溶胶-凝胶法的原理与应用分析

朱妍洁

（湖南省常德市芷兰实验学校，湖南 常德 415000）

溶胶-凝胶法的原理与应用分析

朱妍洁

（湖南省常德市芷兰实验学校，湖南 常德 415000）

溶胶-凝胶法近年来已经在氧化物涂层、玻璃、功能陶瓷粉料的制造中得到了广泛的应用，于溶胶-凝胶法制成的材料具有纯度高、稳定性强、气孔分布均匀的优势，而且整个制备过程操作容易、设备简单，应用范围非常广泛。本文主要就溶胶-凝胶法的原理与应用进行分析。

溶胶-凝胶法；原理；应用

溶胶-凝胶法就是将金属有机物和无机物在溶液中混合均匀，通过水解、聚合等一系列的化学反应，生成稳定透明无沉淀的溶胶体系，然后放置一段时间后，溶胶颗粒之间缓慢聚合，就形成了失去流动性的凝胶，凝胶再经过干燥、烧制等热处理最终形成无机材料的方法。由于溶胶-凝胶法制成的材料具有纯度高、稳定性强、气孔分布均匀的优势，而且整个制备过程操作容易、设备简单，近几年被广泛应用于纳米材料、薄膜、传感器以及制备涂层等领域。

1 溶胶-凝胶法的原理

溶胶-凝胶法的主要制作过程就是将金属与酯类化合物溶于有机溶剂里，形成溶液，再经过溶胶、凝胶，最后经过干燥烧制而成制品的过程。

1.1 水解反应

在水解反应过程中，像Si、Al盐等离子半径、配位数和电负性常常影响金属盐在水中的性质，金属盐溶解在水中常常会电离出 Mn+，并出现溶剂化的表现。水解反应过程中的各种化合物的平衡关系会随着电荷转移、溶液酸度的变化而变化。水解反应是可逆的，要想阻止可逆反应的发生就需要在反应时把醇和水的共沸物排除掉，如果醇盐的烷剂与溶剂的烷基不同，就会发生酯化转移反应，这些对合成多组分氧化物起着非常重要的作用。

1.2 聚合反应

很多金属元素以及磷、硅等元素的无机盐或醇盐在发生水解反应的同时也会发生聚合反应。聚合反应在性质上属于加成或取代反应，比如：缩聚、失水、氧化、失醇、醇氧化等。硅酸盐的水解、聚合反应是一个复杂的过程，水解和聚合反应几乎同时进行，发生反应的速度取决于三个反应速率常数，在临近尺度的范围内，中心的硅原子可以产生15种配位方式关系。

2 溶胶-凝胶法的应用

2.1 应用于制备纳米材料

纳米材料就是将纳米作为基本单元或三维空间中必须有一围达到纳米范围（1-100nm）的材料。随着对纳米技术研究的不断深入，纳米材料学、纳米化学、纳米生物学等科学得到飞速的发展。由于溶胶-凝胶法对设备要求不高，反应过程中要求温度适中，化学性能稳定等优点，成为纳米材料合成的主要方法。该方法就是将无机盐或金属醇盐水解得到均匀溶胶，再加上溶剂、催化剂等形成流动性能差的湿凝胶，再经过干燥、烧结形成超细化的产物。采用此种方法得到的纳米材料具有颗粒小、纯度高、颗粒规整等优点。

2.2 应用于制备薄膜

用溶胶-凝胶法制备薄膜具有操作简单、可控性强等特点，制备过程就是将制作薄膜的原材料配成溶液，再形成溶胶，然后将其沉积或涂抹在基质上，干燥后得到凝胶膜，最后通过热处理后得到氧化薄膜。此方法制备的薄膜密闭性好、韧性强、防水性好等优点，被广泛应用于制备光电薄膜、绝缘薄膜、有孔薄膜等。

2.3 应用于制造传感器

用溶胶-凝胶法制备出来的光学材料具有光吸收性小，散射范围小的特性，所以此种方法非常适合制造光学传感器。溶胶-凝胶法制造光学传感器的原理是分析物与氧化还原剂或鳌合剂等化学试剂相互作用，使光学信号发生改变。此种方法制造出来的传感器具有反应灵敏度高、稳定性强、响应时间快等优点，此种方法还被广泛应用于制造化学传感器和生物传感器上。

2.4 应用于制备涂层方面

溶胶-凝胶法制备涂层方面具有工艺简单、可控性强、产品纯度高等优点。此种方法不仅被应用于制备功能性涂层，还在结构材料方面得到广泛应用。比如：可以利用溶胶颗粒微小，表面吸附性强的特点，使材料涂层的结构更加紧密，结合更加牢固，提高产品的耐磨性和耐腐蚀性。用此种方法制备出来的氧化铝涂层合金刀具的寿命比一般刀具高出一倍左右。

3 结论

溶胶-凝胶法作为一种新兴的制备产品方法，已经在纳米技术、薄膜制备、传感器产品以及制品涂层方面显示了自己独特的优势。但该项技术还处于逐步完善阶段，还有许多问题有待解决，比如制备工艺的原材料大多为有机化合物，成本相对较高，催化剂的选择，水解、聚合反应过程中温度的控制，在生产过程中产生的污染以及如何防止制品在干燥过程中的开裂问题等等。此外，这一技术在工艺方面也有一些问题需要解决，如制备和生产周期的问题，毛细管力的问题、孔隙尺寸与凝胶干燥方法的问题等等。相信随着科研人员的共同努力，人们对溶胶-凝胶法的研究更加深入，溶胶-凝胶法制备过程中的问题会逐一得到解决，溶胶-凝胶法一定能在制备新材料领域得到更为广泛的应用，给人民的生产生活带来更大的便利。

［1］赵明磊，王春雷，钟维烈，王矜奉，陈洪存. 溶胶-凝胶法制备Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷及其电学特性［J］. 物理学报. 2003（01）

［2］王勇，杨瑞丽，杨合情. 正硅酸酯类化合物醇水体系凝胶玻璃的制备与结构［J］. 陕西师范大学学报（自然科学版）. 2003（03）

［3］王焆，李晨，徐博.溶胶-凝胶法的基本原理、发展及应用现状［J］. 化学工业与工程. 2009（03）

［4］冀勇斌，李铁虎，林起浪，王小宪，王文志.溶胶-凝胶法在材料制备中的应用［J］. 化工中间体. 2005（01）

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1003-5168（2015）11-221-01