来源:网络 点击数: 日期:2009-5-27

Q:什么是溶胶凝胶?溶胶凝胶是什么意思?

溶胶凝胶是一种胶状悬浮液,可藉由胶化作用得到固体。其产生的多孔性凝胶可藉由化学方法的纯化以及高温火烧,得到高纯度的氧化物。藉由添加一些掺杂,该凝胶也可用来制造特殊的玻璃。在制陶工业中,它被拿来当作熔模铸造的原料,也被拿来当作是制作金属氧化物薄膜的一种方法。由溶胶凝胶法衍伸出来的材料在各个领域都有多项应用,包括光学、电子学、能量、太空、感应等等。

溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是一种制造陶瓷和玻璃的方法,而这个方法包含了系统的液相(溶胶)到固相(凝胶)的转换,它有各式各样的应用;举凡Ultra-fine陶瓷粉、大型制陶及制玻璃业、陶瓷纤维、无机薄膜、气凝胶。由于溶胶凝胶化学在许多方面都有长足的进展,所以世界各地的科学家都致力于运用溶胶凝胶法制造极轻材料和极坚硬的陶瓷。

溶胶的原料是大约数百奈米尺度的固体粒子(通常为无机金属盐)悬浮在液体中。在典型的溶胶凝胶法中,反应物会有一连串的水解反应及聚合反应,生成胶体悬浮液,而其中的物质会凝结成新的相──含有固体高分子的溶剂,此即凝胶。

胶体(colloid)是一种分散相粒径很小的分散体系,分散相粒子的重力可以忽略,粒子之间的相互作用主要是短程作用力。

溶胶(Sol)是具有液体特征的胶体体系,分散的粒子是固体或者大分子,分散的粒子大小在1~1000nm之间。

凝胶(Gel)是具有固体特征的胶体体系,被分散的物质形成连续的网状骨架,骨架空隙中充有液体或气体,凝胶中分散相的含量很低,一般在1%~3%之间。

简单的讲,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-凝胶法是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺。

溶胶-凝胶法的基本原理是:将金属醇盐或无机盐经过水解形成溶胶,或经过解凝形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧,去除有机成分,最后得到无机材料。

溶胶-凝胶法包括以下几个步骤:

第一步为溶胶的制备

第二步为凝胶化

第三步为凝胶的干燥

溶胶-凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点:

(1)由于溶胶-凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液,因此,就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性,在形成凝胶时,反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。

(2)由于经过溶液反应步骤,那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素,实现分子水平上的均匀掺杂。

(3)与固相反应相比,化学反应将容易进行,而且仅需要较低的合成温度,一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内,而固相反应时组分扩散是在微米范围内,因此反应容易进行,温度较低。

(4)选择合适的条件可以制备各种新型材料。

溶胶一凝胶法也存在某些问题:首先是目前所使用的原料价格比较昂贵,有些原料为有机物,对健康有害;其次通常整个溶胶-凝胶过程所需时间较长,常需要几天或儿几周:第三是凝胶中存在大量微孔,在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物,并产生收缩。

最初的溶胶凝胶法可以回朔到七十年前,Geffcken所做的实验。西元一九三九年,他在德国Schott玻璃公司工作时第一次利用溶胶凝胶法,成功地在窗框上了镀膜,为公司申请到了专利。有关溶胶凝胶法的研究在九零年代有重大的成长,全世界已经有超过五万篇的相关论文。

溶胶凝胶的应用

溶胶凝胶法最主要的应用是在制作薄膜上──利用旋转涂布法、浸入涂布法、喷雾法、电泳法、喷墨法、滚压涂布法等方法在基材表面产生薄膜。不仅能在玻璃、金属上,也能在其他各式各样的基质上生成光学镀膜、保护用镀膜、装饰用镀膜、以及制作电光材料。

浇铸入铸模时,如果另外搭配干燥或是加热的程序,可以使陶磁和玻璃物品产生其他方法无法达到的新奇特性。一些巨观光学元件和活性光学之元件,像是热镜、冷镜、透镜、分光器等等,都可以用溶胶凝胶法以快速且最低成本得到最佳外型。

适当地调整溶胶的黏性,也可制造出常用于光学纤维感应器和热绝缘体的光学纤维和陶瓷防火纤维。

Ultra-fine陶瓷粉或是普通陶瓷粉是由溶胶中的沉淀物所形成的。这种单或多组成的次微米物质可以运用在牙医和生医方面。不同组成的粉末也被用在农业化学和除草剂上。在许多的抛光作业中也会用作为研磨料。

溶胶凝胶法另一个重要的应用是在沸石的合成上。可以让其他的成分(金属、金属氧化物)可以很容易地被混入最终产物中,且以这个方法制作出的silicalite sol非常稳定。

微米过滤法、超细过滤法、奈米过滤法、渗透蒸发、逆渗透时所用到的陶瓷物质,皆由溶胶凝胶法所得。

若在supercritical的环境下将潮湿的凝胶中的液体抽离,可以得到一高渗水性、低密度的物质,称为空气胶。在低温(25℃~100℃)干燥凝胶,可以得到渗水性固体Matrix,称为xerogel。

在五零年代,在制作用于核子燃料的UO2和ThO2的放射性粉末时,为避免产生大量灰尘,也运用了溶胶凝胶法的技术

发表评论
昵 称:
评 分: 非常差 很差 一般 很好 非常好
评论内容(至少5个字0/5000)
同时发布到QQ微博 同时发布到新浪微博
标签云