溶膠-凝膠原理與納米材料的制備課件

1、溶膠溶膠- -凝膠原理與納米材料的制備凝膠原理與納米材料的制備8.1 溶膠溶膠凝膠的基本概念凝膠的基本概念第八章第八章 溶膠溶膠- -凝膠原理與技術凝膠原理與技術溶膠溶膠又稱膠體溶液，是指在分散體系中保持固體又稱膠體溶液，是指在分散體系中保持固體物質不沉淀的膠體。膠體中固體粒子大小物質不沉淀的膠體。膠體中固體粒子大小一般為一般為15nm.分散相分散相 + 分散介質分散介質 溶膠（分散系）溶膠（分散系）分散介質：分散介質： 液體液體，水，即水溶膠。如：水，即水溶膠。如：牛奶牛奶 氣體，即氣溶膠。如：液體與氣體形成的氣體，即氣溶膠。如：液體與氣體形成的霧霧 凝膠凝膠又稱又稱凍膠凍膠，是溶膠失去流動

2、性后，一種，是溶膠失去流動性后，一種富含液體的富含液體的半固態(tài)物質半固態(tài)物質。 凝膠是一種凝膠是一種柔軟的半固體柔軟的半固體，由大量的膠，由大量的膠束組成的束組成的三維網絡三維網絡。膠凝時間膠凝時間在完成凝膠的大分子聚合過程在完成凝膠的大分子聚合過程中最后鍵合的時間。中最后鍵合的時間。4溶膠溶膠-凝膠法：凝膠法： 溶膠溶膠-凝膠法凝膠法是制備材料的是制備材料的濕化學濕化學方法中一方法中一種方法。由金屬有機化合物、金屬無機化合物種方法。由金屬有機化合物、金屬無機化合物或兩者混合物經過水解縮聚過程，逐漸凝膠化或兩者混合物經過水解縮聚過程，逐漸凝膠化并進行相應的后處理（如煅燒），而獲得氧化并進行相應

3、的后處理（如煅燒），而獲得氧化物或其他化合物的工藝。物或其他化合物的工藝。5溶膠溶膠-凝膠法的發(fā)展歷史凝膠法的發(fā)展歷史1846年年 J.J.Ebelmen開始進行該項研究；開始進行該項研究；1930 W. Geffcken用金屬醇鹽水解和凝膠化制用金屬醇鹽水解和凝膠化制備氧化物薄膜，從而證實可行性；備氧化物薄膜，從而證實可行性；1971年年 H.Dislich制備出多組分玻璃，引起制備出多組分玻璃，引起關注，并迅速發(fā)展；關注，并迅速發(fā)展；1980 開始被廣泛應用，鐵電材料、超導、開始被廣泛應用，鐵電材料、超導、粉末冶金、陶瓷、薄膜的制備；粉末冶金、陶瓷、薄膜的制備；溶膠溶膠-凝膠法的應用凝膠法

4、的應用1. 隔熱材料隔熱材料nSiOSiO2 2氣凝膠氣凝膠具有高的透光率并能有效阻止環(huán)境溫具有高的透光率并能有效阻止環(huán)境溫度的熱輻射，因此被用作太陽能集熱器中的透明度的熱輻射，因此被用作太陽能集熱器中的透明隔熱材料。隔熱材料。2. 電介質材料電介質材料n氣凝膠氣凝膠介電常數極低且連續(xù)可調，可用作高速運介電常數極低且連續(xù)可調，可用作高速運算的大規(guī)模集成電路的襯底材料。算的大規(guī)模集成電路的襯底材料。73. 納米材料納米材料nSiOSiO2 2、TiO2TiO2、ZrOZrO2 2、YSZYSZ、MSZMSZ等納米粉體等納米粉體88.2 溶膠溶膠- 凝膠法制備納米粉體凝膠法制備納米粉體 溶膠溶膠-

5、凝膠法主要用于制備凝膠法主要用于制備氧化物玻璃、高純陶瓷氧化物玻璃、高純陶瓷粉末和硅酸鹽粉末和硅酸鹽等。采用溶膠等。采用溶膠-凝膠法制備的粉體，純度凝膠法制備的粉體，純度高、高均勻性、超細。高、高均勻性、超細。特點特點：一、溶膠-凝膠法制備納米粉末的常用方法：1、金屬醇鹽水解法、金屬醇鹽水解法2、金屬螯合溶膠法、金屬螯合溶膠法 原位聚合法及聚合螯合法原位聚合法及聚合螯合法（polymerized complex method,PC法法） 聚合物前驅液法聚合物前驅液法（polymer precursor method, PP法法）1 1、金屬醇鹽水解法、金屬醇鹽水解法 將金屬有機化合物溶解合適的

6、溶液中，發(fā)生一系列的化學將金屬有機化合物溶解合適的溶液中，發(fā)生一系列的化學反應，如水解、縮聚和聚合，形成連續(xù)的無機網絡凝膠。反應，如水解、縮聚和聚合，形成連續(xù)的無機網絡凝膠。 獲得無機凝膠的途徑：獲得無機凝膠的途徑：p 采用金屬醇鹽，加水后快速溶解；采用金屬醇鹽，加水后快速溶解；p 采用能夠在水中穩(wěn)定的金屬螯合物，但水解速度較慢。采用能夠在水中穩(wěn)定的金屬螯合物，但水解速度較慢。 影響水解的因素：影響水解的因素：p 水與醇鹽的摩爾比；水與醇鹽的摩爾比；p 溶液的種類；溶液的種類；p 溶液的溫度及溶液的溫度及pH值；值； 適當調節(jié)這些因素，可以適當調節(jié)這些因素，可以獲得線型或交聯程度較高獲得線型或

7、交聯程度較高的聚合凝膠的聚合凝膠溶膠凝膠法制備溶膠凝膠法制備ZnTiO3ZnTiO3粉末粉末 ZnTiO3廣泛應用于廣泛應用于除硫催化劑除硫催化劑、微波介質陶瓷以及、微波介質陶瓷以及NO、CO氣敏傳感器中。氣敏傳感器中。 制備方法：制備方法：p 前驅體溶液的制備：前驅體溶液的制備： CH3COOH（ 醋酸）醋酸） Ti(OC4H9)4 (四丁基太酸鹽四丁基太酸鹽) 將其溶入將其溶入 HCl水溶液（水溶液（H2O ：HCl=10.9:1）,加熱至加熱至50并充分攪拌直至溶液透明，并呈黃色并充分攪拌直至溶液透明，并呈黃色= 3.7 ：1p 溶膠的制備：溶膠的制備：溶膠凝膠法制備溶膠凝膠法制備ZnT

8、iO3ZnTiO3粉末粉末然后按照：然后按照： Ti(OC4H9)4 (四丁基太酸鹽四丁基太酸鹽) HCl= 1.5 ：1p 凝膠的制備：凝膠的制備： Zn(NO3)26H2O逐步滴入所制備好的溶膠中，逐步滴入所制備好的溶膠中， 使其使其Zn：Ti 比比 = 1； 在在50條件下不斷的攪拌，直至得到透明的凝膠。條件下不斷的攪拌，直至得到透明的凝膠。最后進行最后進行800C熱處理，即可得到熱處理，即可得到ZnTi O3納米粉末納米粉末。 1 1、金屬醇鹽水解法、金屬醇鹽水解法 制備多金屬組分凝膠制備多金屬組分凝膠：（如：（如Y2O3穩(wěn)定穩(wěn)定ZrO2粉末）粉末）p 首先將幾種金屬醇鹽在適當的有機溶

9、劑中混合制得前驅體首先將幾種金屬醇鹽在適當的有機溶劑中混合制得前驅體p 然后加水水解，即可獲得多組分金屬凝膠。然后加水水解，即可獲得多組分金屬凝膠。p 影響不同金屬組分均勻性的因素：影響不同金屬組分均勻性的因素： 形成凝膠前，各種醇鹽是否混合均勻；形成凝膠前，各種醇鹽是否混合均勻； 各種醇鹽對水的水解活性差異；各種醇鹽對水的水解活性差異；通過添加有機絡合劑（或螯合劑）可以改通過添加有機絡合劑（或螯合劑）可以改善混合均勻性問題。常用的善混合均勻性問題。常用的絡合劑絡合劑： 羧酸或羧酸或 - 二酮二酮解決方法解決方法2 2、金屬螯合凝膠法、金屬螯合凝膠法基本思路：基本思路： 通過可溶性螯合物的形成

10、減少前驅體液中的通過可溶性螯合物的形成減少前驅體液中的自由離子。自由離子。具體方法具體方法： 在制備前驅體時添加在制備前驅體時添加螯合劑螯合劑，如，如檸檬酸檸檬酸和和EDTA（ethylene-diaminetetra-acetic acid），同時控制同時控制溶液的溶液的pH值值、溫度溫度和和濃度濃度等常數，并將溶劑去除就可以等常數，并將溶劑去除就可以形成凝膠。形成凝膠。2 2、金屬螯合凝膠法、金屬螯合凝膠法1）原位聚合法及聚合螯合法（）原位聚合法及聚合螯合法（PC法）：法）：原理：原理： 有機單體聚合形成不斷生長的剛性有機聚合網絡，有機單體聚合形成不斷生長的剛性有機聚合網絡，包圍穩(wěn)定的金屬

11、螯合物，從而減弱不同金屬離子的差異包圍穩(wěn)定的金屬螯合物，從而減弱不同金屬離子的差異性，減少各金屬在高溫分解過程中的偏析。性，減少各金屬在高溫分解過程中的偏析。2 2、金屬螯合凝膠法、金屬螯合凝膠法1）原位聚合法及聚合螯合法（）原位聚合法及聚合螯合法（PC法）：法）：Pechini法法（典型代表）：（典型代表）： 在金屬螯合物之間利用在金屬螯合物之間利用-羥基羧酸羥基羧酸和和多羥基醇多羥基醇的酯化的酯化作用形成聚合物。常用的是物質是檸檬酸作用形成聚合物。常用的是物質是檸檬酸（CA）和和乙二乙二醇（醇（EG），）， 首先制備金屬首先制備金屬-檸檬酸螯合物；檸檬酸螯合物； 然后與乙二醇在適當溫度（然

12、后與乙二醇在適當溫度（100150C）迅速發(fā)生酯化）迅速發(fā)生酯化 一般一般CA/EG = 20/80.具體方法：具體方法：2 2、金屬螯合凝膠法、金屬螯合凝膠法2）聚合法前驅液法（）聚合法前驅液法（PP法法）：）：方法方法： l首先在含水的金屬鹽溶液中加入水溶性的聚合物首先在含水的金屬鹽溶液中加入水溶性的聚合物 ， 如：如： 聚乙烯醇聚乙烯醇PVA、聚丙烯酸、聚丙烯酸PAA、聚乙烯亞胺、聚乙烯亞胺 PEIl 然后，金屬離子充當聚合物之間的交聯劑形成三維網絡，而形成凝膠然后，金屬離子充當聚合物之間的交聯劑形成三維網絡，而形成凝膠3 3、溶膠凝膠法的應用、溶膠凝膠法的應用溶膠凝膠法合成的粉體材料溶

13、膠凝膠法合成的粉體材料粉體名稱粉體名稱主要用途主要用途粉體名稱粉體名稱主要用途主要用途SiO2,Al2O3光纖、陶瓷羥基羥基凝灰石生物活性材料TiO2, ZrO2SiC光纖、傳感器耐火材料LaCoO3ZnS，CaS氣敏材料半導體4 4、溶膠凝膠法制備納米材料的過程、溶膠凝膠法制備納米材料的過程溶膠凝膠法合成的粉體材料的基本流程：溶膠凝膠法合成的粉體材料的基本流程：溶質溶質溶劑溶劑催化劑催化劑溶膠溶膠濕凝膠濕凝膠干凝膠干凝膠粉體粉體水解水解縮聚縮聚凝膠化凝膠化干燥干燥脫水脫水熱處理熱處理4 4、溶膠凝膠法制備納米材料的過程、溶膠凝膠法制備納米材料的過程第一步：第一步： 制取包含金屬醇鹽和水的均勻

14、溶液，以保證醇鹽的制取包含金屬醇鹽和水的均勻溶液，以保證醇鹽的水解反應在分子水平上進行。水解反應在分子水平上進行。 第二步：第二步： 制備溶膠，即聚合。制備溶膠，即聚合。第三步：第三步： 將溶膠通過陳化得到濕凝膠。將溶膠通過陳化得到濕凝膠。 第四步：第四步： 凝膠干燥凝膠干燥4 4、溶膠凝膠法制備納米材料的工藝影響因素、溶膠凝膠法制備納米材料的工藝影響因素1）溶劑的影響：）溶劑的影響： 溶劑的選擇是溶膠制備的前提。不同溶劑所形成的溶劑的選擇是溶膠制備的前提。不同溶劑所形成的溶膠，其溶膠向凝膠轉化的時間不同，因此對所制備的溶膠，其溶膠向凝膠轉化的時間不同，因此對所制備的粉末粒徑有影響。粉末粒徑有

15、影響。 2）加水量的影響：）加水量的影響： 加水量對醇鹽水解縮聚物的結構有較大影響。加水量對醇鹽水解縮聚物的結構有較大影響。 加水量少，醇鹽分子被水解的烷氧基團少，易形成加水量少，醇鹽分子被水解的烷氧基團少，易形成低交聯度產物，反之則形成高交聯度的產物。低交聯度產物，反之則形成高交聯度的產物。 粉體的晶粒尺寸隨加水量的增加而增大粉體的晶粒尺寸隨加水量的增加而增大。4 4、溶膠凝膠法制備納米材料的工藝影響因素（續(xù)）、溶膠凝膠法制備納米材料的工藝影響因素（續(xù)）3）醇鹽品種及其濃度的影響：）醇鹽品種及其濃度的影響： 同一種元素的不同醇鹽的水解速率不同。同一種元素的不同醇鹽的水解速率不同。 濃度較低時

16、，將會延長凝膠的膠凝時間；濃度較低時，將會延長凝膠的膠凝時間； 濃度過高時，濃度過高時， 容易引起離子的聚集或沉淀。容易引起離子的聚集或沉淀。4）pH值的影響：值的影響： 調整調整pH 值而加入的酸或堿實際上起催化作用。因此，值而加入的酸或堿實際上起催化作用。因此，對于不同的溶膠，其需要一個合適的對于不同的溶膠，其需要一個合適的pH值。值。4 4、溶膠凝膠法制備納米材料的工藝影響因素（續(xù)）、溶膠凝膠法制備納米材料的工藝影響因素（續(xù)）5）陳化時間的影響：）陳化時間的影響： 成化是凝膠聚合的過程，即聚合物聚集長大成為小成化是凝膠聚合的過程，即聚合物聚集長大成為小粒子簇的過程。粒子簇的過程。 隨成化

17、時間延長，粒子緩慢增長，過長，則粒子長隨成化時間延長，粒子緩慢增長，過長，則粒子長大。大。4 4、溶膠凝膠法制備納米材料的工藝影響因素（續(xù)）、溶膠凝膠法制備納米材料的工藝影響因素（續(xù)）7）凝膠干燥條件的影響：）凝膠干燥條件的影響： 超臨界干燥技術：超臨界條件下超臨界干燥技術：超臨界條件下 共沸蒸餾法：將水以共沸物形式脫出。共沸蒸餾法：將水以共沸物形式脫出。 冷凍干燥法：低溫低壓下液冷凍干燥法：低溫低壓下液-氣界面轉變?yōu)闅鈿饨缑孓D變?yōu)闅?固界面固界面5 5、幾種典型陶瓷粉體的制備、幾種典型陶瓷粉體的制備1）TiO2納米粉體：納米粉體： TiO2(俗稱鈦白粉俗稱鈦白粉)： 金紅石（金紅石（Anat

18、ase） 銳鈦礦銳鈦礦 (Rutile） 板鈦礦（板鈦礦（Brookite）TiO2俗稱鈦白粉俗稱鈦白粉應用：應用：光催化劑光催化劑：處理廢水、太陽能：處理廢水、太陽能光電導性和光敏性光電導性和光敏性：可做感光材料：可做感光材料氣敏材料氣敏材料：TiO2對對CO、H2敏感敏感實例：實例：TiClTiCl4 4、鈦酸四丁酯、硬脂酸制備納米、鈦酸四丁酯、硬脂酸制備納米TiOTiO2 2粉末粉末1）試驗使用的藥品及儀器：）試驗使用的藥品及儀器： 化學試劑化學試劑純度純度TiCl4鈦酸四丁酯硬脂酸無水乙醇冰醋酸鹽酸分析純分析純分析純分析純分析純分析純2）試驗儀器：）試驗儀器： 電子天平、磁力攪拌器、水

19、浴鍋、干燥箱、熱處理爐電子天平、磁力攪拌器、水浴鍋、干燥箱、熱處理爐X射線衍射儀、透射電子顯微鏡（射線衍射儀、透射電子顯微鏡（TEM）1）試驗使用的藥品及儀器：）試驗使用的藥品及儀器： 電子天平、磁力攪拌器、水浴鍋、干燥箱、熱處理爐電子天平、磁力攪拌器、水浴鍋、干燥箱、熱處理爐X射線衍射儀、透射電子顯微鏡（射線衍射儀、透射電子顯微鏡（TEM）1）試驗使用的藥品及儀器：）試驗使用的藥品及儀器： 3）試驗過程：）試驗過程： n TiCl4 體系試驗過程：體系試驗過程：TiCl4溶液溶液透明淡透明淡黃色溶黃色溶液液透明透明溶膠溶膠干凝膠干凝膠白色白色粉體粉體滴加無水滴加無水乙醇乙醇攪拌攪拌凝膠化凝膠

20、化靜置靜置脫水脫水熱處理熱處理100 干燥干燥800 3）試驗過程：）試驗過程： n 鈦酸四丁酯鈦酸四丁酯 體系試驗過程：體系試驗過程：1/3無水乙醇溶液無水乙醇溶液+ 蒸餾水蒸餾水+鹽酸鹽酸2/3無水乙醇無水乙醇 + 鈦酸四丁酯鈦酸四丁酯 + 冰醋酸冰醋酸均勻透明溶膠均勻透明溶膠黃色凝膠黃色凝膠干凝膠干凝膠攪拌滴入攪拌滴入90 水浴加熱水浴加熱800 熱處理熱處理白色粉末白色粉末100 干燥干燥3）試驗過程：）試驗過程： n 硬脂酸硬脂酸 體系試驗過程：體系試驗過程：熔融硬熔融硬脂酸脂酸淡黃色淡黃色溶液溶液淡黃色淡黃色溶膠溶膠干凝膠干凝膠白色白色粉體粉體滴加鈦酸滴加鈦酸四丁酯四丁酯攪拌攪拌自

21、然冷卻自然冷卻90 水浴水浴800 熱處理熱處理4）試驗結果：）試驗結果： 4）試驗結果：）試驗結果： A、粉末、粉末X射線衍射分析射線衍射分析結果：結果：1）三個衍射圖中出現明顯的衍射峰三個衍射圖中出現明顯的衍射峰,晶化晶化很好很好2）各衍射峰位置與金紅石相各衍射峰位置與金紅石相TiO2的標準的標準PCPDF圖譜基本吻合圖譜基本吻合,沒有出現其它物沒有出現其它物質的衍射峰質的衍射峰,3）可以確定通過三種體系制得金紅石相可以確定通過三種體系制得金紅石相TiO2粉末粉末4）試驗結果：）試驗結果： B、粒徑分析、粒徑分析根據根據Shceerrr公式公式: (D為晶粒直徑為晶粒直徑) D=k/cos

22、 k = 0.89, = 0.154nm， = 晶面峰的半高寬晶面峰的半高寬結果：結果： TiCl4 體系 硬脂酸體系 鈦酸四丁酯體系4）試驗結果：）試驗結果： B、粒徑分析、粒徑分析鈦酸四丁酯體制所制得的TiO2粉末TEM照片TiCl4體系所制得的TiO2粉末TEM照片實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 n 航天飛行器及導彈應用隔熱材料的現狀航天飛行器及導彈應用隔熱材料的現狀有機隔熱材料有機隔熱材料無機隔熱材料無機隔熱材料酚醛泡沫塑料酚醛泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料泡沫纖維塑料泡沫纖維塑料無機纖維類隔熱材料無機纖維類隔熱材料高溫多層隔熱材料高溫多層隔熱

23、材料明克材料明克材料（以粉末和短纖維復合并添加一定（以粉末和短纖維復合并添加一定的遮光劑經混合壓制而成的低導熱系數、高的遮光劑經混合壓制而成的低導熱系數、高溫多孔隔熱材料）溫多孔隔熱材料）實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 例如例如 SiO2氣凝膠氣凝膠： 具有高的光透過性能具有高的光透過性能 當密度當密度 = 0.07g/cm3, 550nm光光, 1cm厚度可透過厚度可透過90%， 對對700nm 光光 可透過可透過98%。其折射率介于液體和氣體之間，為。其折射率介于液體和氣體之間，為1.0031.035之間。之間。 高隔熱性能高隔熱性能（通常隔熱材料的（通

24、常隔熱材料的3倍以上）：空隙結構比空氣自由程小倍以上）：空隙結構比空氣自由程小 與氣體相差不大的低折射率：與氣體相差不大的低折射率： 低的介電性能：低的介電性能：氣凝膠氣凝膠: :又稱為干凝膠又稱為干凝膠,英文為英文為Aerogel 。當凝膠脫去大部分溶劑。當凝膠脫去大部分溶劑,使凝膠使凝膠中液體含量比固體含量少得多中液體含量比固體含量少得多,或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體體,外表呈固體狀外表呈固體狀,這即為這即為氣凝膠氣凝膠。實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2氣凝膠的性能氣凝膠的性能1）密度）密度： 0.1

25、29g/cm3 2）導熱系數）導熱系數： 50.21J/(m h ) 或或 0.013W/mK3）抗壓強度）抗壓強度： 0.4MPa實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 隔熱材料照片航天飛機來源：Al2O3-SiO2氣凝膠及其隔熱復合材料的制備與性能研究，武緯，2008氣凝膠的應用氣凝膠的應用實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 隔熱技術的需求：隔熱技術的需求： 新型航天飛行器新型航天飛行器不斷向著高馬赫數和長航時方向發(fā)展：不斷向著高馬赫數和長航時方向發(fā)展： 臨近空間飛行器、高超聲速飛行器等和導彈（超聲速巡航導彈等）臨近空間飛行器、高

26、超聲速飛行器等和導彈（超聲速巡航導彈等） 飛行器和導彈表面的氣動加熱環(huán)境愈加苛刻，累計氣動加熱更加嚴飛行器和導彈表面的氣動加熱環(huán)境愈加苛刻，累計氣動加熱更加嚴重，重， 因此熱防護系統(tǒng)的設計和優(yōu)化成為新型航天飛行器和導彈研制的重因此熱防護系統(tǒng)的設計和優(yōu)化成為新型航天飛行器和導彈研制的重大關鍵技術之一大關鍵技術之一實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 隔熱方式及其優(yōu)缺點隔熱方式及其優(yōu)缺點隔熱材料照片航天費隔熱方式隔熱方式方法方法優(yōu)缺點優(yōu)缺點吸熱式利用防熱層材料的高熱容吸收大部分氣動熱，簡單易行，但防熱效率不高燒蝕式利用燒蝕材料來帶走大部分氣動熱，從而使航天器的機體得到

27、保護的一種防護方式。技術成熟，所以被各國的飛行器返回艙采用，如美國的“阿波羅”號返回艙，中國的“神州”號返回艙。但這種熱防護系統(tǒng)是一次性的，不可重復使用，制造成本比較高輻射式通過對飛行器本體結構覆蓋層的輻射散熱達到防護本體結構的作用，可重復使用而成為未來航天飛行器和導彈研制的重點。輻射式防熱結構有多種形式，主要為蒙皮和隔熱層。其不隨氣動加熱而使材料消耗，防熱作用不隨加熱時間的增長而衰退，適用于加熱時間較長的返回式空間飛行器，如航天飛機、空天飛機等實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 設想設想: 設計出一種固體材料將其設計出一種固體材料將其孔隙的大小限定到納米數量級

28、孔隙的大小限定到納米數量級，最大限度，最大限度降低固體傳熱、氣相傳熱和輻射傳熱，則材料將具有很低的導熱系降低固體傳熱、氣相傳熱和輻射傳熱，則材料將具有很低的導熱系數。數。 具有納米孔結構的氣凝膠是具有納米孔結構的氣凝膠是最具潛力的一類隔熱材料最具潛力的一類隔熱材料，它利用，它利用納米多孔結構顯著地降低了材料的固體導熱、氣相傳熱，并具有低納米多孔結構顯著地降低了材料的固體導熱、氣相傳熱，并具有低密度、低導熱系數、結構可控等特點，是一種理想的輕質、高效隔密度、低導熱系數、結構可控等特點，是一種理想的輕質、高效隔熱材料。熱材料。實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 Si

29、O2氣凝膠的制備方法氣凝膠的制備方法:第一步：第一步：SiO2 凝膠的制備凝膠的制備 將將硅源硅源與適量與適量溶劑溶劑混合，在一定量的混合，在一定量的水和催化劑水和催化劑的作用下，經的作用下，經水解和縮聚過程得到水解和縮聚過程得到SiO2凝膠。凝膠。 常用硅源常用硅源： 硅醇鹽如：硅醇鹽如：Tetramethoxysilane （ TMOS,四甲氧基硅烷四甲氧基硅烷 ）、）、 Tetraethoxysilane （ TEOS，硅酸四乙酯，硅酸四乙酯 ）、）、 Trimethylethoxysilane（TMES）、）、Methyltrimethoxysilane（MTMS）、）、Methylt

30、riethoxysilane（MTES）、稻殼、水玻璃等）、稻殼、水玻璃等實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2氣凝膠的制備方法氣凝膠的制備方法:第一步：第一步：SiO2 凝膠的制備凝膠的制備 將將硅源硅源與適量與適量溶劑溶劑混合，在一定量的混合，在一定量的水和催化劑水和催化劑的作用下，經的作用下，經水解和縮聚過程得到水解和縮聚過程得到SiO2凝膠。凝膠。 常用硅源常用硅源： 硅醇鹽如：硅醇鹽如：Tetramethoxysilane （ TMOS,四甲氧基硅烷四甲氧基硅烷 ）、）、 Tetraethoxysilane （ TEOS，硅酸四乙酯，硅酸四乙酯

31、）、）、 Trimethylethoxysilane（TMES）、）、Methyltrimethoxysilane（MTMS）、）、Methyltriethoxysilane（MTES）、稻殼、水玻璃等）、稻殼、水玻璃等 常用溶劑常用溶劑：MeOH、EtOH、Acetone等醇溶劑等醇溶劑 常用催化劑：常用催化劑：HCl、H2SO4、HF、CH3COOH、NH4OH等等實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2氣凝膠的制備方法氣凝膠的制備方法:第一步：第一步：SiO2 凝膠的制備凝膠的制備n 硅源的影響硅源的影響：TMOS硅含量較高，水解速率較快，多以硅含量較

32、高，水解速率較快，多以TMOS為先驅體制備塊為先驅體制備塊狀狀SiO2氣凝膠，其孔徑窄而均勻。但氣凝膠，其孔徑窄而均勻。但TMOS毒性較大毒性較大，易使人失，易使人失明明TEOS是目前使用最多的硅源，制備的氣凝膠性能較好，工藝較為穩(wěn)定。是目前使用最多的硅源，制備的氣凝膠性能較好，工藝較為穩(wěn)定。以以MTES、MTMS等硅源制備的氣凝膠，由于其結構中含有等硅源制備的氣凝膠，由于其結構中含有Si-CH3疏水基疏水基團，具有團，具有很好的疏水性能很好的疏水性能，而且當溶劑含量較大時，這些硅源由于含有的，而且當溶劑含量較大時，這些硅源由于含有的烷氧基團（烷氧基團（Si-OR）很少，形成的網絡只有一小部分

33、相互連接，孔徑較大）很少，形成的網絡只有一小部分相互連接，孔徑較大，得到的，得到的SiO2氣凝膠還具有柔性網絡結構。氣凝膠還具有柔性網絡結構。實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2氣凝膠的制備方法氣凝膠的制備方法:第二步：第二步：SiO2凝膠老化凝膠老化 SiO2濕凝膠初期網絡骨架較細，需要通過老化使凝膠網絡結構濕凝膠初期網絡骨架較細，需要通過老化使凝膠網絡結構增強，使得濕凝膠在干燥過程中能夠最大限度抑制收縮增強，使得濕凝膠在干燥過程中能夠最大限度抑制收縮。 常用的老化溶劑有溶膠母液、水和醇溶劑混合液、醇溶劑等。常用的老化溶劑有溶膠母液、水和醇溶劑混合液、

34、醇溶劑等。通過老化使物質向凝膠顆粒間的頸部區(qū)域遷移，引起凝膠骨架顆粒通過老化使物質向凝膠顆粒間的頸部區(qū)域遷移，引起凝膠骨架顆粒變大，形成更加剛性的凝膠網絡，提高氣凝膠強度和硬度。變大，形成更加剛性的凝膠網絡，提高氣凝膠強度和硬度。實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 第三步：第三步：SiO2凝膠的干燥凝膠的干燥 SiO2凝膠干燥過程就是用氣體取代濕凝膠粒子間隙溶劑，并盡量凝膠干燥過程就是用氣體取代濕凝膠粒子間隙溶劑，并盡量保持凝膠網絡結構不破壞，最終得到固態(tài)氣凝膠的過程保持凝膠網絡結構不破壞，最終得到固態(tài)氣凝膠的過程。 在干燥過程中，溶劑蒸發(fā)在凝膠微結構中產生毛細

35、管壓力在干燥過程中，溶劑蒸發(fā)在凝膠微結構中產生毛細管壓力P，具，具體表達式可見體表達式可見Laplace方程：方程： P = 2 cos/ r式中，式中，r 孔半徑，孔半徑， 液液-固接觸角，固接觸角， 溶劑表面張力。溶劑表面張力。 由于毛細管壓力的存在導致氣凝膠在干燥過程中結構收縮和機械由于毛細管壓力的存在導致氣凝膠在干燥過程中結構收縮和機械破壞，同時網絡結構中孔徑分布的不均勻導致收縮應力不同，所以當破壞，同時網絡結構中孔徑分布的不均勻導致收縮應力不同，所以當相鄰孔隙所承受的收縮應力之差大于網絡骨架的承受力時，就會在該相鄰孔隙所承受的收縮應力之差大于網絡骨架的承受力時，就會在該區(qū)域區(qū)域造成開

36、裂造成開裂。實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 第三步：第三步：SiO2凝膠的干燥凝膠的干燥1） 超臨界干燥超臨界干燥。 超臨界干燥就是通過升溫和加壓使凝膠孔隙中液體達到其臨界溫超臨界干燥就是通過升溫和加壓使凝膠孔隙中液體達到其臨界溫度和壓力，此時，氣度和壓力，此時，氣-液界面消失，不再存在毛細管張力，流體緩慢放液界面消失，不再存在毛細管張力，流體緩慢放出，在保持凝膠的網絡結構基礎上得到納米多孔氣凝膠，如圖出，在保持凝膠的網絡結構基礎上得到納米多孔氣凝膠，如圖1.2所示所示 超臨界干燥法是氣凝膠干燥方面超臨界干燥法是氣凝膠干燥方面研究最早、最成熟的方法，也是目前

37、研究最早、最成熟的方法，也是目前獲得完整結構氣凝膠最有效的方法。獲得完整結構氣凝膠最有效的方法。常用的超臨界干燥溶劑有醇溶劑（如常用的超臨界干燥溶劑有醇溶劑（如甲醇、乙醇、異丙醇等）和甲醇、乙醇、異丙醇等）和CO2。實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 超臨界干燥裝置示意圖超臨界干燥裝置示意圖實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 幾種常用物質的臨界溫度及壓力幾種常用物質的臨界溫度及壓力物質物質臨界溫度，臨界溫度，臨界壓力，臨界壓力，MPa水水37422甲醇甲醇2407.9乙醇乙醇2436.4CO231.27.4實例實例2：氣凝膠技術制

38、備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 第三步：第三步：SiO2凝膠的干燥凝膠的干燥2） 常壓干燥常壓干燥。 由于超臨界干燥需要昂貴的高壓設備，工藝條件控制較為苛刻，由于超臨界干燥需要昂貴的高壓設備，工藝條件控制較為苛刻，危險性較大。因此，許多研究者開始致力于常壓干燥的研究。危險性較大。因此，許多研究者開始致力于常壓干燥的研究。由由Laplace方程：方程： P = 2 cos/ r式中，式中，r 孔半徑，孔半徑， 液液-固接觸角，固接觸角， 溶劑表面張力。溶劑表面張力。 主要通過改變表面張力來實現常壓干燥。主要通過改變表面張力來實現常壓干燥。實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠

39、技術制備多孔隔熱材料 TiO2氣凝膠粉末的制備過程（氣凝膠粉末的制備過程（以鈦酸四丁酯為原料，以鈦酸四丁酯為原料，TBT）1） 第一步：第一步： 將無水乙醇和水以一定比例將無水乙醇和水以一定比例混合均勻，用硝酸調節(jié)溶液混合均勻，用硝酸調節(jié)溶液pH值值，使，使 pH= 4 。2） 第二步：第二步： 在攪拌的條件下緩慢滴加在攪拌的條件下緩慢滴加50%的鈦酸四丁酯乙醇溶液，制的鈦酸四丁酯乙醇溶液，制得溶膠，各組分比例：得溶膠，各組分比例： TBT： 水：水： 乙醇乙醇 = 1： 3： 30無水乙醇無水乙醇 ：水：水 = 1 ：10滴入硝酸：滴入硝酸：pH = 4滴加滴加50%TBT，直至，直至為黃色

40、溶膠為黃色溶膠實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 TiO2氣凝膠粉末的制備過程（氣凝膠粉末的制備過程（以鈦酸四丁酯為原料，以鈦酸四丁酯為原料，TBT）3） 第三步：第三步： 將溶液導入玻璃皿中室溫保將溶液導入玻璃皿中室溫保存，陳化直至生成凝膠。存，陳化直至生成凝膠。4） 第四步：第四步： 以無水乙醇浸泡。以無水乙醇浸泡。 陳化直至生成凝膠陳化直至生成凝膠倒入倒入無水無水乙醇乙醇乳白色不透明乳白色不透明實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 TiO2氣凝膠粉末的制備過程（氣凝膠粉末的制備過程（以鈦酸四丁酯為原料，以鈦酸四丁酯為原料，TB

41、T）5） 第五步：第五步： 將上述醇凝膠樣品置入不銹鋼網容將上述醇凝膠樣品置入不銹鋼網容器內，用無水乙醇浸泡，再將容器置入器內，用無水乙醇浸泡，再將容器置入高壓釜中。高壓釜中。 當高壓釜中的溫度降至當高壓釜中的溫度降至5 以下時，通入以下時，通入CO2進行溶液替換，時間進行溶液替換，時間為為90h，然后逐漸升高高壓釜內溫度，然后逐漸升高高壓釜內溫度，當溫度達到當溫度達到31.2 ，壓力達到，壓力達到7.4MPa時，即達到時，即達到CO2的臨界點，繼續(xù)升溫至的臨界點，繼續(xù)升溫至42 ，壓力，壓力9.0MPa。保持。保持6h, 然后緩然后緩慢冷卻并降壓至常壓。慢冷卻并降壓至常壓。 淡黃色半透明狀的

42、氣凝膠實例實例2：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 6） 第六步：第六步： 將氣凝膠樣品研碎，與將氣凝膠樣品研碎，與400 煅燒煅燒2h，除去有機物雜質。，除去有機物雜質。l 經過超臨界干燥制得的經過超臨界干燥制得的TiO2氣凝膠樣品的比表面為氣凝膠樣品的比表面為488m2/gl 經經400煅燒煅燒2小時的樣品，其比表面積為小時的樣品，其比表面積為158m2/g試驗結果：試驗結果：實例實例3：SiO2-Al2O3氣凝膠技術制備多孔隔熱材料氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 實例實例3：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 超臨界干燥裝置示意圖超臨界干燥裝置示意圖

43、實例實例3：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2-Al2O3氣凝膠樣品氣凝膠樣品實例實例3：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2-Al2O3氣凝膠的顯微結構氣凝膠的顯微結構實例實例3：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2-Al2O3氣凝膠的比表面積氣凝膠的比表面積結果表明：1000時，比表面積隨 Al/Si 摩爾比減小而先增后減，Al/Si 摩爾比為 3：1 和 4：1時較大，為 381.6m2/g 和44.5m2/g；實例實例3：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2-Al2O3氣凝膠的導熱系數氣凝膠的導熱系數試驗結果：試驗結果： 氣體壓力對氣體壓力對氣凝膠的影響較氣凝膠的影響較小。小。實例實例3：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2氣凝膠的導熱系數與溫度的關系氣凝膠的導熱系數與溫度的關系實例實例3：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2-Al2O3氣凝膠的導熱系數與溫度的關系氣凝膠的導熱系數與溫度的關系實例實例3：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料：氣凝膠技術制備多孔隔熱材料 SiO2-Al2O3氣凝膠隔熱效果氣凝膠隔熱效果實例實例3：氣凝膠