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软物质材料软物质材料——胶体胶体第一章第一章 胶体的概述胶体的概述 胶体（colloid）又称胶状分散体（colloidal dispersion）是一种均匀混合物， 在胶体中含有两种不同状态的物质，一种分散，另一种连续分散的一部分是 由微小的粒子或液滴所组成，分散质粒子直径在 1nm—100nm 之间的分散系；胶 体的大小约相当于一般小分子大小（约纳米级）至高倍放大（如超显微镜）条 件下的大小胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分 散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系 第一节第一节 胶体的组成胶体的组成 胶体粒子可以只含一个分子例如某些天然的或合成的大发展化合物溶解于良 溶剂中，可被分散微单个的分子，这些分子大都符合胶体粒子大小的标准大 分子化合物胶体被称为亲液胶体（lyophilic colloid） 胶体粒子也可以有多个分子构成由亲水性基团和亲油性基团组成的两亲性活 性物质在液体介质中可以形成由多个这类分子构成的缔合体，此类缔合体称为 缔合胶体（association colloid） 当构成胶体粒子的物质与分散介质亲和性不大时，必须通过外界做功，使被分 散物质以胶体的大小分散于分散介质中，这样形成的胶体分散体系称为疏液胶 体或憎液胶体（lyophobic） 。

如：溶胶，泡沫，凝胶，乳状液等 第二节第二节 胶体的主要性质胶体的主要性质 1．丁达尔效应(胶体的光学性质) (1)产生丁达尔效应，是因为胶体分散质的粒子比溶液中溶质的粒子大，能使 光波发生散射(光波偏离原来方向而分散传播)，而溶液分散质的粒子太小，光 束通过时不会发生散射 (2)利用丁达尔效应可以区别溶液和胶体 2．布朗运动(胶体的动力学性质) (1)产生布朗运动现象，是因为胶体粒子受分散剂分子从各方面撞击、推动， 每一瞬间合力的方向、大小不同，所以每一瞬间胶体粒子运动速度和方向都在 改变，因而形成不停的、无秩序的运动 (2)胶体粒子做布朗运动的这种性质是胶体溶液具有稳定性的原因之一 3．电泳现象(胶体的电学性质)(1)产生电泳现象，是因为胶体的粒子是带电的粒子，所以在电场的作用下， 发生了定向运动 (2)电泳现象证明了胶体的粒子带有电荷；同一胶体粒子带有相同的电荷，彼 此相互排斥，这是胶体稳定的一个主要原因 (3)胶体粒子带有电荷，一般说来，是由于胶体粒子具有相对较大的表面积， 能吸附离子等原因引起的 第三节第三节 胶体的应用胶体的应用 1、农业生产:土壤的保肥作用.土壤里许多物质如粘土,腐殖质等常以胶体形式 存在。

2、医疗卫生:血液透析,血清纸上电泳,利用电泳分离各种氨基酸和蛋白质医 学上越来越多地利用高度分散的胶体来检验或治疗疾病，如胶态磁流体治癌术 是将磁性物质制成胶体粒子，作为药物的载体，在磁场作用下将药物送到病灶，从而提高疗效 3、日常生活:制豆腐原理(胶体的聚沉)和豆浆牛奶,粥,明矾净水 4、自然地理:江河人海口处形成三角洲,其形成原理是海水中的电解质使江河泥 沙所形成胶体发生聚沉 5、工业生产:制有色玻璃(固溶胶),冶金工业利用电泳原理选矿,原油脱水等.在 金属、陶瓷、聚合物等材料中加入固态胶体粒子，不仅可以改进材料的耐冲击 强度、耐断裂强度、抗拉强度等机械性能，还可以改进材料的光学性质有色 玻璃就是由某些胶态金属氧化物分散于玻璃中制成的国防工业中有些火药、 炸药须制成胶体一些纳米材料的制备，冶金工业中的选矿，是有原油的脱水， 塑料、橡胶及合成纤维等的制造过程都会用到胶体 6、应用实例：（1）免疫胶体金医学中的应用：氯金酸(HAuCl4)在还原剂作用下，可聚合成一定大小的金颗粒，形成带负电的疏水胶溶液由于静电作用而成为稳定的胶体 状态，故称胶体金 胶体金标记，实质上是蛋白质等高分子被吸附到胶体金颗粒表面的包被过程。

吸附机理可能是胶体金颗粒表面负电荷，与蛋白质的正电荷基团因静电吸附而 形成牢固结合用还原法可以方便地从氯金酸制备各种不同粒径、也就是不同 颜的胶体金颗粒这种球形的粒子对蛋白质有很强的吸附功能，可以与葡萄球 菌 A 蛋白、免疫球蛋白、毒素、糖蛋白、酶、 、激素、牛血清多肽缀合物等非共 价结合，因而在基础研究和临床实验中成为非常有用的工具2）胶体电池的应用：胶体电池属 于铅酸蓄电池 的一种发展分类，最简单 的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态电液呈胶态的电池 通常称之为胶体电池胶体电池与常规铅酸电池的区别，从最初理解的电解 质胶凝，进一步发展至电解质基础结构的电化学特性研究，以及在板栅和活 性物质中的应用推广其最重要的特点为：用较小的工业代价，沿已有 150 年历史的铅酸电池工业路子制造出更优质的电池，其放电曲线平直，拐 点高，比能量特别是比功率要比常规铅酸电池大 20% 以上，寿命一般也比 常规铅酸电池长一倍左右，高温及低温特性要好得多图 1-1 胶体金 图 1-2 曲霉毒素 b1 胶体金胶体金检测试 纸 第四节第四节 胶体化学的展望胶体化学的展望 胶体化学是涉及国计民生各方面的科学，因而必将得到迅猛的发展。

可以预 见在应用研究和理论研究方面都将有新的突破 1、在工农业生产和人们日常生活领域不断开拓涉及胶体体系的新应用，改进 原有应用产品如超细材料的制备、性能的改进与应用的开发，在电子元器 件、医药等领域的应用，环境保护、减少污染等重大课题 2、应用现代物理、化学理论和现代科技手段推动胶体科学的发展 3、开展跨学科的研究，促进胶体科学的发展，将胶体科学的理论与方法结合 地学、生物学、土壤学、医学、环境科学等多种学科的理论和实际问题进行 研究，既丰富这些学科的内容，也促进胶体学科自身的发展第二章第二章 溶溶胶胶 溶胶是属于胶体化学范畴，习惯上，把分散介质为液体的胶体分散体系称为 液溶胶或溶胶（ sol）；介质为固体时，称为固溶胶 溶胶通常是指分散相 粒子很小（一般小于 100nm 也有人限定为 1um）的固液分散体系若粒子再大， 则为悬浮液了 第第一一节节 溶胶制备的原则和方法溶胶制备的原则和方法 ⒈欲制备较为稳定的溶胶必须具备下述基本条件： ① 固体分散相粒子要足够小（在胶体分散度的范围内） ，使其有一定的动力学 稳定新 ② 分散相在分散介质中的溶解度要足够小，形成分散相的反应物浓度低。

③ 为了使分散相粒子具有抗聚结而保持稳定的性质（聚结稳定性）,必须在体 系中有第三种物质存在，这些物质可以是外加，也可能是生成分散相粒子的反 应物本身或反应产物 ⒉ 制备溶胶的方法可分为两类：分散法和凝聚法，最后还要对制得的溶胶进行 纯化用各种方法（特别是用化学法）制备的溶胶中常含有低分子量化合物及 离子等杂质，这些杂质有事会影响溶胶的稳定性纯化的目的是提高溶胶的稳 定性，并非将一切电解质除去纯化方法主要有渗析法，超过滤法等 第二节第二节 胶体晶体胶体晶体 ⒈ 由一种或多种单分散胶体粒子组装并规整排列的二维或三维有序结构称为胶 体晶体由于天然蛋白石，有单分散二氧化硅球形粒子密堆积而成的胶体晶体， 故胶体晶体也称为合成蛋白石与普通晶体比较，胶体晶体中占据每个晶格点 是胶体粒子，而不是分子，离子或原子 胶体晶体是有胶体自理与空气介质周期性排列的有序结构，具有折射率周期性 变化的特点，符合光子晶体的结构要求图 1-3GEL 系列胶体阀控式密封铅酸蓄电池 图 1-4 胶体电池⒉ 制备胶体晶体的方法主要有给胶体粒子的简单自组装和模板法自组装两大类。

①单分散胶体粒子经简单自组装可以构成二维和三维胶体晶体简单自组装有 分为： 沉降法自组装、蒸发诱导自组装、狭缝过滤法自组装、外电场法自组装、静电 力法自组装 ②要得到复杂晶体结构常需用模板法胶体粒子自组装模板法胶体粒子自组装 分为硬模板法、软模板法图 2-1 模板法制备胶体晶体 ⒊ 胶体晶体的应用 ①光子晶体 光子在光子晶体中的行为与电子在半导体中的行为相似，即光子晶体在各方向 能阻止一定频率范围的光传播（称为“完全带隙” ） 由亚微米或微米级胶体粒 子组装的胶体晶体是具有特定光子带隙的光子晶体，将一定频率范围的光将因 受到强留的布拉格衍射而不能透过胶体晶体因此，某些胶体晶体可作为光开 关材料 ②传感器 胶体晶体因外界条件变化而晶格间距的变化也将引起颜色的变化，据此胶体晶 体可制成能反映外界环境变化的传感器图 2-2 胶体晶体传感器 ③制备有序打孔材料的模板功能 以胶体晶体为模板，在胶体粒子间隙中填充另一种材料，去除模板，可得与模 板结构相反的三维有序大孔材料首先用单分散胶体粒子组装成三维胶体晶体，再用各种手段（如溶胶—凝胶，电化学沉积，化学气相沉积，离心，浸渍，垂 直共沉积等）使在胶体晶体的间隙中填充某种待制备物质或其前驱体形成复合 体；最后用化学腐蚀（对无机物粒子构成的胶体晶体）或高温煅烧（对有机物 粒子构成的胶体晶体）等方法除去复合体中的胶体晶体模板（若应用前驱体时 需使其转化为最终产物） ，可得三维大孔材料。

④制备有序二维纳米结构模板功能 将单分散胶体粒子在固体基底上组织成六方堆积排列，可得二维胶体晶体在 二维胶体晶体中没三个相邻的粒子间的有三角形空隙，这些空隙也是二维有序 排列的以二维胶体晶体为模板，将其他物质以各种方法沉积于未被遮掩的基 底上，出去二维胶体晶体模板，可得到沉积物的二维纳米结构排列二维纳米 有序结构对于制造微米纳电子器件，光学器件，生物芯片和化学传感器有重要 意义 第第三三节节 硅溶胶硅溶胶硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分撒液由于硅溶胶中的 SiO2含有大量的水及羟基，故硅溶胶也可以表述为 SiO2.nH2O制备硅溶胶有不 同的途径，最常用的方法有离子交换法、硅粉一步水解法、硅烷水解法等1、硅溶胶的性质 硅溶胶具有优良的高温稳定性、粘结性、成膜性、凝胶性、吸附性、荷电性、 活性、大比表面积及无毒、无味、无嗅等性能， （1）由于胶体粒子微细(10 - 20nm)，有相当大的比表面积，粒子本身无色 透明，不影响被覆盖物的本色 （2）粘度较低，水能渗透的地方都能渗透，因此和其它物质混合时分散性和 渗透性都非常好 （3）当硅溶胶水份蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅 氧结合，是很好的粘合剂。

2、硅溶胶的应用 （1）耐火材料 硅溶胶为主要原料的硅酸盐耐火纤维，由于其卓越的节能性和抗高温性，被 作为优质保温绝热材料广泛应用于工业炉等热、工设备上用硅溶胶作粘合剂， 因其不会带入各种低熔点氧化物，可提高产品的使用性能，且使产品具有脱模 强度高，高温体积稳定，抗高温热震性能好等优点另外用硅溶胶处理的耐酸 性水泥或陶瓷，能阻止酸渗透和承受较高压力，可以用于制造能耐酸的化工设 备常规使用产品为钠型硅溶胶和铵型硅溶胶 （2）涂料 硅溶胶为主要成膜物，以苯丙乳液、醋酸乙烯树脂乳液等合成乳液为辅助成 膜物，外加颜料、填料、添加剂所配制成的复合外墙涂料，具有独特的耐水、 耐火、耐洗刷、耐污染、耐老化等性能，近年来已成为建筑涂料的佼佼者用 硅溶胶与耐火粉末混合配制的铸造涂料，在浇铸钢锭时，可较好的防止钢水熔 附和平板磨损硅溶胶还可用于多种防腐涂料的生产图 2-3 硅溶胶制造的涂料 （3）催化剂工业 硅溶胶具有大比表面积和活性，可被用作催化剂载体，如硅溶胶已成功用于 生产丙烯腈催化剂的载体该领域一般使用粒径大小及分布合理的高浓度硅溶 胶 （4）其他方面的应用 作地板蜡的防滑剂，附着在固体表面的二氧化硅粒子可增大摩擦系数，使地 板既有抗滑性又有保持光滑和色泽鲜明的性质。

用于硅晶片、集成电路、宝石 等的抛光，该领域使用大粒径硅溶胶硅溶胶具有高度的分散性，可用作电视 机显像管发光材料的粘结剂该领域一般使用电子级酸性硅溶胶食品行业， 硅溶胶由于。