溶膠與凝膠

溶膠 (Sol)

  粒徑在1~100 nm 間的膠農顆粒均勻分散在液體中

凝膠 (Gel)

  一網狀交聯結構物，平均分子鏈長度超過數 mrn，孔洞大小平均在數微米左右

溶膠凝膠法之優點:

• 原料純度高
• 孔徑大小均勻
• 孔隙分布狹窄
• 燒結溫度低

溶膠凝膠法之缺點:

• 原料成本高
• 製備過程之收縮率較大
• 有微孔隙和碳之殘餘

類型:

• 薄膜與塗膜 (thin films and coatings)
• 塊狀物 (monoliths)
• 粉粒、晶粒和球形體 (powders, grains, and spheres)
• 纖維 (fibers)
• 複合物 (composites)
• 多孔凝膠和分離膜 (porous gels and separation membranes)

溶膠凝膠法原理

溶膠凝膠法主要包含五個程序:

• 水解與聚縮合反應
• 凝膠化 (gelation)
• 老化 (aging)
• 乾燥 (drying)
• 熱處理 (heat treating)

依膠體的製程分類 ，可包括:

• DCS (destabilization of colloidal solution ) →  DCS 法是以無機鹽或水合金屬氧化物經水解、解膠 (peptized)，再經膠體溶液去穩定化 (destabilized)，如趕去溶劑以形成凝膠。
• PMU (Polymerization of molecular units) →   PMU 法是以醇氧化物經水解，聚合而形成顆粒狀水合氧化物，其顆粒大小約在數百埃或更小。

溶膠種類的判定

Partlaw 與 Yoldas 利用系統的密閉性來判定溶膠種類

• 聚合型溶膠  (polymeric Sol):  在密閉系統中會逐漸變成凝膠
• 膠體型溶膠  (colloidal sol or particulate Sol): 需在開放系統中，藉由溶劑發揮而使膠體聚集成凝膠。

溶膠的反應

反應部分包括水解及聚縮合兩大步驟

水解步驟 :  金屬醇氧化物中的 烷 R 基與水反應，水分子中的  -OH 基取代  -OR 基而形成含有 -OH基的金屬醇氧化物，並釋出醇類。

M(OR)_n + xH₂O → M(OH)x(OR)n-x + xROH

水解步驟以酸催化 (acid catalyzed)

• 所得之聚合體小
• 交鏈程度亦低
• 易呈直鏈狀結構

水解步驟以鹼催化 (base catalyzed)

• 所得聚合體較大
• 易呈網狀結構
• 製得之薄膜孔徑也較大

控制水解與聚縮合反應之速率可控制溶膠顆粒之大小及微結構

影響溶膠顆粒之因素

• 起始物
• 溶劑
• 觸媒
• pH 值
• 溫度
• 化學添加劑

有機-無機混成複合材料  (Organic-Inorganic hybrid composite)

優點

• 改善一般無機材料因孔洞所造成的機械強度不足
• 藉由有機物填充於無機孔洞中，加強材料之機械強度
• 最常使用溶膠凝膠法 (sol-gel method) 合成

溶膠-凝膠過程之優點:

• 比傳統之熔融法製造陶瓷複合材料具有較低之溫度:  TEOS 在室溫下就可水解，聚縮合而成無機材料，比傳統之熔融法需 1000℃ 以上之高溫燒結相比，溫度明顯降低很多。
• 無所謂界面分離的問題且為均勻透明之材料:  在整個反應系統中，不管是TEOS 之水解過程，或是單體之聚合反應，均在液相中進行較易達到良好之均勻度，且其所形成之高分子與無機相間是以共價鏈的形式存在。
• 改良材料之機械性質: 因為其兼具有機與無機材料的優點，且其物理性質可藉由改變其有機與無機成份的組成來設計。