材料合成化学实验.ppt

材料合成化学实验 XX大学材料科学与工程学院 本课程的目的 要求 熟练掌握材料合成化学实验的一般操作技能 学会几类材料的制备 分离 纯化的方法 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 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1有机玻璃的合成 甲基丙烯酯甲酯的本体聚合 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 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 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 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 试剂甲基丙烯酸甲酯 MMA 过氧化二苯甲酰 BPO 实验步骤 1 预聚合反应在装有搅拌器 冷凝管 温度计的250ml的四口瓶中加入溶有0 5gBPO的MMA50ml 开动搅拌并升温至升温至75 80 反应20 30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 2 聚合反应将上述试管放入水浴中 升温至60 保温1 2h 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2水质稳定剂的合成 低分子量聚丙烯酸 钠 的合成 目的与要求 掌握低分子量聚丙烯酸 钠盐 的合成方法 用端基滴定法测定聚丙烯酸的分子量 实验原理 聚丙烯酸是水质稳定剂的主要原料之一 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 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 实验仪器四口瓶 回流冷凝管 电动搅拌器 恒温水浴 温度计 滴液漏斗 pH计试剂丙烯酸 过硫酸铵 异丙醇 氢氧化钠标准溶液 实验步骤 1 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1g过硫酸铵 待过硫酸铵溶解后 加入5g丙烯酸单体和8g异丙醇 开动搅拌器 加热使反应瓶内温度达到65 70 2 将40g丙烯酸单体和2g过硫酸铵在40mL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 5h 3 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500 4000之间 4 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10 12范围内即停止 即制得聚丙烯酸钠盐 实验3白乳胶的合成 醋酸乙烯的乳液聚合 目的和要求 1 熟悉乳液聚合的特点 了解乳液聚合中各组分的作用 2 掌握制备聚醋酸乙烯胶乳的方法 实验原理 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 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 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 实验仪器四口瓶 回流冷凝管 电动搅拌器 温度计 恒温水浴试剂醋酸乙烯酯 过硫酸铵 聚乙烯醇 OP 10 去离子水 实验步骤 1 在装有搅拌器 球型冷凝管和温度计的250mL四口瓶中 加入聚乙烯醇水溶液 10 wt 60mL 去离子水30mL OP 101g 搅拌均匀后加入醋酸乙烯10g 用水浴加热至65 70 2 称取0 3g过硫酸铵 用10mLH2O配成溶液 加5mL于反应瓶中 控温65 70 反应一段时间 出现蓝色荧光 温度慢慢升至70 后 在70 1 下滴加50g醋酸乙烯 约2 2 5h滴加完毕 滴加单体过程中补加剩余引发剂溶液 3 单体滴加完毕后 缓慢升温至80 以上 如在70 72 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 4 撒掉水浴 自然冷却到40 用NaHCO3水溶液调节pH 4 6 加入3g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 5 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4低温燃烧合成超细粉体 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技术基于氧化 还原反应原理 其中硝酸盐 硝酸根离子 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 溶胶 凝胶 sol gel法 合成工艺 第一步为溶胶的制备第二步为凝胶化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 实验药品 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 3实验仪器 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 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 1 配料计算 2 制备混合溶液a 溶解b 混合 3 溶胶的制备a 柠檬酸的加入b 溶胶的制备 4 凝胶的制备 5 凝胶粉的热处理 思考题 1 溶胶 凝胶粉末的细度 均匀性受什么因素的影响 2 溶胶 凝胶法的优缺点是什么 实验5陶瓷材料的高温合成 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 实验原理陶瓷的配方设计原理 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 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 高温合成原理 高温烧成实质是高温固相反应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 1 实验药品 骨料 氧化铝 氧化硅 粘土 粘结剂 CMC MgO 2 实验仪器 托盘天平 拈钵 捣打磨具 木槌 高温炉 实验步骤 1 配料 用托盘天平按下表的百分比称取总重50克的原料 实验步骤 2 制备 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 3 烧成 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 思考题 1 陶瓷的成型方法有那些 各有什么用途 2 烧成制度的制定原则是什么 实验6一种涂料基料的合成 核 壳结构苯乙烯 丙烯酸正丁酯复合乳液的制备 目的和要求 了解复合乳液聚合的特点 掌握制备核 壳结构复合聚合物乳液的方法 实验原理 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 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 恒温水浴试剂苯乙烯 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 OP 10 过硫酸钾 十二烷基硫酸钠 SDS 实验步骤 1 单体预乳化在装有搅拌器 回流冷凝管和温度计的250mL四口瓶中加入去离子水45mL 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50 60 搅拌 当乳化剂完全溶解后加入核单体 20mL苯乙烯和1mL丙烯酸 使单体乳化30 40min 倾倒出已预乳化的核单体备用 在上述装置中加入去离子水15mL 乳化剂十二烷基硫酸钠 SDS 0 1g 壬基酚聚氧乙烯基醚 OP 10 0 2g 水浴加热至50 60 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30 40min 倾倒出已预乳化的壳单体备用 实验步骤 2 种子乳液聚合 核聚合 在上述装置中加入引发剂溶液8mL 称取0 4g过硫酸钾溶于20mL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 3 复合乳液聚合 壳聚合 在上述种子乳液中补加引发剂溶液2mL 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7 8 再加入2mL增塑剂邻苯二甲酸二丁酯 再搅拌15min 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7环氧树脂交联剂的合成 低分子量双酚A型环氧树脂的制备 目的和要求 通过双酚A型环氧树脂的制备 掌握一般缩聚反应的原理熟悉低分子量环氧树脂的制备方法 了解环氧树脂的用途熟悉环氧值的测定方法 实验原理 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 恒温水浴试剂环氧氯丙烷 双酚A 氢氧化钠 苯 去离子水 实验步骤 将22g双酚A 0 1mol 和28g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250mL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40mL 20 的NaOH溶液 约0 5h滴加完毕 在75 80 继续反应1 5 2h 此时溶液呈乳黄色 停止加热 降温 加入苯60mL 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8复合层压板的制备 三聚氰胺 甲醛树脂的合成及层压板的制备 目的和要求 了解三聚氰胺 甲醛树脂的合成方法了解层压板的加工工艺 实验原理 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8 9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 实验仪器四口瓶 电动搅拌器 温度计 恒温水浴 油压机试剂三聚氰胺 乌洛托品 六次甲基四胺 甲醛水溶液 三乙醇胺 实验步骤 1 合成树脂取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75 80 最好在75 一定要低