无机膜材料制备研究进展

农膜研究报告农膜是一种用于覆盖农田的薄膜材料，可以帮助提高农作物的产量和质量。

农膜的研究涉及到农膜的种类、制备方法、应用效果等方面。

本报告将重点介绍农膜的种类、制备方法和对农作物产量的影响。

农膜主要分为有机农膜和无机农膜两大类。

有机农膜主要由聚乙烯、聚氯乙烯等有机高分子材料制成，具有透光性好、保湿性强、耐候性好等特点。

无机农膜主要由无机材料如石墨烯、聚苯乙烯等制成，具有导热性好、抗老化性强等特点。

农膜的制备方法主要有拉伸法、熔融法和共混法等。

拉伸法是将塑料颗粒通过熔融后，经拉伸成薄膜的方法。

熔融法是将塑料颗粒通过熔融后直接注塑成薄膜的方法。

共混法是将不同种类的塑料颗粒混合后，通过熔融后制备成复合薄膜的方法。

这些制备方法都具有简单、高效的特点，可以满足不同种类的农膜需求。

农膜的应用可以提高农作物的产量和质量。

首先，农膜可以提供良好的光环境和温室效应，提高作物的光合作用和生长速度。

其次，农膜可以保持土壤湿度，减少水分蒸发和浸泡，提高土壤保水能力。

此外，农膜还可以防止杂草生长和土壤侵蚀，减少农药和肥料的使用。

因此，通过合理使用农膜，可以大幅度提高农作物的产量和质量。

然而，农膜的过度使用也存在一些问题。

首先，农膜的使用会增加土壤的温度，可能影响土壤的生物活性。

其次，过度使用农膜可能导致化学物质的残留，对农产品的食品安全产生影响。

此外，农膜的废弃物处理也是一个挑战，不合理的处理方式可能对环境造成污染。

综上所述，农膜作为一种可以提高农作物产量和质量的农田覆盖材料，在农业生产中具有很大的潜力。

然而，农膜的应用需要根据具体的农田环境和作物需求来进行合理选择和管理。

未来的研究还需要关注农膜的环境影响和可持续发展问题，为农业的可持续发展提供支持。

膜分离技术的研究进展及应用展望膜分离技术的研究进展及应用展望引言：膜分离技术是一种基于物理或化学的分离方法，利用膜的特殊结构和性质，在不同组分之间实现传质、分离和浓缩。

膜分离技术在过去几十年中得到了广泛的研究和应用，已经成为化工、环保、食品加工和生物医药等领域中不可或缺的重要分离技术之一。

本文将重点讨论膜分离技术的研究进展，并展望其在未来的应用前景。

一、膜材料的发展膜分离技术最重要的组成部分就是膜材料。

随着科技的不断进步，膜材料也在不断发展。

膜材料的关键指标包括选择性、通量、稳定性等。

传统的膜材料包括有机膜和无机膜。

有机膜的选择性较差，对一些高分子的渗透有限。

而无机膜通常具有较好的选择性，但通量较低。

因此，近年来，新型膜材料开始得到关注，如纳米膜、多孔膜、复合膜等。

这些膜材料具有高通量和良好的选择性，对分离、纯化等领域具有广泛的应用前景。

二、膜结构的改进膜结构是决定膜分离性能的关键因素之一。

在过去的研究中，通过改变膜的孔径、孔隙率、孔结构等，可以调控膜的分离性能。

然而，传统的膜结构改进方法往往限制了膜的通量和选择性。

因此，新型的膜结构设计思路被提出，如层状膜、纤维束膜、铺砌膜等。

这些新型膜结构具有更大的表面积和更高的通量，具有更好的应用前景。

三、膜分离过程的模拟与优化在膜分离过程中，通过建立数学模型，可以模拟膜分离过程，为工艺的优化提供指导。

传统的膜分离模型通常是基于扩散机理，而忽略了流体流动和膜表面阻力对分离的影响。

近年来，随着计算机模拟技术的发展，可以建立更精确的模型，考虑流体流动、膜表面阻力等因素对分离的影响。

通过优化模型参数和工艺条件，可以实现膜分离过程的最佳化。

这将提高膜分离过程的效率和经济性，并为膜分离技术的应用提供更好的支持。

四、膜分离技术的应用展望膜分离技术在水处理、气体分离、药物纯化等领域已经得到了广泛的应用。

随着人们对环境保护和资源利用的重视，膜分离技术在未来的应用前景更加广阔。

第1篇一、实验目的本次实验旨在探究无机膜在分离技术中的应用效果，通过对特定溶液进行分离实验，验证无机膜在分离过程中的稳定性、选择性和效率。

实验主要针对无机陶瓷膜进行操作，研究其在实际应用中的可行性。

二、实验材料与设备1. 实验材料：- 赖氨酸发酵液（含赖氨酸、短杆菌、菌体蛋白质、颗粒杂质等）- CO2混合气体（含N2、CF4、C3F6等）- 工业废气（含SO2、NOx、颗粒物等）- 无机陶瓷膜（孔径约0.4~0.6μm）- 聚四氟乙烯（Teflon AF 2400）- 有机-无机复合膜材料2. 实验设备：- 膜过滤装置- 气体分离装置- 工业废气净化装置- 分光光度计- 精密天平- 恒温水浴锅- 高压气体钢瓶三、实验方法1. 赖氨酸分离实验：- 将赖氨酸发酵液通过无机陶瓷膜进行过滤，收集滤液和滤渣。

- 分析滤液中赖氨酸的含量，计算提取率。

- 观察滤液悬浮物和浊度，评估过滤效果。

2. 气体分离实验：- 将CO2混合气体通过Teflon AF 2400制作用于分离氮气、四氟甲烷和六氟丙烯的气体分离无机膜。

- 分析分离后气体的成分，计算分离效果。

3. 工业废气净化实验：- 将工业废气通过有机-无机复合膜材料进行净化。

- 分析净化前后废气中污染物的含量，评估净化效果。

四、实验结果与分析1. 赖氨酸分离实验：- 经无机陶瓷膜处理后，赖氨酸提取率可达80%以上。

- 滤液悬浮物小于0.5%，浊度在10 NTU以内，过滤效果稳定。

2. 气体分离实验：- N2/CF4的理想选择性为88，N2/C3F6的理想选择性为71。

- 聚四氟乙烯层对沸石层的密封作用是获得较高选择性的原因。

3. 工业废气净化实验：- 有机-无机复合膜材料对工业废气中的SO2、NOx等污染物具有较好的净化效果。

- 净化后废气中污染物含量显著降低，净化效果明显。

五、实验结论1. 无机陶瓷膜在赖氨酸分离提取过程中具有稳定、高效、操作简便等优点，是赖氨酸分离提取的理想膜材料。

膜分离技术应用的研究进展一、本文概述随着科技的不断进步，膜分离技术作为一种高效、环保的分离技术，已经在多个领域得到了广泛的应用。

膜分离技术，利用特定的膜材料对混合物中的不同组分进行选择性分离，具有操作简便、能耗低、分离效果好等优点，因此在化工、环保、食品、医药等领域有着广阔的应用前景。

本文旨在对膜分离技术应用的研究进展进行全面的综述，分析各类膜材料的性能特点，探讨膜分离技术在不同领域的应用现状，以及未来可能的发展趋势。

通过对膜分离技术的深入研究，我们期望能够为相关领域的科技进步和产业发展提供有益的参考。

二、膜分离技术的分类与特点膜分离技术是一种基于膜的选择性渗透原理，用于分离、提纯和浓缩溶液中的不同组分的高效分离技术。

根据其分离机制和操作原理，膜分离技术主要分为以下几类，并各自具有其独特的特点。

微滤（Microfiltration，MF）：微滤膜通常具有较大的孔径，能够有效截留溶液中的悬浮物、颗粒物和细菌等。

其特点是操作简单、高通量、低能耗，广泛应用于水处理、食品加工和制药等领域。

超滤（Ultrafiltration，UF）：超滤膜的孔径介于微滤和纳滤之间，能够截留分子量较大的溶质和胶体物质。

超滤技术具有分离效果好、操作简便、对热敏性物质损伤小等优点，常用于蛋白质、酶等生物大分子的分离和纯化。

纳滤（Nanofiltration，NF）：纳滤膜的孔径较小，能够截留分子量较小的溶质和无机盐。

纳滤技术具有对有机物和无机盐的高效分离能力，且能在较低的操作压力下实现较高的分离效率，适用于水软化、废水处理和食品工业等领域。

反渗透（Reverse Osmosis，RO）：反渗透膜具有极小的孔径，能够截留溶液中的绝大多数溶质，实现高纯度水的制备。

反渗透技术具有分离效果好、产水水质高、操作稳定等优点，是海水淡化、苦咸水脱盐、工业废水处理等领域的首选技术。

电渗析（Electrodialysis，ED）：电渗析技术利用电场作用下的离子迁移原理，实现溶液中阴阳离子的分离。

新型无机材料的合成与应用研究在当今科技飞速发展的时代，新型无机材料的出现犹如一颗璀璨的新星，为各个领域带来了前所未有的机遇和挑战。

这些材料凭借其独特的性能和广泛的应用前景，正逐渐成为材料科学领域的研究热点。

新型无机材料的合成方法多种多样，每一种都有着独特的原理和特点。

其中，溶胶凝胶法是一种较为常见的合成途径。

它通过将金属醇盐或无机盐在溶剂中水解和聚合，形成溶胶，进而凝胶化，经过干燥和热处理，最终得到所需的无机材料。

这种方法具有合成温度低、成分均匀、纯度高等优点，适用于制备各种氧化物和复合氧化物材料。

水热合成法也是备受关注的一种方法。

在高温高压的水热条件下，反应物的溶解度和反应活性大大提高，使得一些在常温常压下难以进行的反应得以顺利发生。

利用水热合成法，可以制备出具有特殊形貌和结构的无机材料，如纳米线、纳米管等。

另外，化学气相沉积法在新型无机材料的合成中也发挥着重要作用。

它是将含有构成材料元素的气态物质，在加热的衬底表面发生化学反应并沉积形成薄膜或纳米结构的过程。

这种方法能够精确控制材料的厚度、组成和结构，广泛应用于半导体材料和薄膜材料的制备。

新型无机材料在众多领域都有着广泛的应用。

在电子信息领域，半导体材料的发展是推动信息技术进步的关键。

以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体材料，具有宽禁带、高电子迁移率等优异性能，在高频、高功率器件方面展现出巨大的应用潜力。

它们能够提高电子设备的工作频率和效率，降低能耗，为 5G 通信、新能源汽车等产业的发展提供有力支持。

在能源领域，新型无机材料也扮演着重要角色。

例如，锂离子电池中的正极材料，如磷酸铁锂和三元材料，其性能的不断优化很大程度上依赖于新型无机材料的研发。

同时，新型无机材料在太阳能电池中的应用也日益广泛。

钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的太阳能电池技术，其核心的钙钛矿材料就是一种新型无机材料，具有高效率、低成本的优势，有望成为未来太阳能发电的主流技术之一。

膜分离技术的研究进展及其应用展望膜分离技术是一种重要的分离技术，主要通过多孔膜的筛选作用实现物质分离。

该技术已经广泛应用于生物技术、食品工业、化学工业、环保工程、医药等领域。

本文将介绍膜分离技术的研究进展及其应用展望。

一、膜分离技术的研究进展（一）膜材料的研究膜材料是膜分离技术的基础，目前主要有有机膜、无机膜和复合膜三种类型。

有机膜主要包括聚酯薄膜、聚碳酸酯薄膜、聚氨酯薄膜等。

这些膜材料具有重量轻、成本低的特点，但是它们的相对分子质量截止率较低，不能满足高精度的分离要求。

无机膜主要包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜等。

这些膜材料具有相对分子质量截止率高、高温抗腐蚀、使用寿命长的特点，但是成本昂贵，生产工艺复杂。

复合膜则是综合了有机膜和无机膜的优点，同时避免了它们的缺点，被广泛应用于分离领域。

（二）膜分离机理的研究膜分离机理主要包括纳滤、超滤、微滤和逆渗透等，其中逆渗透技术是目前应用最广泛的一种膜分离技术。

它主要利用高压将溶液逆向渗透过一种微孔膜，使得溶液中间的水分子进入膜孔，而其他大分子物质则难以通过膜孔的筛选。

逆渗透技术广泛应用于海水淡化、饮用水净化、污水处理、浓缩果汁等领域。

（三）膜分离过程的研究膜分离过程主要包括内部浓度极化层、外部浓度极化层、膜分离区等几个步骤。

其中，内外两层浓度极化层对分离效果有非常重要的影响，需要根据实际情况进行调整和优化。

此外，膜分离过程中存在一些不确定性因素，如温度、压力、污染物等，这些因素为分离过程带来了一定的不稳定性。

二、膜分离技术的应用展望（一）水处理领域随着全球水资源日益紧张，不断有新的水处理技术被推出。

膜分离技术通过其高效、节能、环保等特点，被认为是未来水处理领域的重要突破口。

目前，膜分离技术已经广泛应用于海水淡化、饮用水净化、污水处理、水中微量有害物质的去除等方面。

（二）食品工业膜分离技术已经广泛应用于食品的处理和包装。

例如，利用膜分离技术，可以从牛奶中分离出蛋白质、糖类、脂肪等成分，生产出优质乳制品；同时，膜分离技术也可以帮助包装行业实现食品保鲜、防腐、防污染等需求，满足人们对于健康、安全、方便的生活需求。

有机-无机杂化膜的研究进展1.简介传统的有机膜具有柔韧性良好、透气性高、密度低的优点，但是它们的耐溶剂性、耐腐蚀、耐温度性都较差，而单纯的无机膜虽然强度高、耐腐蚀、耐溶剂、耐高温，但比较脆，不易加工，因而制备一种兼具有两者优点的膜是目前研究的热点。

有机-无机杂化膜在有机网络中引入无机质点，改善网络结构，增强了膜的机械性能，提高了热稳定性，改善和修饰膜的孔结构和分布，提高膜的渗透性和分离选择性。

2.有机-无机杂化膜的结构有机-无机杂化膜按结构可分为3大类：（1）有机相和无机相间以共价键结合的杂化膜，图1;（2）有机相和无机相间以范德华力或氢键结合的杂化膜，图2，膜从结构上可以分为在有机基质内分散着无机纳米微粒和在无机基质中添加纳米高分子微粒;（3）有机改性的陶瓷膜，图3。

3.有机-无机杂化膜的制备方法制备有机-无机杂化膜的方法包括：溶液-凝胶法、纳米微粒与高分子直接共混法、原位聚合法等。

这里重点介绍前两种方法。

（1）溶胶-凝胶法（sol-gel）溶胶-凝胶法是将无机前驱体溶于水或有机溶剂中形成均匀的溶液，通过水解、缩合反应生成粒子粒径为纳米级的溶胶，再经干燥转变为凝胶。

用溶胶-凝胶法制备的杂化膜内部有机和无机相易发生分离，不易得到均质膜。

当无机组分均匀的分散在有机网络中，且两者间存在一定的相互作用时，易得到透明均质膜。

这种相互作用可以是氢键也可以是化学键，组分间的化学键可以是M-C、M-O-Si-C或M-L（L为有机配体如多羟基配体，有机羧酸等）。

引入化学键有两者方法：一是选用包含有功能性基团的烷氧基硅氧烷单体作为无机前驱体；二是加入偶联剂对有机高聚物进行改性，选用三官能团的硅氧烷，更易得到均质膜。

（2）共混法该方法是高分子可以以溶液形式、乳业形式、熔融形式等与纳米无机微粒共混。

共混法操作方便、工艺简单。

用此方法得到的杂化膜中，纳米微粒空间分布参数难以确定，纳米微粒分布不均匀，易团聚，通过对纳米微粒做表面改性或加入增溶剂进行改性。

无机膜分离技术的研究进展与应用无机膜分离技术是指通过过滤、吸附、透析等方式，利用无机膜分离物质间的物理和化学性质，实现对混合物中目标成分的分离和纯化。

该技术因其高效、经济、环保等优点，被广泛应用于生物工程、化学工程、环境保护等领域。

本文将介绍无机膜分离技术的研究进展和应用现状。

一、无机膜分离技术的基础原理无机膜分离技术利用无机膜作为分离介质，实现对混合物中目标分子的分离和纯化。

无机膜具有高的物理和化学稳定性、优异的耐热性、耐磨性等特点，因此在高温、高压、强酸强碱等极端环境下仍能保持良好的分离效果。

无机膜分离具有分子筛分、催化分离、质子交换、纳滤、远红外分离等多种机制，具有广泛的适用范围和应用前景。

二、无机膜分离技术的研究进展无机膜分离技术的研究始于20世纪50年代，自此以后，该领域得到了快速发展。

目前，无机膜分离技术已经是现代分离技术研究的热点领域之一。

下面，将就无机膜材料、制备工艺、分离机制、应用研究等方面的进展进行介绍。

1.无机膜材料无机膜材料是无机膜分离技术中至关重要的组成部分。

目前，常用的无机膜材料包括陶瓷、玻璃、金属、碳等。

其中，陶瓷膜广泛应用于酶的分离和纯化领域，金属膜用于催化反应和纯化金属离子，而碳膜则用于分离分子量较大的有机分子。

此外，近年来，纳米材料也逐渐成为无机膜制备的新材料，如基于纳米管的膜、纳米插层材料等，具有先进的制备技术和优异的性能。

2.无机膜制备工艺无机膜制备工艺是无机膜分离技术中至关重要的环节。

无机膜的制备一般包括物理吸附、化学合成、热熔法、气相沉积、离子交换等多种技术。

每种工艺都有其特殊的制备原理和优势，目前以化学合成和物理吸附工艺为主。

由于无机膜制备技术的精细化和微纳化程度趋于严格，近年来，绿色制备和可持续发展的无机膜工艺正在得到越来越多的关注。

3.无机膜分离机制无机膜分离机制是无机膜分离技术研究的重要内容。

无机膜分离机制一般包括膜孔隙分离、表面的吸附分离、滴灌等机制。

Al2O3无机薄膜的制备、热稳定性及表面自由能计算杨靖;李鹏程;穆瑞花;赵亚梅;同帜;郭雅妮【摘要】Al2O3 inorganic films was prepared in a sol-gel process,using aluminum isopropoxide (AIP) as precursor,nitric acid as the peptizer.The thermal stability and surface free energy of inorganic film materials were studied by X-ray diffraction(XRD),energy dispersespectroscopy(EDS),Fourier transform infraredspectroscopy(FTIR),thermogravimetry-differential thermal gravimetry (TG-DTG) and contact angle measurement.The results showed that,with the increasing of calcination temperature,the absorption peak of C—H is weakened and the Al—O—H bond gradually breaked.When calcined at 350 ℃,Al—O bond was the primary chemical structure of the sample materials,the phase structure of the sample was transformed from the γ-Al OOH to the γ-Al2O3,the grain size calculated from the strongest diffraction peak corresponding to the crystal plane of (440) reaches 4.2 nm.The corresponding Al/O element atomic and weight percentage of the film materials was coincided with the chemical composition of Al2O3 and the surface free energy can reach a minimum of 46.24× 10-5 N/cm.%以异丙醇铝(AIP)为前体,硝酸为胶溶剂,采用溶胶-凝胶法制备Al2O3无机薄膜.通过X 射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)、红外光谱(FTIR)、热重-微分热重(TG-DTG)、接触角测试等表征,对无机薄膜的热稳定性及表面自由能进行研究.结果表明,随着焙烧温度的升高,C-H吸收峰减弱,Al-O-H键逐渐断裂,表面自由能先减小后增大;350℃时化学结构以Al-O键为主,物相结构由γ-AlOOH转变为γ-Al2O3,对应最强衍射峰(440)晶面处的晶粒尺寸达到4.2 nm,膜材料对应的Al/O元素原子及重量百分比与Al2O3化学组成匹配,表面自由能达到最小值46.24×10-5 N/cm.【期刊名称】《膜科学与技术》【年(卷),期】2017(037)003【总页数】6页(P62-67)【关键词】溶胶-凝胶法;Al2O3无机薄膜;热稳定性;表面自由能【作者】杨靖;李鹏程;穆瑞花;赵亚梅;同帜;郭雅妮【作者单位】西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,西安710048【正文语种】中文【中图分类】O4841975年Yoldas从勃姆石溶胶中制备了Al2O3无机薄膜[1]，揭开了无机膜研究的序幕.此后氧化铝薄膜因其耐高温、耐腐蚀、易清洁、强度高、热稳定性好、化学性质稳定等优异特性使得其在过滤、分离甚至催化反应领域都有着极大的应用[2-3].Al2O3薄膜的制备方法很多，目前有工业应用前景的制备方法主要有：固态粒子烧结法、溶胶 - 凝胶法、阳极氧化法、化学气相沉淀法(CVD)等[4].在众多的制备方法中，溶胶 - 凝胶法因其操作简单，工艺过程易于控制，且不需要任何真空环境和太高的合成温度，是当前制备氧化铝薄膜最常用的方法之一[5].近年来，国内外研究者虽然针对Al2O3无机薄膜开展了很多性能研究，如Park等[6]采用溶胶 - 凝胶法，以异丙醇铝为前体，硝酸为胶溶剂，研究了改性Al2O3膜的微观形貌、物相结构及透氢性能；Amanipour等[7]利用化学气相沉积法制备的Al2O3/SiO2复合膜，在800 ℃和100 kPa的压差下，H2的渗透速率为6.3×10-7 mol/(m2·Pa·s)，H2/N2分离因子可达到203.但这些研究多数集中于其基本结构及分离性能的报道，在XRD的表征中缺乏对晶粒尺寸的分析，而晶粒尺寸对膜材料结构组成至关重要，故很有必要进行研究.此外，实际应用中膜材料会在许多复杂的水汽环境工作，而水汽对膜材料的孔道结构及分离性能有重要影响，故膜材料表面性能研究尤为重要.此前曹志普[8]以溶液纺丝法制备的介孔Al2O3/PVDF复合中空纤维膜，刘娟娟等[9]以化学气相沉积法制备的Ni/Al2O3陶瓷膜，均利用直接测试接触角来研究其表面润湿性，但他们并未对润湿性进行深入分析.为了适应膜材料的应用要求，本文采用溶胶 - 凝胶法，以异丙醇铝(AIP)为前体，制备Al2O3无机薄膜，通过X射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)、红外光谱(FTIR)、热重 - 微分热重(TG - DTG)及接触角测试等表征方法，系统地对600 ℃以下温度焙烧的膜材稳料进行热定性研究，在XRD表征中进行晶粒尺寸分析，并利用van Oss - Chaudhury - Good理论计算膜材料的表面自由能，对膜材料的表面润湿性进行评价.1 实验部分1.1 试剂异丙醇铝(C9H21AlO3 - AIP，AR)，天津市光复精细化工研究所；浓硝酸(HNO3，AR)，西安长安区化学试剂厂；甘油(C3H8O3，AR)，无锡市亚泰联合化工有限公司；二碘甲烷(CH2I2，AR)，广州和为化工有限公司；蒸馏水(H2O)，实验室自制.1.2 Al2O3无机薄膜的制备按摩尔比AIP/H2O/HNO3=1/100/0.25，利用集热式恒温磁力搅拌器将三口烧瓶中的去离子水加热至80 ℃，分次缓慢加入已称量好的AIP，强烈搅拌1.5 h，使其充分水解，然后用恒压漏斗将2 mol/L的胶溶剂HNO3缓慢加入三口烧瓶，在85 ℃回流搅拌8 h，便可得到充分水解的Al2O3溶胶.将充分水解的Al2O3溶胶倒入培养皿中，50 ℃真空干燥后，将凝胶片取出，放入程控高温炉中，在空气气氛中以1 ℃/min的升温速率分别升温至200 ℃、350 ℃、600 ℃进行焙烧，恒温2 h后随炉冷却至室温，即得焙烧过的Al2O3无机薄膜. 1.3 试样表征XRD测试采用日本理学公司生产Rigaku/D/max - 2550/pc型X射线衍射仪，Cu Kɑ射线，扫描速度4°/min，扫描范围5°～80°.能谱(EDS)分析采用英国牛津公司生产的X - MAX50型能谱仪.红外光谱(FTIR)采用美国PerkinElmer公司生产的Spotlight 400 & Frontier傅里叶变换红外光谱仪进行测定.热重 - 微分热重(TG - DTG)测试采用瑞士Mettler - Toledo公司生产的TGA/SDTA851e型热重，空气气氛，升温速率为5 ℃/min，测试温度范围为25～800 ℃.接触角测试采用承德试验机厂生产的JY - 82型接触角测定仪，测量温度25 ℃，相对湿度40%.2 结果与讨论2.1 物相结构分析将50 ℃真空干燥以及200 ℃、350 ℃、600 ℃焙烧的Al2O3无机薄膜材料进行物相结构分析，其XRD图谱如图1所示.350 ℃焙烧的Al2O3样品的EDS能谱分析如图2所示.在图1中，对于50 ℃干燥的样品，在2θ=14.46°、28.22°、38.41°、48.94°、65.19°、72.04°附近出现了正交晶系γ - AlOOH(JCPDS 21 - 1307)的特征衍射峰，其对应晶面指数分别为(020)、(120)、(031)、(051)、(002)、(251).焙烧温度为200 ℃时，与50 ℃干燥的样品相比，其衍射峰峰形、峰位相似，强度减弱，在2θ=65.19°、72.04°两处的特征峰已不明显.这是因为部分γ - AlOOH已发生转变，而主要衍射特征峰仍为γ - AlOOH.当焙烧温度为350 ℃时，在2θ=37.71°、45.87°、66.89°附近出现了新的衍射峰，衍射峰形较宽且弥散；图2表明，350 ℃焙烧的样品中对应的Al元素与O元素原子及重量百分比正好与Al2O3化学组成匹配；而图1(c)中新出现的3个衍射峰位置正好与立方晶系γ -Al2O3(JCPDS 29 - 0063)的晶面指数(311)、(400)、(440)相对应.这是因为γ - AlOOH完全脱羟，生成了γ - Al2O3，表明此时温度(a) 50 ℃; (b) 200 ℃; (c) 350 ℃; (d) 600 ℃图1 不同温度焙烧后Al2O3膜材料的XRD图谱Fig.1 XRD(X-ray diffraction) spectra of Al2O3 film materials calcined at various temperature图2 350 ℃焙烧的Al2O3膜材料EDS能谱图Fig.2 EDS energy spectra ofAl2O3 film materials calcined at 350 ℃的升高导致了物相转变.当焙烧温度升至600 ℃时，在2θ=20.41°、31.99°、37.71°、45.87°、60.83°、66.89°附近出现了更加完整的立方晶系γ - Al2O3的特征衍射峰，相比于350 ℃焙烧的样品物相未发生变化.不同焙烧温度下，γ - AlOOH和γ - Al2O3对应的最强衍射峰晶面指数分别为(020)和(440)，其相应的晶粒尺寸D(nm)可根据Scherrer公式[10]计算得出，即(1)式中，K为Scherrer常数，一般取0.89；λ为X射线波长，CuKɑ射线源，取0.154 2 nm；θ为衍射半角,(°)；β为积分半高宽度(FWHM)/rad.计算结果见表1所示.由表1可知，当焙烧温度从50 ℃升高到200 ℃时，γ - AlOOH(020)晶面处对应衍射峰半高宽变小，结晶度变大，晶粒尺寸增大，说明温度的升高促进了该晶面的生长；当焙烧温度从200 ℃升高到350 ℃时，晶型及结构发生本质变化，因而最强衍射峰峰位发生变化.当焙烧温度从350 ℃升高到600 ℃时，γ -Al2O3(440)晶面处对应衍射峰半高宽减小，晶粒尺寸增大到4.4 nm，说明600 ℃的高温只是使得相应晶面生长，结晶度变大.表1 不同温度焙烧后Al2O3膜材料的XRD图谱峰形参数Table 1 XRD spectra peak shape parameters of Al2O3 film materials calcined at various temperature焙烧温度/℃衍射角2θ/(°)FWHM/(°)晶粒尺寸D/nm5014．464．0052．020014．463．0762．635066．892．2834．2600 66．892．1854．42.2 化学结构分析将50 ℃真空干燥以及200 ℃、350 ℃、600 ℃焙烧的Al2O3无机薄膜材料进行红外光谱分析，结果如图3所示.在图3中，3 075 cm-1、3 300 cm-1处出现的吸收峰分别对应于Al—O—H结构中O—H键的对称伸缩振动和非对称伸缩振动[11]；1 069、1 185 cm-1处出现的吸收峰分别对应于Al—O—H键的对称伸缩振动和非对称伸缩振动[12]；1 108 cm-1、619 cm-1附近出现的吸收峰分别是由Al—O键的伸缩振动和弯曲振动引起的[13].有研究者认为[14-16]，736 cm-1、619 cm-1和475 cm-1附近的吸收峰分别对应于AlO6八面体结构中Al—O键的扭转振动、弯曲振动以及伸缩振动.但在本实验中，经过焙烧后的各样品619 cm-1附近的吸收峰一直存在，736 cm-1和475 cm-1附近的吸收峰只有200 ℃焙烧的样品中较弱地出现，而在350 ℃和600 ℃焙烧的样品图谱中并未出现.在图3中，1 385 cm-1处出现的吸收峰是由未完全水解反应物中甲基、亚甲基的C—H振动引起的[17-18]；3 442 cm-1、3 580 cm-1和1 634 cm-1附近为吸附水的吸收谱带，其中 3 442 cm-1、3 580 cm-1处的吸收峰对应于水分子中O—H 键的伸缩振动，而1 634 cm-1处的吸收峰对应于水分子中O—H 键的弯曲振动.(a) 50 ℃; (b) 200 ℃; (c) 350 ℃; (d) 600 ℃图3 不同温度焙烧后Al2O3膜材料的红外光谱图Fig.3 FTIR(Flourier transfom infrared spctroscopy) spectra ofAl2O3 film materials calcined at various temperature在50 ℃干燥的样品中，3 075 cm-1、3 300 cm-1处Al—O—H结构中O—H 键，1 069 cm-1、1 185 cm-1处的Al—O—H键及1 385 cm-1处的C—H吸收峰并存，说明膜材料的化学结构以Al—O—H键为主，其中存在未完全水解的反应物；当焙烧温度升高到200 ℃时，部分Al—O—H键发生转变形成了新的Al—O振动峰，Al—O—H结构中的O—H键仍然存在，C—H吸收峰变小，说明温度的升高促进了Al—O—H键的分子间脱水和未完全水解反应物的分解，膜材料的化学结构为Al—O—H和Al—O键共存；当焙烧温度增至350 ℃时，Al—O—H键彻底断裂，Al—O—H结构中的O—H键完全消失，C—H吸收峰形大大减弱，说明膜材料的化学结构发生了很大变化，此时膜材料的化学结构以Al—O 键为主；当焙烧温度继续升高到600 ℃时，整体峰形与350 ℃时相比变化不大，表明这两个温度下膜材料的化学结构未发生明显变化.2.3 TG-DTG分析50 ℃真空干燥的Al2O3凝胶材料TG - DTG曲线如图4所示.在图4中，DTG曲线在71.6、184.2和283.5 ℃处出现了3个明显的失重峰，对应于3个失重过程.这是因为Al2O3凝胶材料在形成过程中发生了以下主要反应，如式(2)～式(6)所示[19].水解反应：Al(OC3H7)2(OH)+C3H7OH(2)Al2O(OC3H7)2(OH)2+ 2C3H7OH (3)2C3H7OH (4)缩聚反应：(5)Al—O—Al+C3H7OH(6)图4 Al2O3凝胶材料的TG - DTG曲线Fig.4 TG - DTG(thermogravimetry-differential thermogravimetry) curves of Al2O3 gel materials第一阶段的失重在115 ℃左右完成，主要是由材料中的物理吸附水和反应产生的C3H7OH挥发引起的，其失重率约为10.8%；第二阶段的失重发生在115～220 ℃之间，主要是由材料中结合水的脱除及未完全水解产物的分解所致，其失重率为约12.0%；第三阶段的失重发生在220～600 ℃之间，在283.5 ℃时失重速率达到最大，主要是由AlOOH分子内脱水，材料发生相变生成Al2O3所致，其失重率约为22.2%；600 ℃以后趋于稳定，失重率不到1%.2.4 表面自由能计算表面自由能作为材料自身的重要特征，与其表面润湿性密切相关[20].van Oss - Chaudhury - Good等[21-22]认为，固体或液体表面自由能γ由非极性的Lifshitz - Van der Waals分量γLW和极性的Lewis酸 - 碱分量γAB组成，而γAB为电子供体γ-和电子受体γ+的几何平均值，即γ=γLW+γAB(7)γAB=2(γ+γ-)1/2(8)当固、液、气三相界面张力达到平衡，根据Young方程[23]及黏附功原理[24-25]得到固液界面相互关系为γL(1+cosθ)=2[(γSLWγLLW)1/2+(γS+γL-)1/2+(γs-γL+)1/2](9)式中，θ为液体在固体表面的接触角，γS(γL)、γSLW(γLLW)、γSAB(γLAB)、γS+(γL+)、γS-(γL-)分别为固体(液体)的表面自由能、非极性Lifshitz - Van der Waals分量、Lewis酸 - 碱分量、电子受体分量及电子供体分量.实验所选测试液蒸馏水、甘油、二碘甲烷的表面自由能及其分量如表2所示，它们在Al2O3无机薄膜表面的接触角如表3所示.通过式(7)～式(9)计算出薄膜的表面自由能及其分量，结果如表4所示.由表3可知，Al2O3薄膜表面的蒸馏水接触角都小于90°，表现为亲水特性.表4表明，随着焙烧温度的升高，Al2O3薄膜的表面自由能及其Lifshitz - Van der Waals分量、Lewis酸 - 碱分量都先减小后增大，在350 ℃时达到最小值.主要因为当温度从50 ℃升至350 ℃时，膜材料中水分子及AlOOH结构中O—H键含量逐渐减少，导致测试液内的羟基群与膜材料之间的亲和力不断减弱，Lewis酸 - 碱分量所占比例γSAB/γS降低了2%，表面润湿性减弱；当焙烧温度从350 ℃升至600 ℃时，膜材料分子内结构发生变化，导致膜材料内聚能增大，Lewis酸 -碱分量所所占比例γSAB/γS增加了1%，表面润湿性增强.3 结论1) 未焙烧的Al2O3膜材料化学结构以Al—O—H键、Al—O键为主，随着焙烧温度的升高，Al—O—H键逐渐断裂，至350 ℃时，Al—O—H键彻底断裂，膜材料化学结构变为以Al—O键为主.表2 20 ℃测试液体的表面自由能及其分量(×10-5 N·cm-1)Table 2 Surface free energies and their components of liquids for measuring contact angles at20 ℃(×10-5 N·cm-1)测试液γLLWγL+γL-γLABγL蒸馏水21．8025．5025．5051．0072．80甘油34．003．9257．4030．0064．00二碘甲烷50．800．000．000．0050．80表3 测试液在不同温度焙烧Al2O3薄膜表面的接触角Table 3 Contact angles of Al2O3 film surfaces calcined at various temperature using different liquids焙烧温度/℃接触角/(°)水甘油二碘甲烷5044．841．239．520051．245．843．035056．850．046．560049．544．240．6表4 不同温度焙烧的Al2O3薄膜表面自由能及其分量(×10-5 N·cm-1)Table 4 Surface free energies and their components of Al2O3 film surfaces calcined at various temperature (×10-5 N·cm-1)焙烧温度/℃γSLWγS+γS-γSABγSγSAB/γS5039．861．3228．4912．2552．110．2420038．071．31 23．7611．1749．240．2335036．201．2819．7710．0446．240．226003 9．311．3124．6411．3850．690．232) 未焙烧的Al2O3膜材料物相结构为γ - AlOOH，当焙烧温度为200 ℃时，少部分γ - AlOOH发生转变，至350 ℃时物相结构转变为γ - Al2O3，晶粒尺寸约为4.2 nm，当焙烧温度继续升高到600 ℃时，γ - Al2O3的结晶度变得更高，晶粒尺寸略有增大，达到4.4 nm.3) Al2O3薄膜表面表现为亲水特性，随着焙烧温度的增加，薄膜的表面自由能先减小后增大，当焙烧温度为350 ℃时，表面润湿性最弱，表面自由能达到最小值46.24×10-5 N/cm，Lifshitz - Van der Waals分量γLW、Lewis酸 - 碱分量γAB分别为36.20×10-5、10.04×10-5 N/cm.参考文献:[1] Yoldas B E. 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