无机材料制备实验溶胶凝胶法合成莫来石Word格式文档下载.docx
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(3)制备硅铝溶胶及莫来石粉末:
正硅酸乙酯(TEOS)、盐酸(0.1mol/L)、去离子水、无水乙醇、电子天平、恒温磁力搅拌机、磁子、烧杯、吸量管、量筒、温度计、恒温水浴、干燥箱、快速升温箱式炉、粘土坩埚、研钵、保鲜膜、铁架台、十字夹、万能夹
(4)硅铝溶胶粘度测量:
乌氏粘度计、精密温度计、秒表、恒温水浴、10ml移液管、止水夹、乳胶管、十字夹、烧瓶夹、50ml烧杯
(5)粒度测量:
激光粒度仪,蒸馏水
(6)红外光谱:
红外光谱分析仪
(7)差热-热重分析:
差热-热重联用仪
四、实验内容
1。
硝酸铝Al(NO3)3﹒9H2O的溶解
用电子天平称量30.0g结晶硝酸铝Al(NO3)3·
9H2O,放入200ml的小烧杯中,加入适量的去离子水,用磁力搅拌机不停搅拌,直至硝酸铝完全溶解.将硝酸铝溶液移入100ml的容量瓶中,得到浓度约为0。
8mol/L的硝酸铝溶液。
硝酸铝溶液中铝含量的测定
A.硫酸铜标液的配制及标定
配制:
移取实验室提供的0.1mol/L的硫酸铜溶液25mL配制250mL,则所得溶液的浓度约0.01mol/L。
标定:
(1)从滴定管放出20mL(准确读下体积)的EDTA标液置于锥形瓶中。
(2)加入pH=4.2HAc—NaAc缓冲液15mL,加入5~6滴2g/L的PAN指示剂。
(3)以代标的硫酸铜溶液滴定至溶液的颜色为紫红色为终点,准确记下消耗的硫酸铜标液体积。
(4)计算硫酸铜溶液的浓度。
B。
铝含量的测定
取配制的约为0。
8mol/L的硝酸铝溶液2。
50ml配制成250ml,则所得溶液的浓度约为0。
008mol/L。
(1)移取经过稀释浓度约为0。
008mol/L硝酸铝溶液50ml置于250ml锥形瓶中。
(2)加入一定量的EDTA(0.01)标液50mL,加热至70℃左右。
(3)加入15mLpH=4.2HAc—NaAc缓冲液,煮沸2分钟,取下冷却至约80℃。
(4)补加上述缓冲液10mL,加PAN指示剂5~6滴(此时溶液颜色为黄色).
(5)用0.01mol/L硫酸铜标液返滴定至溶液呈紫红色为终点,记录硫酸铜用量。
(6)计算硝酸铝溶液的浓度(经过稀释的与原先配制的).
3.正硅酸乙酯(TEOS)的预水解
溶胶配比对溶胶—凝胶过程的影响非常重要,当TEOS:
EtOH:
H2O=1:
2:
4时制得清亮稳定溶胶的粘度较低,表明形成胶粒较小,容易凝胶成粉末状,有利于超细粉末的形成。
在100ml的小烧杯中,盛入40ml去离子水与20ml无水乙醇,得到溶液A,移液管移取10。
00ml正硅酸乙酯放入小烧杯中,然后用滴管吸取正硅酸乙酯滴至溶液A中,滴定速度50-60d/min,同时用磁力搅拌机不停的搅拌,得到正硅酸乙酯(TEOS)的预水解溶液。
4。
硅铝溶胶(酸催化剂)的制备
移取上述配置的浓度约为0。
8mol/L(根据上述滴定计算得到精确值、体积为75ml的硝酸铝溶液转移到烧杯中,同时往硝酸铝溶液加入1ml浓度为0.05mol/LHCl.量取相应体积的正硅酸乙酯(TEOS)的预水解溶液(根据莫来石的组成3Al2O3·
2SiO2);
然后以50—60d/min的速度滴入预先水解的TEOS溶液,边滴边搅拌,同时在50℃-70℃(分组),滴完以后继续搅拌1h,得到硅铝溶胶,烧杯口上用保鲜膜包上,然后放在50℃-70℃(分组)水浴中。
5。
硅铝溶胶粘度的测量
(1)硅铝溶胶流出时间t1的测定
溶胶经过50℃-70℃经2h水解聚合后,开启恒温水浴。
并将粘度计垂直安装在恒温水浴中(G球下部位均浸在水中),用移液管吸10ml硅铝溶胶,从A管注入粘度计F球内,在C管和B管干燥清洁橡皮管,并用夹子夹住C管上的橡皮管下端,使其不通大气.在B管的橡皮管口用吸耳球将水从F球经D球、毛细管、E球抽至G球中部,取下吸耳球,同时松开C管夹子,使其通大气。
此时溶液顺毛细管里路下,当液面流经a线处时,立刻按下秒表开始计时,至b处则停止记时。
记下液体流经a、b之间所需要的时间。
重复测定三次,偏差小于0。
2S,取其平均值,即为t1值。
(2)毛细管粘度计常数C的确定:
用移液管吸取已经预先恒温好的(25℃)蒸馏水10ml,其粘度为动力粘度(η),注入粘度计内,同
(1)法,安装粘度计,测定流出时间。
重复测定三次,偏差小于0。
2s,取其平均值,即为t0值。
得到毛细管粘度计常数:
C=η/t0
其中C—粘度计常数,MPa;
η-蒸馏水的粘度,MPa·
s;
t0-时间,s.
(3)自己查阅50℃,60℃,70℃,80℃(物理化学实验书)时蒸馏水的粘度η0,根据测定的t0与t1,计算
t1时候溶胶粘度η1
η0(50℃)=0。
5468×
10-6Mpa·
sη0(60℃)=0.4665×
10—6Mpa·
s
η0(70℃)=0.4042×
sη0(80℃)=0.3547×
取制备的硅铝溶胶放入100℃左右干燥箱保温24小时,得到硅铝凝胶。
7。
莫来石粉末的烧结
把硅铝凝胶粉末转移至粘土坩锅中,并置于快速升温箱式炉中,经过1250℃热处理温度,再保温2小时,设置升温速率为10℃/min。
8。
硅铝凝胶的DSC-TGA分析
图1硅铝凝胶的DSC—TGA图
干凝胶的DSC-TGA如图1所示,由TGA图可知,在400℃以前失重很快,在400℃以后,试样质量基本不发生变化,这说明在400℃以前湿凝胶已完成脱水、有机质分解挥发等过程,整个煅烧过程试样失重大约在50%左右。
干凝胶的DSC在164、250℃有吸热峰,这主要是脱去残留在网络间隙中的吸附水、结构水、有机质乙醇及产生NO2所致;
在998℃和1158℃处有放热峰,998℃的放热峰被认为是析出硅铝尖晶石晶相时产生的热效应,而1158℃的放热峰被认为是析出莫来石时产生的热效应。
9.莫来石粉末的物相组成分析
图2莫来石粉末的红外光谱图
经过1250℃热处理的莫来石粉末经过研磨,用红外光谱进行物相分析。
图2为所制得的莫来石粉末的红外光谱图。
从图中可以看到,谱图中有多个吸收峰,其中560cm—1吸收带是由Al6-O振动所致,740cm—1和830cm-1吸收带是由Al4-O振动所致,Al6和Al4代表6配位和4配位的铝离子。
Si-O吸收带位于450、900和1000~1200cm-1.
10。
硅铝凝胶的粒度分析
用激光粒度仪对制备的莫来石粉末进行粒度测试.
图3莫来石粉末的粒径分布图
图3为所制备的莫来石粉末的粒径分布图。
从图中可以看到,所制备的莫来石粉末呈正态分布,粒径分布较宽,分布在0。
7—27μm之间,但大部分分布在1—10μm之间,具有较好的分布形态。
题目无机材料(大)实验
院(系)医药化工学院
班级09高分子材料与工程2班
学号0932240058
姓名李晓明
指导教师闫瑞强陈桂华黄薇雅
姓名:
李晓明学院:
医药化工学院专业:
高分子材料与工程指导教师:
闫瑞强陈桂华黄薇雅
摘要:
莫来石具有优异的高温强度、电绝缘性和化学稳定性,高的抗蠕变性和抗热震稳定性,低的热传导率和热膨胀系数及高温环境中优良的红外透过性等。
莫来石陶瓷作为一种高温结构材料受到越来越多的重视,此外,它在光学、电子等方面的应用,也引起人们的极大兴趣.溶胶凝胶法制备超细粉,是在液相中进行的,混合比较均匀,初始原料在液相中水解成水解产物的各种聚合体,各种聚合体进一步转化为凝胶。
关键词:
了解溶胶—凝胶法制备莫来石粉末的过程与原理;
3.掌握溶胶粘度的测定方法;
掌握用激光粒度仪测试无机粉末粒度;
掌握利用差热—热重联用仪研究样品在温度变化过程中所发生的物理化学变化。
1前言
莫来石具有优异的高温强度、电绝缘性和化学稳定性,高的抗蠕变性和抗热震稳定性,低的热传导率和热膨胀系数及高温环境中优良的红外透过性等.莫来石陶瓷作为一种高温结构材料也受到越来越多的重视,此外,莫来石陶瓷在光学、电子等方面的应用,也引起人们的极大兴趣。
莫来石有天然产物,但其含量和纯度均不能满足工业需要,为了获得高纯超细的莫来石原料,人们研究了一些特殊的合成工艺。
如水解沉淀法,溶胶-凝胶法,成核生长法,喷雾热分解法,Al2O3和SiO2超细粉末直接合成等。
溶胶凝胶法制备超细粉,是在液相中进行的,混合比较均匀,初始原料在液相中水解成水解产物的各种聚合体,各种聚合体进一步转化为凝胶。
因凝胶比表面积很大,表面能高,与利用粉体之间固相反应的传统工艺相比,凝胶颗粒自身烧结温度低,其工艺上的优势对陶瓷粉体的工业生长具有重要的意义。
粉料制备过程中无需机械混合,化学成分较均匀。
由于转化温度低,可得超细粉末.
2实验部分
1主要仪器及试剂
2.1。
1主要仪器
仪器:
电子天平、恒温磁力搅拌机、容量瓶、电炉、量筒、酸式滴定管、铁架台、吸量管、细口试剂瓶、蝴蝶夹、干燥箱、快速升温箱式炉、粘土坩埚、研钵、保鲜膜、秒表、移液管、烧瓶夹、烧杯、激光粒度仪、红外光谱分析仪、差热-热重联用仪
2主要试剂
试剂:
硝酸铝、去离子水、PAN指示剂(0.2gPAN溶于100ml乙醇中)、pH=4。
2的HAc-NaAc缓冲溶液、0.1mol/L硫酸铜溶液、0。
1mol/L硫酸铜溶液、0.01mol/L的EDTA标液、正硅酸乙酯(TEOS)、盐酸(0。
1mol/L)、无水乙醇、蒸馏水
2实验原理
在正硅酸乙酯(TEOS)加入水,TEOS开始水解反应,H+取代了TEOS中的烷基(-C2H5),随着水解的进行,发生聚合,小分子不断聚集成大分子,反应在宏观上就是粘度不断增大。
由于溶胶中存在大量Al3+,且Al3+有一定夺氧能力,当溶胶聚合,逐渐形成三维网络时,大部分Al3+进入Si—O网络中,一部分Al3+参与结构,形成复杂的—Si—O-Al—O三维无轨网络.其水解缩聚机理如下:
为加快凝胶化的速度,加入酸或碱作为催化剂,形成复杂的-Si—O—Al—O三维无轨网络凝胶经过干燥与烧结过程,得到莫来石粉末。
2.3样品制备
2.3.1硝酸铝的溶解
用电子天平称量30。
0g结晶硝酸铝Al(NO3)3·
9H2O,放入200ml的小烧杯中,加入适量的去离子水,用磁力搅拌机不停搅拌,直至硝酸铝完全溶解.将硝酸铝溶液移入100ml的容量瓶中,得到浓度约为0.8mol/L的硝酸铝溶液。
3.2硝酸铝溶液中铝含量的测定
A。
硫酸铜标液的配制及标定
配制:
移取实验室提供的0。
1mol/L的硫酸铜溶液25mL配制250mL,则所得溶液的浓度约0.01mol/L。
(2)加入pH=4。
2HAc—NaAc缓冲液15mL,加入5~6滴2g/L的PAN指示剂。
(3)以代标的硫酸铜溶液滴定至溶液的颜色为紫红色为终点,准确记下消耗的硫酸铜标液体积。
B.铝含量的测定
(1)移取经过稀释浓度约为0.008mol/L硝酸铝溶液50ml置于250ml锥形瓶中.
(2)加入一定量的EDTA(0。
01)标液50mL,加热至70℃左右。
(3)加入15mLpH=4。
2HAc-NaAc缓冲液,煮沸2分钟,取下冷却至约80℃。
(4)10mL,加PAN指示剂5~6滴(此时溶液颜色为黄色)。
(5)用0。
01mol/L硫酸铜标液返滴定至溶液呈紫红色为终点,记录硫酸铜用量。
(6)计算硝酸铝溶液的浓度(经过稀释的与原先配制的)。
3.3正硅酸乙酯的预水解
溶胶配比对溶胶-凝胶过程的影响非常重要,当TEOS:
2:
4时制得清亮稳定溶胶的粘度较低,表明形成胶粒较小,容易凝胶成粉末状,有利于超细粉末的形成。
在100ml的小烧杯中,盛入40ml去离子水与20ml无水乙醇,得到溶液A,移液管移取10.00ml正硅酸乙酯放入小烧杯中,然后用滴管吸取正硅酸乙酯滴至溶液A中,滴定速度50—60d/min,同时用磁力搅拌机不停的搅拌,得到正硅酸乙酯(TEOS)的预水解溶液。
3.4硅铝溶胶的制备
8mol/L(根据上述滴定计算得到精确值、体积为75ml的硝酸铝溶液转移到烧杯中,同时往硝酸铝溶液加入1ml浓度为0.05mol/LHCl。
量取相应体积的正硅酸乙酯(TEOS)的预水解溶液(根据莫来石的组成3Al2O3·
然后以50-60d/min的速度滴入预先水解的TEOS溶液,边滴边搅拌,同时在50℃—70℃(分组),滴完以后继续搅拌1h,得到硅铝溶胶,烧杯口上用保鲜膜包上,然后放在50℃-70℃(分组)水浴中。
5硅铝溶胶粘度的测量
溶胶经过50℃-70℃经2h水解聚合后,开启恒温水浴。
并将粘度计垂直安装在恒温水浴中(G球下部位均浸在水中),用移液管吸10ml硅铝溶胶,从A管注入粘度计F球内,在C管和B管干燥清洁橡皮管,并用夹子夹住C管上的橡皮管下端,使其不通大气.在B管的橡皮管口用吸耳球将水从F球经D球、毛细管、E球抽至G球中部,取下吸耳球,同时松开C管夹子,使其通大气。
此时溶液顺毛细管里路下,当液面流经a线处时,立刻按下秒表开始计时,至b处则停止记时.记下液体流经a、b之间所需要的时间。
2S,取其平均值,即为t1值。
用移液管吸取已经预先恒温好的(25℃)蒸馏水10ml,其粘度为动力粘度(η),注入粘度计内,同
(1)法,安装粘度计,测定流出时间.重复测定三次,偏差小于0。
2s,取其平均值,即为t0值.得到毛细管粘度计常数:
其中C—粘度计常数,MPa;
η-蒸馏水的粘度,MPa·
s;
t0-时间,s。
(3)自己查阅50℃,60℃,70℃,80℃(物理化学实验书)时蒸馏水的粘度η0,根据测定的t0与t1,计算
η0(50℃)=0.5468×
2.3。
6硅铝凝胶制备
取制备的硅铝溶胶放入100℃左右干燥箱保温24小时,得到硅铝凝胶。
2.3.7莫来石粉末的烧结
把硅铝凝胶粉末转移至粘土坩锅中,并置于快速升温箱式炉中,经过1250℃热处理温度,再保温2小时,设置升温速率为10℃/min。
4样品表征
1硅铝凝胶的DSC-TGA分析
干凝胶的DSC-TGA如图1所示,由TGA图可知,在400℃以前失重很快,在400℃以后,试样质量基本不发生变化,这说明在400℃以前湿凝胶已完成脱水、有机质分解挥发等过程,整个煅烧过程试样失重大约在50%左右.干凝胶的DSC在164、250℃有吸热峰,这主要是脱去残留在网络间隙中的吸附水、结构水、有机质乙醇及产生NO2所致;
在998℃和1158℃处有放热峰,998℃的放热峰被认为是析出硅铝尖晶石晶相时产生的热效应,而1158℃的放热峰被认为是析出莫来石时产生的热效应。
4.2莫来石粉末的物相组成分析
从图中可以看到,谱图中有多个吸收峰,其中510cm—1吸收带是由Al6-O振动所致,680cm-1和750cm-1吸收带是由Al4-O振动所致,Al6和Al4代表6配位和4配位的铝离子。
Si-O吸收带位于450、900和1000~1200cm-1。
2.4.3莫来石粉末的粒度测试
用激光粒度仪对制备的莫来石粉末进行粒度测试。
图3为所制备的莫来石粉末的粒径分布图.从图中可以看到,所制备的莫来石粉末呈正态分布,粒径分布较宽,分布在1.8—114。
8μm之间,但大部分分布在5。
3-104.9μm之间,具有较好的分布形态。
3结果分析
1硝酸铝溶液中铝含量的测定
1
2
3
Vcuso4初
0。
01ml
0.02ml
0.01ml
Vcuso4终
26.10ml
26.12ml
26。
08ml
bVcuso4净
09ml
26。
10ml
07ml
V平均=(26。
09ml+26。
10ml+26.07ml)/3=26.09ml
CCUSO4稀释=0。
009868mol/l*25ml*10^—3/26。
09ml*10^—3=0.009456mol/l
CCUSO4原来=0。
009456mol/l*10=0.09456mol/l
由计算得平均偏差为0。
00087
0。
00ml
02ml
12.88ml
12.86ml
12。
84ml
85ml
82ml
V平均=(12。
88ml+12。
85ml+12.82ml)/3=12。
85ml
CAL(NO3)3稀释=(0.05*CEDTA-CCUSO4*V平均)/0.05=(0。
05*0。
009868mol/l-0.009456mol/l*12。
85ml*10^—3)/0.05=0.007438mol/l
CAL(NO3)3原来=0。
007438mol/l*100=0.7438mol/l
由计算得平均偏差为0.00092
3.2正硅酸乙酯(TEOS)的预水解
nAL=0。
075*CAL(NO3)3原来=0。
075l*0.7438mol/l=0.05579mol
nSi=1/3nAL=0.01859mol
nSi=nTEOS
VTEOS=nTEOS*MTEOS/PTEOS=0。
01859mol*208。
33/0.932=4。
16ml
VETOH=8.32ml
VH2O=16.64ml
3硅铝溶胶粘度的测量
注:
数据均在70℃下测得
T1=99.15s
T2=99。
22s
T3=93。
08s
T平均=99.15s
T1=56。
28s
T2=56。
30s
T3=56。
25s
T0平均=56。
C=η/T0平均=0。
4042×
s/56。
28s=0。
007182*10^-6Mpa
η=C*T平均=0。
007182*10^—6Mpa*99。
15s=0。
7121*10^—6Mpa·
s
4结论(四号)
这次做完无机大实验,自己感觉收益很多!
主要是因为通过这次做实验,我认识到了自己以前做实验中的不足。
由于以前对做实验认识不足,随便自己怎么做,感觉只要完成老师布置的任务就可以了,对于实验中老师的讲解和注意的细节没有多大的重视,好多仪器不知道名字也不知道正确的使用方法。
这次实验中,自己的不足全都展现了出来。
以后自己对待实验要同样认真,不管是书上写的,还是老师讲的都要理解,之后认真完成实验!
不断提高自己,争取做的更好!