材料合成化学实验 湖北大学 材料科学与工程学院.

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1 材料合成化学实验 湖北大学 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0.5g BPO的MMA 50ml，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。

8 实验2 水质稳定剂的合成 ——低分子量聚丙 烯酸 (钠)的合成
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 试剂 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
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 65~70℃。 2. 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。 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。

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65～70℃。 2. 称取0.3g过硫酸铵，用10mLH2O配成溶液，加5 mL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。

18 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)。 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。 氧化铝 60 MgO 8 CMC 15 粘土 17 水 10～15

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。
温度区间（℃） 室温~700 700~1100 1200~1300 1300 升温速率（℃/h） 100~300 200~300 100 保温1小时

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50~60℃，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30~40 min。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 30~40 min。 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 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。 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7~8，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。

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①，约0.5 h滴加完毕。在75~80 ℃继续反应1.5～2 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。

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。

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75～80℃（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。 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。

52 实验步骤 2. 浸渍干燥 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。 3. 层压 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℃、4～10MPa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。