二 溶胶-凝胶（Sol-gel）化学

溶胶-凝胶过程通常包括两个步骤：一是烷氧基金属有机化合物[如Si（OC2H5）4，Ti（OC2H5）4 等]的水解过程；二是水解后得到的羟基化合物的缩合及缩聚过程。这两个过程可以表示如下：

水解过程：■ 缩聚过程：■

■

缩聚中得到 Si-OH 进一步脱水缩聚而形成二氧化硅无机网络，生成的水和醇从体系中挥发而造成网络的多孔性。

经过步骤（1）、（2）和（3）后得到的是低粘度的溶胶，此时可以将其放于模具中成型或成膜等，然后就是溶胶的凝胶化、陈化、干燥等过程。这些过程的条件改变均会影响到最终得到的材料的性能。下面简要介绍这些过程。

  1. 混合过程 即将烷氧基硅烷与水相混合进行步骤（1）、（2）和
  1. 的反应。由于烷氧基硅烷与水不互溶而形成悬浮液，并且烷氧基硅烷在中性条件下水解速度很慢，因而需控制 pH 值，阻止沉淀的生成，加速水解过程。当溶液中 Si-O-Si 键形成后，则得到胶状颗粒或溶胶。溶胶的颗粒大小及交联程度可通过 pH 值以及水的加入量来控制。

  1. 凝胶化过程 将所得到的溶胶倒入模具中后，随着时间的延长，

    溶胶中颗粒逐渐交联而形成三维结构网络，这就是溶胶的凝胶化过程。在该过程中，溶胶的粘度明显增大，最后形成坚硬的玻璃固体。如果在适当的粘度下对凝胶进行抽丝，则可得到纤维材料。

  2. 陈化过程

    凝胶形成后，由于凝胶颗粒之间的联结还较弱，因而凝胶干燥后很容易造成干裂现象。为了克服产生干裂，需要将凝胶在溶剂的存在下陈化一段时间，以使凝胶颗粒与颗粒之间形成较厚的界面， 这样随着陈化时间的延长，凝胶的强度逐渐增大，最终足以抗拒由于溶剂挥发和颗粒收缩而形成的干裂。

  3. 干燥过程 在干燥过程中，溶剂以及生成的水和醇从体系中挥

发。干燥过程造成的应力不均使凝胶收缩并干裂。控制溶剂、水和醇的挥发速度可以降低凝胶的收缩和干裂的程度。另外，通常可以加入干燥控制化学添加剂 DCCA（Drying Control Chemical Additives，如甲酰胺、草酸等）来控制其干燥行为。DCCA 能够控制凝胶形成尺寸分布均匀的颗粒，从而在溶剂挥发后，凝胶内部应力均匀而不致开裂。采用该手段得到的二氧化硅玻璃在 0.2—0.3μm 范围内完全透明。

对于要制备无机陶瓷等材料，还需对得到的透明固体进行高温致密等过程。但对于制备无机-有机杂化高分子材料，一般只需要以上 4 个过程。

由于无机材料强度较大，如果将其对韧性高分子材料进行增强，那么将会得到性能优良的高分子材料。因而通过溶胶-凝胶过程在无机网络中混合柔性的高分子网络，使得无机相和有机相能够互补，对无机材料来说，提高了其韧性、抗冲性等，而对有机材料来说，则提高了其强度、耐热性等性能。目前，通过溶胶-凝胶过程制备的具有类金属特性、重量轻的二氧化硅-碳化硅-聚甲基丙烯酸酯材料在断裂前的形变可达 13.5

％，其耐磨性能与石英玻璃相同。