溶胶-凝胶法制备纤维材料的基本工艺原理
以无机盐或金属醇盐为原料，主要反应步骤是将前驱物溶于 溶剂中，形成均匀溶液，达到近似分子水平的混合；前驱物在溶 剂中发生水解及醇解反应，同时进行缩聚，得到尺寸为纳米级的 线性粒子，组成溶胶。当溶胶达到一定的粘度(约在1-1000Pa· S 范围内)，在室温下纺丝成形得到凝胶粒子纤维，经干燥，烧结， 晶化得到陶瓷纤维。
溶胶-凝胶法制备的纤维材料种类
SiO2-ZrO2-Na2O SiO2-Al2O3-Y2O3 SiO2-Al2O3-B2O3 BaTiO3 PbTiO3 LiNbO3 Si3N4O TiN Bi-Pb-Sr-Ca-Cn-O YBaCuO
金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物
溶胶-凝胶法制备高纯玻璃纤维
该纤维强度不高，但是它的耐高温性能非常好，可在900℃ 下长期使用，短时间可耐1200℃的高温，是一种优良的耐烧蚀 材料和隔热材料，已在国防、宇航、黑色及有色金属熔体净化 过滤方面获得应用，它是高科技纤维之一。 已知美国、英国、俄罗斯、白俄罗斯及我国等都开发研制高 硅氧玻璃纤维。这种纤维与普通玻璃纤维一样，可加工成纱、 布、网、带、绳、短切纤维、磨碎纤维等各种形态产品，供用 户选择。
溶胶-凝胶原理与技术
1 2 基本概念和特点 基本物理化学特性 3 4 5 6 7 8 采用的原料 主要反应 制备块体材料 制备纤维材料 制备薄膜及涂层材料 制备纳米粉体
目 录
张欣鹏 2100110212
深圳大学
SHENZHEN UNIVERISITY
溶胶-凝胶法制备的纤维材料
1 溶胶-凝胶法制备的纤维材料种类
不连续 不连续 连续 不连续 不连续 不连续 不连续 不连续 不连续 不连续
－ － 有 － － － － － － －
溶胶-凝胶法制备纤维材料的基本工艺原理
（1）前驱物的反应 1）溶剂化：能电离的前驱物-金属盐的金属阳离子Ｍ2+将吸引水分子
形成溶剂单元Ｍ(H2O)nz+，为保持它的配位数而有强烈的释放H+的趋 势：
溶胶-凝胶法制备其它陶瓷纤维
碱催化时，水解由OH-亲核取代引起，聚合速度较酸催化快， 水解速率较小，聚合速率成为决定步骤。但水解活性却随分 子上羟基数量减少而增加，容易完全水解；另外，位于团族 中央的硅原子优先反应，因而易于生成多支链球形凝胶颗粒。 在制备纤维的溶胶-凝胶过程中，必须选用酸催化剂。
溶胶-凝胶法制备纤维材料的基本工艺原理
（3）影响溶胶可纺性的因素
不是所用的溶胶都具有可纺性。 前驱物通过水解—缩聚得到线性粒子是获得可纺溶胶的关键。
影响前驱物水解—缩聚的因素有许多，包括前驱物的种类、组分的 比例、溶剂种类、pH值等通过调节这些参数来控制生成溶胶的可纺性。
1）原料及其配比
以醇为溶剂，同时控制加水量和适当的催化剂是得到可纺性溶胶的 关键。
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溶胶-凝胶法制备纤维材料的基本工艺原理
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溶胶-凝胶法制备SiO2玻璃纤维
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溶胶-凝胶法制备其他陶瓷材料
溶胶-凝胶法制备的纤维材料种类
表 采用溶胶-凝胶法制备的典型无机纤维材料
纤维组成 SiO2 TiO2 ZrO2 Al2O3 ZrO2:CaO ZrO2:Y2O3 SiC TiC SiO2-ZrO2 SiO2-TiO2 SiO2-Al2O3 起始原料 金属醇盐 金属醇盐 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 金属醇盐，无机化合物 制备方法 连续 不连续 不连续 不连续 不连续 不连续 连续，不连续 不连续 不连续 不连续 不连续 是否有市售 有 － － 有 － 的基本工艺原理
SiO2 纤维
[H2O]/[TEOS] 的值小于4
图6-2酸性催化系统中聚合物的生长和凝胶的生 成
溶胶-凝胶法制备纤维材料的基本工艺原理
氧化铝基可纺溶胶： pH值成为达到可纺性 的关键因素。 [H2O]/[金属醇盐]的 值达到20至200 。
图6-3碱性催化系统中聚合物的生长和凝胶的生成
分为:失水反应：
M OH OH M M O M H 2 O 失醇反应：
M OR HO M M O M ROH
（2）工艺流程
金属醇盐 加入水、溶剂和催化剂（酸） 搅拌 控制温度，水解 溶胶
聚合
粘稠纺丝液
拉丝
凝胶纤维
热处理
无机纤维
图6-1 采用溶胶-凝胶法制备无机纤维工艺流程
溶胶-凝胶法制备纤维材料的基本工艺原理
2)催化剂种类
以TEOS为例： 酸催化时，醇盐水解由H3O+的亲电机理引起，水解速度快，缩 聚反应是速率决定步骤。随水解进行，醇盐水解活性随分子上烷氧 基数量减少而下降，因而很难完全水解； 另外，位于末端的硅原子由于电子方面的原因优先发生反应， 聚合产物交联度低，易生成少支链高聚物链状结构。
z M (H 2O) n M (H 2O) n1 (OH ) ( Z 1) H
2）水解反应：非电离式分子前驱物，如金属醇盐M(OR)n与水反应：
M (OR) n xH2 O M (OH) x (OR) nx xROH
溶胶-凝胶法制备纤维材料的基本工艺原理
3）缩聚反应：
溶胶-凝胶法制备高纯玻璃纤维
（一）SiO2玻璃纤维的现状 高硅氧玻璃纤维性能最好。其英文名为High-Silica glass fiber ， 属于特种玻璃纤维。 SiO2质量分数为95%以上，通常是由钠硼硅酸盐玻璃纤维经热 酸萃取（沥滤），除掉硅以外杂质，后经烧结而成。高 硅氧玻璃纤维其化学结构为Na2O-B2O3-SiO2 三元体系，其中， SiO2质量分数为60-70%，B2O3质量分数为20-25%，Na2O 质量 分数为5-10%。