材料合成化学实验PPT课件

.,1,材料合成化学实验,材料科学与工程学院,.,2,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。,.,3,实验1有机玻璃的合成,甲基丙烯酯甲酯的本体聚合,.,4,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。,.,5,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。,.,6,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),.,7,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。2.聚合反应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。,.,8,实验2水质稳定剂的合成低分子量聚丙烯酸(钠)的合成,.,9,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。,.,10,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。,.,11,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,.,12,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6570。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5004000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1012范围内即停止，即制得聚丙烯酸钠盐。,.,13,实验3白乳胶的合成,醋酸乙烯的乳液聚合,.,14,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。,.,15,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。,.,16,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,.,17,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6570。2.称取0.3g过硫酸铵，用10mLH2O配成溶液，加5mL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。3.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。,.,18,实验步骤,4.撒掉水浴，自然冷却到40，用NaHCO3水溶液调节pH=46，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）。,.,19,实验4低温燃烧合成超细粉体,.,20,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,.,21,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。,.,22,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。,.,23,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,.,24,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）,.,25,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,.,26,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？,.,27,实验5陶瓷材料的高温合成,.,28,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,.,29,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。,.,30,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,.,31,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,.,32,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。,.,33,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。,.,34,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。,.,35,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？,.,36,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,.,37,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,.,38,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。,.,39,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),.,40,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5060，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3040min。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3040min。倾倒出已预乳化的壳单体备用。,.,41,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78，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。,.,42,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,.,43,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,.,44,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：,.,45,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,.,46,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7580继续反应1.52h，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。,.,47,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,.,48,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,.,49,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。,.,50,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,.,51,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7580（最好在7