软物质材料—胶体 - 图文

硅胶的化学组成为mSiO2· nH2O,其基本结构单元式硅氧四面体。硅氧四面体以不同方式连接，若连接规则则可得二氧化硅晶体，无规则堆积则成类似于玻璃态的二氧化硅胶粒，构成硅凝胶的骨架，堆积时的孔隙在水凝胶时被水填充，干凝胶时为空孔隙。 ⑶ 硅胶的用途

硅胶是广泛用于干燥剂，但与沸石比较其对水的选择性吸附能力差。但其生产工艺简单，价格低廉，至今仍广泛用于食品，药品，衣物，美术品，居室地板壁柜等干燥保护等。也用于液态食品（如酒类，调料类）的选择性吸附出去蛋白质等杂质。

硅胶常用语做色谱担体，催化剂载体和催化剂。

硅胶表面的极性使其对不饱和烃和芳烃有选择性吸附能力，从而应用硅胶可使饱和烃和其碳原子数相同的不饱和烃混合物得到分离。

图4-2硅胶的各种制品

⒉ 沸石分子筛

沸石分子筛是天然或人工合成的结晶铝硅酸盐，天然的称作沸石，人工合成的称作分子筛（molecular sieve）或人造沸石。 ⑴ 沸石分子筛的化学组成与结构

分子筛的化学组成式可写为M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O

式中，M为金属阳离子，一般为钠，n为此阳离子价数；x和y为结合的二氧化硅和水的物质的量，M2/nO与Al2O3的摩尔比为1。二氧化硅与二氧化三铝的摩尔比称为硅铝比。类型不同，硅铝比不同。硅铝比越高，分子筛的热稳定性和化学稳定性越好。分子筛的基本结构单元式硅氧四面体和铝氧四面体，在这两种四面

体中，硅和铝的中心原子。

图4-3分子筛的结构

⑵ 新型分子筛

目前新型分子筛主要有：高硅铝比（高硅）分子筛，大微空和中孔分子筛，杂原子分子筛，非晶态物质分子筛，碳分子筛等。 ① ZSM-5 高硅分子筛 ZSM-5的化学组成为：（0.9±0.2）Mn/2O· Al2O3·(5 ~100)Si02·(0 ~40)H2O 式中m为钠离子或无机铵离子。

ZSM-5最早是以Si02为原料，加入强碱性的三乙基烷基胺，水热处理后三乙基烷基胺夹在Si02晶体中，煅烧除去有机胺得三维细孔Si02晶体骨架。ZSM-5硅铅比高，热稳定性好，1100°C处理结构不破坏。因其含铝少，表面电荷密度小，羟极少，对极性分子（如水）吸附量小，有强的疏水性。 ② MCM-41

以表面活性剂液晶为模板，是硅或硅铝酸盐晶化，除去表面活性剂后得到的孔径在1.5到30nm（可调节）的六方有序孔道结构的中孔分子筛，表面可达1200㎡·g﹣1以上，典型孔径为4nm。

构成模板的表面活性剂有十六烷基三甲基溴化铵（阳离子型），十六烷基苯磺酸钠(阴离子型)等。无机底物有水玻璃，硅溶胶，硅酸酯，钛酸酯等。 ③ 磷酸铝类大微孔分子筛

这类分子筛的基本结构单元是磷氧四面体（PO4+）和铝氧四面体（AlO4-），骨架呈中性。这类分子筛可在正磷酸和构成骨架的其他元素的氢氧化物胶体体系中加入胺类化合物作为模板剂和晶体生长剂(如氟离子)，调节pH值至微酸性，控制压力和温度，通过水热反应，可以制出大微小的分子筛。与磷酸分子筛类似的还有铝硅磷酸，磷酸镓，磷酸锆，磷酸钒等三维细孔结构的分子筛。

图4-4新型分子筛

⒊ 活性氧化铝

作为吸附剂的氧化铝是活性氧化铝（activated aluminium oxide）。由于Al2O3晶体复杂多样(有α、β、γ、δ、χ、κ、θ、ρ、η9种)，其γ﹣、η﹣、χ﹣Al2O3混合物

是活性氧化铝。活性氧化铝由Al(OH)3煅烧而成。氢氧化铝有多种类型（如三水氧化铝；一水氧化铝；低结晶氧化铝水合物等）这些不同类型氢氧化铝在一定温度处理可生成活性氧化铝。活性氧化铝对水合极性气体及蒸汽都有良好的吸附能力，其深度干燥能力优于硅胶（但低于沸石分子筛）。 ⒋ 吸附树脂

吸附树脂（adsorption resin）是人工合成的高分子聚合物吸附剂，有丰富的分子大小的通道，一般不含离子交换基团。吸附树脂多制成不到1mm的白色小颗粒，比表面再几十到几百米2/克,孔直径为几至几十纳米不等，孔隙可达40%-70%。 吸附树脂吸附主要作用力是van der Waals力，因而其吸附脱色、除臭，从水中吸附有机物能力与活性炭相似。但吸附树脂的孔多为中孔和大孔，克发生多层吸附和毛细凝结，对较大的有机分子其吸附能力优于微孔多的活性炭。吸附树脂的很大的优越性事品种多，可供选择，而且应用吸附树脂作为吸附剂不受介质中无机盐存在的影响，物理和化学稳定性好，易再生。目前吸附树脂主要用于药物提取，试剂纯化，色谱担体，天然产物和生物制剂的纯化与分离等。非极性树脂有良好吸油性质，不吸水，可方便的从混合体系中分离油。

图4-5吸附树脂

第五节 气凝胶

气凝胶（aerogel）是以气体为分散介质，以胶体粒子或高分子化合物相互联结构成的网架为分散相形成多孔网状结构的高分散固体材料，实际上气凝胶与固体泡沫很类似，只是现在的气凝胶中固体粒子已达到纳米级，孔分布更均匀，孔隙率高达80%-99.8%，密度可底到每平方米仅几千克。现已研制出单组分气凝胶（如Si02 、Al2O3、TiO2、V2O5等），多组分气凝胶（如Si02/ Al2O3、TiO2/ Si02、Fe / Si02等），有机气凝胶（如碳气凝胶等）。

图4-6气凝胶及其产品 气凝胶的制备通常是首先制成网状结构的醇凝胶，再用一定的方法干燥除去溶剂达到气凝胶。具体制备步骤是：①溶胶-凝胶过程制备醇凝胶；②干燥（超临界干燥法）。

气凝胶的结构与性质：孔隙率在80%-99.8%，孔隙大小在100nm内，比表面为几百至1000㎡/g。气凝胶的高孔隙率使其在力学、热学、声学、电学、光学等方面有独特性质。气凝胶有良好的机械弹性。其弹性模量（表征物体变形难易程度）为106N·m﹣2数量级，纵向声波传播速率低达10m·s-1。气凝胶有良好的透光度，阻止热辐射，是隔热性能优良的固体材料。由于气凝胶独特的物理化学性质，现在已用于低温冰箱等低温系统和太阳能集热器等隔热材料；压电陶瓷与空气的声阻耦合材料，以提高声波传播效率、降低器件的信噪比；气凝胶是有大比表面的多孔性固体物质，可用作催化剂和催化剂载体。气凝胶也可以直接做吸附剂。此外，气凝胶在高效高能电极材料、新型高能粒子控制器、药剂缓释体系、灵敏传感器等方面都有广泛的应用前景。

图4-7星尘号探测器的气凝胶