溶胶-凝胶法及制备粉体教材

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溶胶-凝胶法及制备粉体教材

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https://m.renrendoc.com/paper/331772224.html

溶胶-凝胶法是一种重要的材料制备技术，广泛应用于粉体、块体、纤维和薄膜等材料的制备。本文将详细介绍溶胶-凝胶法的历史发展、基本原理、工艺步骤及其在钛酸钡粉体制备中的具体应用。

一、溶胶-凝胶法的历史发展

溶胶-凝胶法的历史可以追溯到19世纪中叶。1846年，Ebelmen首次发现凝胶；1853年，Farady在实验室中制备了最古老的溶胶，至今仍保持稳定；1861年，Thomas Graham建立了胶体化学作为一门独立的学说，定义了sol（溶胶）、gel（凝胶）、peptization（胶溶）、dialysis（渗析）和syneresis（离浆）等概念。1971年，德国的H.Dislich成功制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。20世纪80年代后，溶胶-凝胶法在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料、复合氧化物陶瓷材料（粉体、薄膜、纤维、晶须、块体）等领域得到广泛应用。1994年，在美国加利福尼亚圣地亚哥举行的Sol-Gel光子学会议上，展示了三种有前途的产品：西班牙D.Levy小组演示的液晶显示器、爱尔兰B.D.MacCraith发明的光纤传感器以及法国J.Livage制备的生物寄生检测器。

二、溶胶-凝胶法的基本原理

1. 溶胶与凝胶的定义

溶胶（Sol）：具有液体特征的胶体体系，分散介质为液体，分散相是固体粒子，分散粒子大小在1～100nm之间。
凝胶（Gel）：具有固体特征的胶体体系，被分散物质形成连续的刚性网状骨架，网络间具有亚微米级孔隙，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶聚合物链的平均长度大于一微米，如果冻等。大多数凝胶是无定形的。

2. 溶胶-凝胶法的基本原理

溶胶-凝胶法是指先制成溶胶，再使之胶凝、干燥、热分解（烧成），而得到所需材料的方法。其中，“溶胶”一般是指液-固溶胶（Sol）。

3. 凝胶-溶胶（Sol-gel）技术

凝胶-溶胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化、再经过热处理而成氧化物或其它化合物固体的方法。溶解前驱体溶液溶胶凝胶凝胶水解缩聚老化。

4. 水解反应与缩合-聚合反应

水解反应：M(OR)4 + χ H2O = M(OR)4-OH + χ ROH
缩合-聚合反应：
失水缩合：-M-OH + OH-M- = -M-O-M- + H2O
失醇缩合：-M-OR + OH-M- = -M-O-M- + ROH

缩合产物不断发生水解、缩聚反应，溶液的粘度不断增加，最终形成凝胶——含金属—氧—金属键网络结构的无机聚合物。由于金属—氧—金属键的形成，使Sol—Gel法能在低温下合成材料。Sol—Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝胶。

三、溶胶-凝胶法的分类

按其产生溶胶及溶胶向凝胶演变的过程机制可以分为：胶体粒子路线、有机聚合物路线和络合物法。

1. 胶体粒子路线

采用无机盐或金属烷氧基化合物为前驱物，将盐或金属烷氧基化合物与过量的水反应得到凝胶状的氢氧化物沉淀，然后用电解质（常用酸）通过胶溶作用生成稳定的胶体。溶胶中微粒的大小依赖于过程的各种参数。

2. 化学法（聚合物溶胶法）

以金属醇盐为前驱物，同样，必须将醇盐溶于相应的有机溶剂中，然后控制加水量，使醇盐发生部分水解，接着进行聚合反应而形成溶胶。该路线可以得到比粒子胶更小的颗粒尺寸和更精细的结构。

3. 络合物法

使金属离子和含羟基的羧酸形成螯合物，适当温度下缩合(使发生脂化反应)形成溶胶(Sol),进一步蒸馏，除去生成的过量水，即进一步聚脂化反应、缩合，形成凝胶（gel）。

四、溶胶-凝胶法的应用

溶胶-凝胶法广泛应用于粉体材料、块体或多孔材料、纤维材料、薄膜及涂层材料、气凝胶等的制备。以制备陶瓷粉体为例，钛酸钡(BaTiO3)具有良好的介电性，是电子陶瓷领域应用最广的材料之一。传统的BaTiO3制备方法是固相合成，这种方法生成的粉末颗粒粗且硬，不能满足高科技应用的要求。现代科技要求陶瓷粉体具有高纯、超细、粒径分布窄等特性。溶液化学法是制备超细粉体的一种重要方法，其中以溶胶-凝胶法最为常用。