溶膠-凝膠法的原理與應(yīng)用分析

朱妍潔

（湖南省常德市芷蘭實驗學(xué)校，湖南 常德 415000）

溶膠-凝膠法的原理與應(yīng)用分析

朱妍潔

（湖南省常德市芷蘭實驗學(xué)校，湖南 常德 415000）

溶膠-凝膠法近年來已經(jīng)在氧化物涂層、玻璃、功能陶瓷粉料的制造中得到了廣泛的應(yīng)用，于溶膠-凝膠法制成的材料具有純度高、穩(wěn)定性強、氣孔分布均勻的優(yōu)勢，而且整個制備過程操作容易、設(shè)備簡單，應(yīng)用范圍非常廣泛。本文主要就溶膠-凝膠法的原理與應(yīng)用進(jìn)行分析。

溶膠-凝膠法；原理；應(yīng)用

溶膠-凝膠法就是將金屬有機物和無機物在溶液中混合均勻，通過水解、聚合等一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定透明無沉淀的溶膠體系，然后放置一段時間后，溶膠顆粒之間緩慢聚合，就形成了失去流動性的凝膠，凝膠再經(jīng)過干燥、燒制等熱處理最終形成無機材料的方法。由于溶膠-凝膠法制成的材料具有純度高、穩(wěn)定性強、氣孔分布均勻的優(yōu)勢，而且整個制備過程操作容易、設(shè)備簡單，近幾年被廣泛應(yīng)用于納米材料、薄膜、傳感器以及制備涂層等領(lǐng)域。

1 溶膠-凝膠法的原理

溶膠-凝膠法的主要制作過程就是將金屬與酯類化合物溶于有機溶劑里，形成溶液，再經(jīng)過溶膠、凝膠，最后經(jīng)過干燥燒制而成制品的過程。

1.1 水解反應(yīng)

在水解反應(yīng)過程中，像Si、Al鹽等離子半徑、配位數(shù)和電負(fù)性常常影響金屬鹽在水中的性質(zhì)，金屬鹽溶解在水中常常會電離出 Mn+，并出現(xiàn)溶劑化的表現(xiàn)。水解反應(yīng)過程中的各種化合物的平衡關(guān)系會隨著電荷轉(zhuǎn)移、溶液酸度的變化而變化。水解反應(yīng)是可逆的，要想阻止可逆反應(yīng)的發(fā)生就需要在反應(yīng)時把醇和水的共沸物排除掉，如果醇鹽的烷劑與溶劑的烷基不同，就會發(fā)生酯化轉(zhuǎn)移反應(yīng)，這些對合成多組分氧化物起著非常重要的作用。

1.2 聚合反應(yīng)

很多金屬元素以及磷、硅等元素的無機鹽或醇鹽在發(fā)生水解反應(yīng)的同時也會發(fā)生聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)在性質(zhì)上屬于加成或取代反應(yīng)，比如：縮聚、失水、氧化、失醇、醇氧化等。硅酸鹽的水解、聚合反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，水解和聚合反應(yīng)幾乎同時進(jìn)行，發(fā)生反應(yīng)的速度取決于三個反應(yīng)速率常數(shù)，在臨近尺度的范圍內(nèi)，中心的硅原子可以產(chǎn)生15種配位方式關(guān)系。

2 溶膠-凝膠法的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于制備納米材料

納米材料就是將納米作為基本單元或三維空間中必須有一圍達(dá)到納米范圍（1-100nm）的材料。隨著對納米技術(shù)研究的不斷深入，納米材料學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)等科學(xué)得到飛速的發(fā)展。由于溶膠-凝膠法對設(shè)備要求不高，反應(yīng)過程中要求溫度適中，化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點，成為納米材料合成的主要方法。該方法就是將無機鹽或金屬醇鹽水解得到均勻溶膠，再加上溶劑、催化劑等形成流動性能差的濕凝膠，再經(jīng)過干燥、燒結(jié)形成超細(xì)化的產(chǎn)物。采用此種方法得到的納米材料具有顆粒小、純度高、顆粒規(guī)整等優(yōu)點。

2.2 應(yīng)用于制備薄膜

用溶膠-凝膠法制備薄膜具有操作簡單、可控性強等特點，制備過程就是將制作薄膜的原材料配成溶液，再形成溶膠，然后將其沉積或涂抹在基質(zhì)上，干燥后得到凝膠膜，最后通過熱處理后得到氧化薄膜。此方法制備的薄膜密閉性好、韌性強、防水性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于制備光電薄膜、絕緣薄膜、有孔薄膜等。

2.3 應(yīng)用于制造傳感器

用溶膠-凝膠法制備出來的光學(xué)材料具有光吸收性小，散射范圍小的特性，所以此種方法非常適合制造光學(xué)傳感器。溶膠-凝膠法制造光學(xué)傳感器的原理是分析物與氧化還原劑或鰲合劑等化學(xué)試劑相互作用，使光學(xué)信號發(fā)生改變。此種方法制造出來的傳感器具有反應(yīng)靈敏度高、穩(wěn)定性強、響應(yīng)時間快等優(yōu)點，此種方法還被廣泛應(yīng)用于制造化學(xué)傳感器和生物傳感器上。

2.4 應(yīng)用于制備涂層方面

溶膠-凝膠法制備涂層方面具有工藝簡單、可控性強、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點。此種方法不僅被應(yīng)用于制備功能性涂層，還在結(jié)構(gòu)材料方面得到廣泛應(yīng)用。比如：可以利用溶膠顆粒微小，表面吸附性強的特點，使材料涂層的結(jié)構(gòu)更加緊密，結(jié)合更加牢固，提高產(chǎn)品的耐磨性和耐腐蝕性。用此種方法制備出來的氧化鋁涂層合金刀具的壽命比一般刀具高出一倍左右。

3 結(jié)論

溶膠-凝膠法作為一種新興的制備產(chǎn)品方法，已經(jīng)在納米技術(shù)、薄膜制備、傳感器產(chǎn)品以及制品涂層方面顯示了自己獨特的優(yōu)勢。但該項技術(shù)還處于逐步完善階段，還有許多問題有待解決，比如制備工藝的原材料大多為有機化合物，成本相對較高，催化劑的選擇，水解、聚合反應(yīng)過程中溫度的控制，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染以及如何防止制品在干燥過程中的開裂問題等等。此外，這一技術(shù)在工藝方面也有一些問題需要解決，如制備和生產(chǎn)周期的問題，毛細(xì)管力的問題、孔隙尺寸與凝膠干燥方法的問題等等。相信隨著科研人員的共同努力，人們對溶膠-凝膠法的研究更加深入，溶膠-凝膠法制備過程中的問題會逐一得到解決，溶膠-凝膠法一定能在制備新材料領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用，給人民的生產(chǎn)生活帶來更大的便利。

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TS193.1

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1003-5168（2015）11-221-01