溶膠-凝膠法的原理與應用分析

朱妍潔

（湖南省常德市芷蘭實驗學校，湖南 常德 415000）

溶膠-凝膠法的原理與應用分析

朱妍潔

（湖南省常德市芷蘭實驗學校，湖南 常德 415000）

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

溶膠-凝膠法；原理；應用

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反應，生成穩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、穩定性強、氣孔分布均勻的優勢，而且整個制備過程操作容易、設備簡單，近幾年被廣泛應用于納米材料、薄膜、傳感器以及制備涂層等領域。

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，再經過溶膠、凝膠，最后經過干燥燒制而成制品的過程。

1.1 水解反應

在水解反應過程中，像Si、Al鹽等離子半徑、配位數和電負性常常影響金屬鹽在水中的性質，金屬鹽溶解在水中常常會電離出 Mn+，并出現溶劑化的表現。水解反應過程中的各種化合物的平衡關系會隨著電荷轉移、溶液酸度的變化而變化。水解反應是可逆的，要想阻止可逆反應的發生就需要在反應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，就會發生酯化轉移反應，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

很多金屬元素以及磷、硅等元素的無機鹽或醇鹽在發生水解反應的同時也會發生聚合反應。聚合反應在性質上屬于加成或取代反應，比如：縮聚、失水、氧化、失醇、醇氧化等。硅酸鹽的水解、聚合反應是一個復雜的過程，水解和聚合反應幾乎同時進行，發生反應的速度取決于三個反應速率常數，在臨近尺度的范圍內，中心的硅原子可以產生15種配位方式關系。

2 溶膠-凝膠法的應用

2.1 應用于制備納米材料

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到納米范圍（1-100nm）的材料。隨著對納米技術研究的不斷深入，納米材料學、納米化學、納米生物學等科學得到飛速的發展。由于溶膠-凝膠法對設備要求不高，反應過程中要求溫度適中，化學性能穩定等優點，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，再經過干燥、燒結形成超細化的產物。采用此種方法得到的納米材料具有顆粒小、純度高、顆粒規整等優點。

2.2 應用于制備薄膜

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、防水性好等優點，被廣泛應用于制備光電薄膜、絕緣薄膜、有孔薄膜等。

2.3 應用于制造傳感器

用溶膠-凝膠法制備出來的光學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傳感器。溶膠-凝膠法制造光學傳感器的原理是分析物與氧化還原劑或鰲合劑等化學試劑相互作用，使光學信號發生改變。此種方法制造出來的傳感器具有反應靈敏度高、穩定性強、響應時間快等優點，此種方法還被廣泛應用于制造化學傳感器和生物傳感器上。

2.4 應用于制備涂層方面

溶膠-凝膠法制備涂層方面具有工藝簡單、可控性強、產品純度高等優點。此種方法不僅被應用于制備功能性涂層，還在結構材料方面得到廣泛應用。比如：可以利用溶膠顆粒微小，表面吸附性強的特點，使材料涂層的結構更加緊密，結合更加牢固，提高產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 結論

溶膠-凝膠法作為一種新興的制備產品方法，已經在納米技術、薄膜制備、傳感器產品以及制品涂層方面顯示了自己獨特的優勢。但該項技術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、聚合反應過程中溫度的控制，在生產過程中產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，這一技術在工藝方面也有一些問題需要解決，如制備和生產周期的問題，毛細管力的問題、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域得到更為廣泛的應用，給人民的生產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