材料合成化学实验.pptx

材料合成化学实验材料合成化学实验材料科学与工程学院本课程的目的、要求w熟练掌握材料合成化学实验的一般操作技能。w学会几类材料的制备、分离、纯化的方法。w培养实事求是的科学态度，良好的实验素养和分析问题、解决问题的独立工作能力。w通过这门课程的学习，应在材料合成实验技术方面变得训练有素，为今后做毕业论文或相关工作打下良好的基础。实验实验1 有机玻璃的合成有机玻璃的合成甲基丙烯酯甲酯的本体聚合目的与要求目的与要求 1.了解本体聚合的特点，掌握本体聚合的实施方法。2.熟悉有机玻璃的制备方法及工艺。实验原理w本体聚合是不加其它介质，只有单体本身在引发剂或光、热等作用下进行的聚合。w本实验是以甲基丙烯酯甲酯（MMA）进行本体聚合，生产有机玻璃棒。MMA在过氧化苯甲酰（BPO）引发剂存在下进行如下聚合反应：w用MMA 进行本体聚合时，为了解决散热、避免自动加速作用而引起的爆聚现象，以及单体转化为聚合物时由于比重不同而引起的体积收缩等问题，工业上或实验室目前多采用预聚浇铸聚合的方法。实验仪器和试剂实验仪器和试剂实验仪器实验仪器 四口瓶，电动搅拌器，温度计，球形冷凝管，恒温水浴，试管等。试剂试剂甲基丙烯酸甲酯(MMA)，过氧化二苯甲酰(BPO)实验步骤w1.预聚合反应预聚合反应w在装有搅拌器、冷凝管、温度计的250ml的四口瓶中加入溶有0.5g BPO的MMA 50ml，开动搅拌并升温至升温至7580，反应2030分钟，观察粘度变化。当物料呈蜜糖状时，用冷水浴骤然降温至40以下停止搅拌，将四口瓶中预聚物灌入已备好的试管中。w2.聚合反应聚合反应w将上述试管放入水浴中，升温至60，保温12h,待试管中基本无气泡产生，且聚合物基本变硬时，升温至100，保温1小时后，任其自然冷却到40以下，去除玻璃试管，即可得到光滑无色透明的有机玻璃棒。实验实验2 水质稳定剂的合成水质稳定剂的合成 低分子量聚丙低分子量聚丙 烯酸烯酸(钠钠)的的合成合成 目的与要求目的与要求n掌握低分子量聚丙烯酸（钠盐）的合成方法。n用端基滴定法测定聚丙烯酸的分子量。实验原理实验原理w聚丙烯酸是水质稳定剂的主要原料之一。w丙烯酸单体极易聚合，可以通过本体、溶液、乳液和悬浮等聚合方法得到聚丙烯酸，它符合一般的自由基聚合规律。w本实验用控制引发剂用量和应用调聚剂异丙醇，合成低分子量的聚丙烯酸，并用端基滴定法测定其分子量。实验仪器和试剂实验仪器和试剂实验仪器实验仪器n四口瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，恒温水四口瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，恒温水浴，温度计，滴液漏斗，浴，温度计，滴液漏斗，pH计计 试剂试剂 n丙烯酸，过硫酸铵，异丙醇，氢氧化钠标准丙烯酸，过硫酸铵，异丙醇，氢氧化钠标准溶液溶液 实验步骤实验步骤w1.在装有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗和温度计的250mL四颈瓶中，加入 100mL蒸馏水和1 g 过硫酸铵。待过硫酸铵溶解后，加入5g丙烯酸单体和8 g异丙醇。开动搅拌器，加热使反应瓶内温度达到 6570。w2.将40g丙烯酸单体和2 g过硫酸铵在40 mL水中溶解，由滴液漏斗渐渐滴入瓶内，由于聚合过程中放热，瓶内温度有所升高，反应液逐渐回流。滴完丙烯酸和过硫酸铵溶液约0.5 h。w3.在94继续回流1h，反应即可完成。聚丙烯酸相对分子质量约在5004000之间。w4.如要得到聚丙烯酸钠盐，在已制成的聚丙烯酸水溶液中，加入浓氢氧化钠溶液(浓度为30%)边搅拌边进行中和，使溶液的 pH值达到 1012范围内即停止，即制得聚丙烯酸钠盐。实验实验3 白乳胶的合成白乳胶的合成 w醋酸乙烯的乳液聚合目的和要求n1.熟悉乳液聚合的特点，了解乳液聚合中各组分的作用。n2.掌握制备聚醋酸乙烯胶乳的方法。实验原理w乳液聚合是指单体在乳化剂的作用下，分散在介质中加入水溶性引发剂，在机械搅拌或振荡情况下进行非均相聚合的反应过程。乳液聚合体系主要包括单体、分散介质(水)、乳化剂、引发剂。乳液聚合的机理不同于一般的自由基聚合，可以同时提高聚合速度和分子量。而在本体、溶液和悬浮聚合中，使聚合速率提高的一些因素，往往使分子量降低。w醋酸乙烯乳液聚合产物聚醋酸乙烯胶乳，可用于漆、涂料和胶粘剂。该胶乳做为漆具有水基漆的特点:粘度小，不用有机溶剂；做为涂料，对于纸张、织物、地板及墙壁等均可涂用；做为胶粘剂，无论木材、纸张及织物，凡是多孔性表面均可使用。w醋酸乙烯酯（VAc）的乳液聚合采用水溶性的过硫酸盐为引发剂，为使反应平稳进行，单体和引发剂均需分批加入。本实验采用PVA和OP-10两种乳化剂混合使用，乳化效果和稳定性比单独使用一种好。实验仪器和试剂实验仪器和试剂实验仪器实验仪器w四口瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，温度四口瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，温度计，恒温水浴计，恒温水浴 试剂试剂w醋酸乙烯酯，过硫酸铵，聚乙烯醇，醋酸乙烯酯，过硫酸铵，聚乙烯醇，OP-10，去离子水，去离子水实验步骤实验步骤w1.在装有搅拌器、球型冷凝管和温度计的250 mL四口瓶中，加入聚乙烯醇水溶液（10%wt）60 mL，去离子水30mL、OP-10 1g，搅拌均匀后加入醋酸乙烯 10g，用水浴加热至6570。w2.称取0.3g过硫酸铵，用10mLH2O配成溶液，加5 mL于反应瓶中，控温6570，反应一段时间（出现蓝色荧光，温度慢慢升至70）后，在701下滴加50g 醋酸乙烯，约22.5h滴加完毕，滴加单体过程中补加剩余引发剂溶液。w3.单体滴加完毕后，缓慢升温至80以上，如在7072保温10分钟，缓慢升温到75，保持10分钟，再缓慢升温至78，保持10分钟，再缓慢升温至80，保持10分钟。实验步骤实验步骤w4.撒掉水浴，自然冷却到40，用NaHCO3水溶液调节pH=46，加入3 g邻苯二甲酸二丁酯，充分混合后停止搅拌，出料，即得到白色粘稠的、均匀而无明显粒子的聚醋酸乙烯胶乳(即市售的白乳胶)。w5.测固含量：取2克乳液（精确到0.002克）置于烘至恒重的玻璃表皿上，放于105烘箱中烘至恒重计算含固量（约4小时）。实验实验4低温燃烧合成超细粉体低温燃烧合成超细粉体目的和要求目的和要求1、了解低温燃烧合成(LCS)超细粉体的原理及方法 2、熟悉溶胶凝胶(sol-gel)的制备过程 实验原理 LCS技术技术基于氧化基于氧化-还原反应原理，其中硝酸盐还原反应原理，其中硝酸盐(硝酸根离子硝酸根离子)为氧化剂；同时，溶液中有机燃料为氧化剂；同时，溶液中有机燃料还充当了络合剂的作用，有效地保证了各相组还充当了络合剂的作用，有效地保证了各相组元发生外爆炸式的氧化还原热反应，产生的大元发生外爆炸式的氧化还原热反应，产生的大量热量促使产物以晶相形成，产生的大量气体量热量促使产物以晶相形成，产生的大量气体使得产物存在大量的气孔，最终有利于高洁性使得产物存在大量的气孔，最终有利于高洁性纳米粉体的形成。纳米粉体的形成。溶胶溶胶-凝胶（凝胶（sol-gel法）合成工艺法）合成工艺 w第一步为溶胶的制备w第二步为凝胶化w第三步为凝胶的干燥成功合成稳定的凝胶的关键是要减慢水或水-氢氧络物的水解率，制备出稳定的前驱体液。药品及仪器药品及仪器 w实验药品：w柠檬酸,C6H8O7H2O；硝酸锰溶液(50%),Mn(NO3)2；硝酸锶,Sr(NO3)2；去离子水,H2O；硝酸镧,La(NO3)3w实验仪器：w烧杯若干；量筒若干；分析天平；滴管；磁力搅拌器；蒸发皿；烘箱；马弗炉LSMO粉末的制备工艺流程图粉末的制备工艺流程图 配料计算制备混合溶液溶胶的制备凝胶的制备凝胶粉的热处理（低温自燃烧）实验步骤实验步骤w（1）配料计算）配料计算w（2）制备混合溶液）制备混合溶液w a.溶解溶解 w b.混合混合w（3）溶胶的制备）溶胶的制备w a.柠檬酸的加入柠檬酸的加入w b.溶胶的制备溶胶的制备w（4）凝胶的制备）凝胶的制备w（5）凝胶粉的热处理）凝胶粉的热处理思考题思考题 n1、溶胶-凝胶粉末的细度、均匀性受什么因素的影响？n2、溶胶-凝胶法的优缺点是什么？实验实验5 陶瓷材料的高温合成陶瓷材料的高温合成 目的和要求目的和要求1、掌握陶瓷材料的制备方法2、了解陶瓷材料的制备工艺和合成原理 实验原理实验原理w陶瓷的配方设计原理：w（1）骨料：骨料为多孔陶瓷的主要原料，在整个配方中占的70%80%的重量，在坯体中起到骨架的作用，一般选择强度高、弹性模量大的材料。w（2）粘结剂：一般选用瓷釉、粘土、高岭土、水玻璃、磷酸铝、石蜡、PVA、CMC等其主要作用是使骨料粘结在一起，以便于成形。实验原理实验原理w高温合成原理：w高温烧成实质是高温固相反应w使用不同的制备方法和制备工艺，就会有不同的烧成制度 药品及仪器药品及仪器 w1.实验药品：骨料（氧化铝，氧化硅，粘土）、粘结剂（CMC、MgO）w2.实验仪器：托盘天平、拈钵、捣打磨具、木槌、高温炉实验步骤实验步骤w1.配料：w用托盘天平按下表的百分比称取总重50克的原料。氧化铝60MgO8CMC15粘土17水1015实验步骤实验步骤w2.制备：w将称好的原料依次放入陶瓷研钵中，搅拌均匀后，取一定量放入模具中挤压并用木槌轻打模具上盖，然后去掉模具，将制好的毛坯取出。实验步骤实验步骤w3.烧成：w将毛坯在烘箱中在100下预处理30分钟，然后在放入高温炉中，按下表的升温制度进行烧结，即可获得陶瓷块体材料。温度区间（）室温7007001100120013001300升温速率（/h）100300200300100保温1小时思考题思考题 n1、陶瓷的成型方法有那些，各有什么用途？n2、烧成制度的制定原则是什么？实验实验6 6 一种涂料基料的合成一种涂料基料的合成核核/壳结构苯乙烯丙烯酸正丁壳结构苯乙烯丙烯酸正丁酯复合乳液的制备酯复合乳液的制备目的和要求n了解复合乳液聚合的特点；n 掌握制备核/壳结构复合聚合物乳液的方法 实验原理实验原理w合成复合聚合物乳液的方法实际上是种子乳液聚合(或称多阶段乳液聚合)，即首先通过一般乳液聚合制备第一单体的聚合物乳液做为种子乳液(核聚合)，然后在种子乳液存在下，加入第二单体(或几种单体的混合物)继续聚合(壳聚合)，这样就形成了以第一单体的聚合物为核，第二单体的聚合物为壳的核/壳结构的复合聚合物乳液，复合乳液聚合与种子乳液聚合的差别在于前者是采用不同种单体，而后者采用同种单体。w如果以苯乙烯(St)为主单体，同时加入少量的丙烯酸(AA)单体进行核聚合，而以丙烯酸正丁酯(n-BA)为单体，同时加入少量的丙烯酸(AA)单体进行壳聚合，即得到以聚苯乙烯(PS)为核、聚丙烯酸正丁酯(PBA)为壳的核/壳结构的复合聚合物乳液。实验仪器和试剂实验仪器和试剂实验仪器和实验仪器和w四口瓶，回流冷凝管，滴液漏斗，温度计，电四口瓶，回流冷凝管，滴液漏斗，温度计，电动搅拌器，移液管，恒温水浴动搅拌器，移液管，恒温水浴试剂试剂w苯乙烯，碳酸氢钠，丙烯酸正丁酯，邻苯二甲苯乙烯，碳酸氢钠，丙烯酸正丁酯，邻苯二甲酸二丁酯，丙烯酸，壬基酚聚氧乙烯基醚酸二丁酯，丙烯酸，壬基酚聚氧乙烯基醚(OP-10)，过硫酸钾，十二烷基硫酸钠，过硫酸钾，十二烷基硫酸钠(SDS)实验步骤实验步骤w1.单体预乳化w在装有搅拌器、回流冷凝管和温度计的250 mL四口瓶中加入去离子水 45 mL，乳化剂十二烷基硫酸钠(SDS)0.2g、壬基酚聚氧乙烯基醚(OP-10)1.0g。水浴加热至5060，搅拌，当乳化剂完全溶解后加入核单体(20 mL苯乙烯和1 mL丙烯酸)，使单体乳化3040 min。倾倒出已预乳化的核单体备用。w在上述装置中加入去离子水15 mL，乳化剂十二烷基硫酸钠(SDS)0.1 g、壬基酚聚氧乙烯基醚(OP-10)0.2g。水浴加热至5060，搅拌，当乳化剂完全溶解后加入壳单体(6.5mL 丙烯酸正丁酯和 0.5mL 丙烯酸)，使单体乳化 3040 min。倾倒出已预乳化的壳单体备用。实验步骤实验步骤w2.种子乳液聚合(核聚合)w在上述装置中加入引发剂溶液 8 mL(称取0.4g过硫酸钾溶于20 mL去离子水中，配制成2.0%的引发剂溶液，供两组使用)，将已乳化的核单体倒入滴液漏斗中。将体系加热至80，并保持此温度，在搅拌下以半连续状态滴加已乳化的核单体。当体系中出现兰色荧光时开始计时，1h 后即可停止反应，此时得到的白色乳状液即种子乳液。w3.复合乳液聚合(壳聚合)w在上述种子乳液中补加引发剂溶液2 mL，将已预乳化的壳单体倒入滴液漏斗中。以半连续状态滴加已乳化的壳单体，并控制反应温度80，当壳单体滴加完后升温至90，保温，再反应 1h聚合完毕。加入10%的碳酸氢钠溶液，调节体系的pH值为78，再加入2mL增塑剂邻苯二甲酸二丁酯，再搅拌15 min，降温至40以下出料，即得以PS为核PBA为壳的核/壳结构复合乳液。实验实验7 7 环氧树脂交联剂的合成环氧树脂交联剂的合成w低分子量双酚低分子量双酚A A型环氧树脂的制备型环氧树脂的制备目的和要求目的和要求n通过双酚A型环氧树脂的制备，掌握一般缩聚反应的原理n 熟悉低分子量环氧树脂的制备方法，了解环氧树脂的用途n 熟悉环氧值的测定方法实验原理实验原理w 双酚A型环氧树脂是是由双酚A和环氧氯丙烷在氢氧化钠存在下反应生成的。其反应式如下：实验仪器和试剂实验仪器和试剂w 实验仪器实验仪器w四口瓶，滴液漏斗，分液漏斗，电动搅拌四口瓶，滴液漏斗，分液漏斗，电动搅拌器，温度计，减压蒸馏装置，恒温水浴器，温度计，减压蒸馏装置，恒温水浴w试剂试剂w环氧氯丙烷，双酚环氧氯丙烷，双酚A，氢氧化钠，苯，去，氢氧化钠，苯，去离子水离子水 实验步骤实验步骤 将22 g双酚A（0.1mol）和28 g环氧氯丙烷(0.3mol)依次加入装有搅拌器、滴液漏斗和温度计的250 mL四颈瓶中。用水浴加热，升温至75，搅拌双酚A使其完全溶解。70下滴加40 mL，20%的NaOH溶液，约0.5 h滴加完毕。在7580 继续反应1.52 h，此时溶液呈乳黄色，停止加热，降温。加入苯60 mL，搅拌，使树脂溶解后移入分液漏斗，静置后分去水层，再用水洗数次，直到洗涤水相呈中性及无氯离子（用pH纸及AgNO3溶液检查），分出有机层。将上层苯溶液倒入减压蒸馏装置中，先在常压下蒸去苯，然后在减压下蒸馏以除去所有挥发物。趁热将烧瓶中的树脂倒出，冷却后得琥珀色透明的、粘稠的环氧树脂，称重并计算产率。实验实验8 8 复合层压板的制备复合层压板的制备w三聚氰胺三聚氰胺甲醛树脂的合成甲醛树脂的合成w 及层压板的制备及层压板的制备目的和要求目的和要求w了解三聚氰胺甲醛树脂的合成方法w了解层压板的加工工艺实验原理实验原理w三聚氰胺甲醛树脂的缩合反应及其结构非常复杂，它受到配料比、反应液的PH值以及反应温度等各种因素的影响。根据要求可控制缩聚反应进行的程度，在碱性介质中，先生成可溶性的“预缩合物”，这些缩合物以三聚氰胺的三羟甲基化合物，在PH值为89时特别稳定。进一步缩合(N羟甲基和NH基的失水)成为微溶并最后变成不溶的交联产物。实验仪器和试剂实验仪器和试剂 实验仪器实验仪器 四口瓶，电动搅拌器，温度计，恒温水四口瓶，电动搅拌器，温度计，恒温水浴，油压机浴，油压机 试剂试剂 三聚氰胺，乌洛托品（六次甲基四胺），三聚氰胺，乌洛托品（六次甲基四胺），甲醛水溶液，三乙醇胺甲醛水溶液，三乙醇胺实验步骤实验步骤w1.合成树脂w 取101.4g甲醛水溶液（37%），0.25g乌洛托品（用于调pH值）于250mL四颈瓶中，搅拌，溶解，加入63g三聚氰胺，搅拌5min后加热到80，在7580（最好在75，一定要低于80）反应约1h后，测定沉淀比，沉淀比为2:2时，加入0.3g三乙醇胺，搅拌均匀，呈无色透明状液体，停止加热。w w沉淀比的测定：精确取2mL样品，冷至20，在搅拌下滴加2mL的去离子水，当样品变微浑浊时，即达沉淀比2：2。实验步骤实验步骤w2.浸渍干燥w 将所得溶液倾于培养皿中，用滤纸浸渍1min，分张进行并保证浸匀、浸透树脂，用镊子取出滤纸，使过剩树脂滴掉后，用夹子固定在拉直绳子上干燥至既不沾手也不脆折。约需浸渍15张滤纸。w 3.层压w 将浸好干燥的纸张叠整齐，置于预涂硅油的铝合金板上，在油压机上135、410MPa加热加压15min，打开压机，趁热取出样品，可制得透明层压塑料板。