下載本文檔
版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡介
1、利用溶膠凝膠法制備納米材料的基本原理學(xué)院:材料學(xué)院 班號:1109102 學(xué)號:1110910209 姓名:袁皓摘 要:本文介紹了納米材料的性能用途以及制備方法,主要是新興的制備納米材料低溫工藝溶膠凝膠法,在文中詳細(xì)說明了溶膠凝膠法的類型和特征,重點描述了利用溶膠凝膠法制備納米材料的類型,基本原理以及簡略的操作流程。 關(guān)鍵詞:納米材料 溶膠凝膠 基本原理一 溶膠凝膠法的基本原理溶膠凝膠(sol-gel)法是一種制備超細(xì)粉末的一種濕化學(xué)法,它是以液體的化學(xué)試劑配制成金屬有機或無機化合物或者是金屬醇鹽前驅(qū)物,前驅(qū)物溶于溶劑中形成均勻的溶液,溶質(zhì)與
2、溶劑產(chǎn)生水解或是醇解反應(yīng),反應(yīng)生成物在液相下均勻混合,均勻反應(yīng),生成穩(wěn)定且無沉淀的溶膠體系,放置一段時間后或是干燥處理溶膠之后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z,在凝膠中通常含有大量的液相物質(zhì),需要利用萃取或蒸發(fā)除去液體介質(zhì),并在遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的燒結(jié)溫度下熱處理,最后形成相應(yīng)物質(zhì)化合物粉體,利用溶膠凝膠法還可以制備其他形態(tài)的材料包括單晶、纖維、圖層、薄膜材料等。表2-1 對于制備納米材料的溶膠凝膠法類型和特征1.1 溶劑化能電離的前驅(qū)物金屬鹽的金屬陽離子 Mz+吸引水分子形成溶劑單元(M(H2O)n)z+(z 為M 離子的價數(shù)),為保持它的配位數(shù)而具有強烈的釋放 H的趨勢。(M(H2O)n)z+=(M(H2O)
3、n-1(OH)(z-1)+H1.2 水解反應(yīng)非電離式分子前驅(qū)物,如金屬醇鹽 M(OR)n(n 為金屬 M 的原子價,R 代表烷基),與水反應(yīng),反應(yīng)可延續(xù)進(jìn)行,直至生成M(OH)n。M(OR)nxH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH1.3 縮聚反應(yīng)可分為失水縮聚:-M-OH+HO-MM-O-M-+H2O失醇縮聚:-M-OR+HO-M-M-O-M+ROH二 溶膠凝膠法的工藝過程1.金屬無機鹽在水溶液中的水解 金屬鹽在水中的性質(zhì)受金屬粒子半徑大小、電負(fù)性、配位數(shù)的影響。它們?nèi)苡诩兯谐k婋x析出Mz+離子并溶劑化,根據(jù)溶液的酸度和相應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移大小,水解反應(yīng)存在下列平衡關(guān)系:M-OHZ
4、+M-OH(Z-1)+H+M=O(Z-2)+2H由上述平衡,任何無機鹽前驅(qū)物的水解產(chǎn)物都可以粗略地寫在MONH2N-h(Z-h)+其中N是M的配位數(shù),Z是M的原子價,h稱為水解摩爾比。H=0時,M(OH)NZ+是水合離子;當(dāng)h=2N時,MON(2N-Z)-是M=0形式;當(dāng)0<h<2N時分為三種形式:h=N時為M(OH)N(N-X)-,h>2N時為MOX(OH)(N-X)(N+X-Z)-,h>2N時為MOX(OH)(N-X)(N+X-Z)- 這幾種形態(tài)均勻溶液的PH有關(guān)。溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應(yīng), 反應(yīng)生成物聚集成1nm 左右的粒子并組成溶膠,后者經(jīng)蒸發(fā)
5、干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z, 因此更全面地看, 此法應(yīng)稱為SSG法, 即溶液-溶膠-凝膠法, 最基本的反應(yīng)。2. 與溶膠的制備有關(guān)的因素1) 水的加入量: 水的加入量低于按化學(xué)計量關(guān)系所需要的消耗量時,隨著水量的增加,溶膠的時間會逐漸縮短,超過化學(xué)計量關(guān)系所需量時,溶膠時間又會逐漸增長,所以按化學(xué)計量加入時成膠的質(zhì)量好,而且成膠的時間相對較短。 2) 滴加速度: 醇鹽易吸收空氣中的水水解凝固,因此在滴加醇鹽醇溶液時,其他因素一致情況下觀察滴加速率,發(fā)現(xiàn)滴加速率明顯影響溶膠時間,滴加速率越快,凝膠速度也快,但速度快,易
6、造成局部水解過快而聚合膠凝生成沉淀,同時一部分溶膠液未發(fā)生水解最后導(dǎo)致無法獲得均一的凝膠,所以在反應(yīng)時還應(yīng)輔以均勻攪拌,以保證得到均一的凝膠。 3) 反應(yīng)液的PH值: 反應(yīng)液的pH 不同,其反應(yīng)機理不同,對同一種金屬醇鹽的水解縮聚,往往產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、形態(tài)不同的縮聚。pH 較小時,縮聚反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水解反應(yīng),水解由H+的親電機理引起的。縮聚反應(yīng)在完全水解前已經(jīng)開始,因此縮聚物交聯(lián)度低。pH 較大時,體系的水解反應(yīng)體系由OH-的親核取代引起,水解速度大于親核速度,形成大分子聚合物,有較高的交聯(lián)度。 4) 反應(yīng)溫度:
7、60;溫度升高,水解速率相應(yīng)增大,膠粒分子動能增加,碰撞幾率也增大,聚合速率快,從而導(dǎo)致溶膠時間縮短;另一方面,較高溫度下溶劑醇的揮發(fā)快,相當(dāng)于增加了反應(yīng)物濃度,加快了溶膠速率,但溫度升高也會導(dǎo)致生成的溶膠相對不穩(wěn)定,且易生成多種水解產(chǎn)物聚合。3.凝膠化具流動性的溶膠通過進(jìn)一步縮聚反應(yīng)形成不能流動的凝膠體系。經(jīng)縮聚反應(yīng)形成的溶膠溶液在陳化時,聚合物進(jìn)一步聚集長大成為小粒子簇,它們相互碰撞連接成大粒子簇,同時,液相被包于固相骨架中失去流動,形成凝膠。陳化形成凝膠過程中,會發(fā)生 Ostward 熟化,即大小粒子因溶解度的不同而造成平均粒徑的增加。陳化時間過短,顆粒尺寸反而不均勻;時間過長,粒子長大
8、、團(tuán)聚,不易形成超細(xì)結(jié)構(gòu),由此可見,陳化時間的選擇對產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)非常重要。4.凝膠的干燥1.一般干燥:目的是把濕凝膠膜包裹的大量溶劑和水通過干燥除去,得到干凝膠膜。因干燥過程體積收縮,很易導(dǎo)致干凝膠膜的開裂,導(dǎo)致開裂的應(yīng)力主要來源于毛細(xì)管力,而該力又是因充填于凝膠骨架孔隙中的液體的表面張力所引起的。因此干燥過程中應(yīng)注意在減少毛細(xì)管力和增強固相骨架這二方面入手。目前干燥方法主要有以下兩種:(1)控制干燥,即在溶膠制備中,加入控制干燥的化學(xué)添加劑,如甲酰胺、草酸等。由于它們的低蒸汽壓、低揮發(fā)性,能把不同孔徑中的醇溶劑的不均勻蒸發(fā)大大減少,從而減小干燥應(yīng)力,避免干凝膠的開裂。(2)超臨界干燥,即將
9、濕凝膠中的有機溶劑和水加熱加壓到超過臨界溫度、臨界壓力,則系統(tǒng)中的液氣界面將消失,凝膠中毛細(xì)管力也不復(fù)存在,從而從根本上消除導(dǎo)致凝膠開裂應(yīng)力的產(chǎn)生。2.熱處理:進(jìn)一步熱處理,消除干凝膠的氣孔,使其致密化,并使制品的相組成和顯微結(jié)構(gòu)能滿足產(chǎn)品性能的要求。在加熱過程中,須先在低溫下脫去干凝膠吸附在表面的水和醇,在升溫過程中速度不宜太快,因為熱處理過程中伴隨較大的體積收縮、各種氣體的釋放(二氧化碳、水、醇),且須避免發(fā)生炭化而在制品中留下炭質(zhì)顆粒(-OR 基在非充分氧化時可能炭化)。熱處理的設(shè)備主要有:真空爐、干燥箱等。三 溶膠凝膠法的優(yōu)缺點優(yōu)點:1) 所用原料首先被分散在溶劑中而形成低粘
10、度的溶膠,因此,可以在很短的時間內(nèi)獲得分子水平上的均勻性,形成凝膠。 2) 與固相反應(yīng)相比,溶膠凝膠法屬于液相化學(xué)反應(yīng)僅需要較低的合成溫度,一般認(rèn)為,溶膠凝膠體系中組分的擴散是在納米范圍內(nèi)。 3) 制品微粒的粒徑小、均勻度較高、純度高、燒結(jié)溫度低,同一原料改變工藝過程即可獲得不同的產(chǎn)物,尤其對多組分材料的制備,反應(yīng)過程易于控制。 4) 不需要外加能量,污染少。缺點:1) 原料大多數(shù)是有機化合物所以成本較高,而且有機溶劑一般對人體有傷害; 2) 存在殘留小孔洞; 3) 熱處理
11、時溫度處理不當(dāng),可能會導(dǎo)致殘留的碳; 4) 較長的反應(yīng)時間,有時長達(dá)12月; 5) 制品易產(chǎn)生開裂, 這是由于凝膠中液體量大, 干燥時產(chǎn)生收縮引起; 6) 若燒成不夠完善,制品中會殘留細(xì)孔及OH-或C,后者使制品帶黑色。四 在制備材料方面的的應(yīng)用溶膠-凝膠法可制得的材料主要有以下幾大類型:纖維材料、涂層和薄膜材料、超細(xì)粉末材料等。1. 纖維材料溶膠-凝膠法可用于制備纖維材料。當(dāng)分子前驅(qū)體經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成類線性無機聚合物絡(luò)合物間呈類線性締合時,使體系粘度不斷提高,當(dāng)粘度值達(dá) 10100 Pa·s 時,通過挑絲
12、法可從凝膠中拉制成凝膠纖維,經(jīng)熱處理后可轉(zhuǎn)變成相應(yīng)玻璃或陶瓷纖維。近年來,溶膠-凝膠法在制備 ABO3鈣鈦礦型鈦酸鹽系列陶瓷纖維中已得到廣泛應(yīng)用,如BaTiO3,Pb-TiO3,鈦酸鋯鉛(PZT)等。2. 薄膜涂層材料制備薄膜涂層材料是溶膠-凝膠法最有前途的應(yīng)用方向,工藝過程:溶膠制備基材預(yù)備涂膜干燥熱處理,目前應(yīng)用已經(jīng)制備出光學(xué)膜、波導(dǎo)膜、著色膜、電光效應(yīng)膜、分離膜、保護(hù)膜等。3. 超細(xì)粉末運用溶膠-凝膠法,將所需成分的前驅(qū)物配制成混合溶液,形成溶膠后,繼續(xù)加熱使之成為凝膠,將樣品放于電熱真空干燥箱在高溫抽真空烘干,得干凝膠,取出在瑪瑙研缽中研碎,放于高溫電阻爐中煅燒,取出產(chǎn)品,冷卻至室溫后研磨即可得超細(xì)粉末。目前采用此法已制備出種類眾多的氧化物粉末和非氧化物粉末。如 NdFeO3的制備。參考文獻(xiàn):1Jones W·R Fundamental Principles of principles of Sol-Gel Technology,Londln Institute of Metal ,1992 . 2
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2025年度害蟲防治項目監(jiān)理與驗收合同
- 2025年度養(yǎng)老地產(chǎn)合作開發(fā)合同風(fēng)險評估與管理
- 2025年度合作社農(nóng)村金融合作合同范本
- 2025年度新能源汽車推廣應(yīng)用合同格式標(biāo)準(zhǔn)范本 - 副本
- 2025年合同主體變更及責(zé)任風(fēng)險分擔(dān)補充協(xié)議范本
- 上海房屋租賃標(biāo)準(zhǔn)化合同(2024)版B版
- 二零二五年度山地林業(yè)合作開發(fā)合同3篇
- 2025年度個人所得稅代理服務(wù)合同協(xié)議書
- 2025年度節(jié)能環(huán)保型鍋爐設(shè)備買賣合同范本
- 2025年度國際電信設(shè)備買賣國際貨物買賣合同范本
- 合同簽訂執(zhí)行風(fēng)險管控培訓(xùn)
- DB43-T 3022-2024黃柏栽培技術(shù)規(guī)程
- 成人失禁相關(guān)性皮炎的預(yù)防與護(hù)理
- 人教版(2024新版)七年級上冊數(shù)學(xué)第六章《幾何圖形初步》測試卷(含答案)
- 九宮數(shù)獨200題(附答案全)
- JT-T-496-2018公路地下通信管道高密度聚乙烯硅芯塑料管
- 食材配送投標(biāo)方案技術(shù)標(biāo)
- 再見深海合唱簡譜【珠海童年樹合唱團(tuán)】
- 《聚焦客戶創(chuàng)造價值》課件
- PTW-UNIDOS-E-放射劑量儀中文說明書
- 保險學(xué)(第五版)課件全套 魏華林 第0-18章 緒論、風(fēng)險與保險- 保險市場監(jiān)管、附章:社會保險
評論
0/150
提交評論