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有机凝胶的形成及其影响因素

有机凝胶的形成及其影响因素. 化工学院 — 翟岩. 凝胶. 定义. 其流体力学行为类似于固体. 在研究的时间内，其在宏观上的持续结构保持不变. 凝胶特性. 凝胶与溶胶 ( 或溶液 ) 有很大的不同。溶胶或溶液中的胶体质点或大分子是独立的运动单位，可以自由行动，因而溶胶具有良好的流动性。凝胶则不然，分散相质点互相连接，在整个体系内形成结构，液体包在其中，随着凝胶的形成，体系不仅失去流动性，而且显示出固体的力学性质， 如具有一定的弹性、 强度、 屈服值等。

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有机凝胶的形成及其影响因素

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Presentation Transcript

  1. 有机凝胶的形成及其影响因素 化工学院—翟岩

  2. 凝胶 定义 其流体力学行为类似于固体 在研究的时间内，其在宏观上的持续结构保持不变 www.themegallery.com

  3. 凝胶特性 • 凝胶与溶胶(或溶液)有很大的不同。溶胶或溶液中的胶体质点或大分子是独立的运动单位，可以自由行动，因而溶胶具有良好的流动性。凝胶则不然，分散相质点互相连接，在整个体系内形成结构，液体包在其中，随着凝胶的形成，体系不仅失去流动性，而且显示出固体的力学性质， 如具有一定的弹性、 强度、 屈服值等。 • 其二，凝胶和真正的固体又不完全一样，它由固液两相组成，属于胶体分散体系，共结构强度往往有限， 易于遭受变化。改变条件，如改变温度、介质成分或外加作用力等，往往能使结构破坏，发生不可逆变形，结果产生流动。由此可见，凝胶是分散体系的一种特殊形式，共性质介于固体和液体之间 www.themegallery.com

  4. 凝胶的形成机理 • 有机凝胶是低浓度的凝胶因子在一定的物理条件下在适当的溶剂中形成的一种半固体的状态。凝胶因子能在在溶剂中自发的聚集，自组装成有序的结构，形成一种网状的结构，能够阻止溶剂分子的流动，最终形成类似果冻的半固体凝胶。 • 静电力、疏水相互作用、π-π相互作用以及金属配位键等，这些驱动力的强弱直接影响和决定了凝胶因子的凝胶化能力。 www.themegallery.com

  5. 文献 Multifunction Gels from Polymeric Spin-crossover Metallo-gelators 主要内容；对[M(Cntrz)3]A2 [M=Fe(Ⅱ) or Zn(Ⅱ)) Cntrz=4-n-烷基-1,2,4-三唑（n=13、16、18）A=一价的离子](简写为MCnA)形成的凝胶进行了研究，研究了凝胶在不同溶剂中的结构以及不同浓度的[M(Cntrz)3]A2对凝胶的影响。 实验部分：对凝胶进行了红外、DLS、溶解和凝胶性的检测、Tmelt与Tgel温度的测量、电子显微镜观察、DSC(差示热量扫描)以及热重实验。 www.themegallery.com

  6. 伪相图 凝胶的结构 凝胶的形成 及稳定性 结果与讨论 DSC测量 www.themegallery.com

  7. 凝胶的形成与稳定性 • FeCnptol，可以在非极性烷氢以及甲苯中形成凝胶，并且不溶于醇类和其他极性溶剂如THF。另外n的个数为13或者16时并不影响凝胶性能。 • 用Zn替换Fe即ZnC18ptol同样具有凝胶性。 • 用四氢硼酸盐替换-ptol即为FeC18BF4，凝胶性降低。 • 用氯离子作为A，即FeC18Cl或者ZnC18Cl凝胶性能存在，并且不溶于三氯甲烷。 • 由于形成的凝胶中结晶诱导作用，凝胶并不能稳定存在，MCnA/甲苯 在20℃5000rpm下离心,结果表明， MCnA的浓度越高，形成的凝胶越稳定。 www.themegallery.com

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  9. 伪相图 • 改变MCnA的浓度，会影响Tmelt或者Tgel的温度。 • FeC18ptol/癸烷由于结晶作用，使得凝胶在一段时间后有结晶形成导致相分离，尽管这个过程可逆，但凝胶仍然是热力学不稳定的，考虑到三氯甲烷是溶解MCnA的良好溶剂。在溶剂癸烷中按比例加入三氯甲烷，研究对凝胶的影响，结果使得形成均一的凝胶在较低的温度;凝胶的稳定性也得到提高。（如下图） www.themegallery.com

  10. Tgel为蓝色框Tmelt（红色圆圈） 凝胶全红线对应于理想的解决方案模型 灰色的十字架为凝胶的自旋交叉温度 www.themegallery.com

  11. Pseudo phase-diagrams for Φm = 3 wt % FeC18ptol/decane-CHCl3 mixtures as a function of the CHCl3 weight fraction. www.themegallery.com

  12. 凝胶结构 • 用AFM和SEM/TEM对不同溶剂中凝胶的结构进行观察。凝胶的孔径大概在100nm左右。 www.themegallery.com

  13. 凝胶结构 与使用纯癸烷溶剂相比，溶剂中加入三氯甲烷使得凝胶的孔径增大。并且加入过多的三氯甲烷会毁坏凝胶的3D结构。 AFM tapping mode images (1 μm×1μm) of 3 wt % FeC18ptol/decane-CHCl3 gels for different decane-CHCl3 weight ratios: 100:0 (a), 65:35 (b), and 50:50 (c). www.themegallery.com

  14. 凝胶结构 FeC18ptol浓度的增大会使得凝胶的结构更紧凑，孔径减小。 AFM tapping mode images (2μm×2μm) of toluene gels at 1 wt %(a) and 3 wt %(b) of FeC18ptol. www.themegallery.com

  15. 凝胶结构 将甲苯中凝胶干燥，观察到孔径进一步增大，可能是由于蒸发过程结晶扩散作用所致。 SEM (top, scale bar 2μm) and TEM( bottom, scale bar 1μm) observations of xerogels formed from 1 (SEM) and 0.5 (TEM) wt % solutions of FeC18ptol in toluene www.themegallery.com

  16. 凝胶结构 • 结论：同其他有机凝胶一样，该凝胶形成网状结构，相互作用力可能是三唑尾巴上的烷基之间的范德华力，还有对甲基苯磺酸上的磺酸基与三唑环之间的氢键相互作用。 www.themegallery.com

  17. DSC测量 DSC trace (red and blue line correspond to respectively warming and cooling thermograms, endothermic events are up) of a 18.3 wt% FeC18ptol/decane gel, showing the SC anomaly around 52 ℃ and a broad anomaly ascribed to the gel to liquid transitionfrom93 to114 ℃ www.themegallery.com

  18. 第一个峰为Tsc (the spin-crossover temperature),这个温度几乎不受凝胶浓度的影响。 • 第二个峰为凝胶开始融化到最后凝胶消失的温度，并选取第二个峰右边对应的温度作为Tmelt温度，尽管与实际测量有误差，仍然具有较好的参考价值。 www.themegallery.com

  19. Thank You !

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