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1、溶胶凝胶法合成莫来石（3A12O32SiO2）微粉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，ai2o3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
2、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。本实验采用溶胶凝胶法合成莫来石微粉。一、实验目的1. 了解溶胶凝胶法制备莫来石粉末的过程与原理；2。掌握溶液中铝含量的测定方法；3。掌握溶胶粘度的测定方法；4. 学会用红外光谱初步测试无机粉末物相；5. 掌握用激光粒度仪测试无机粉末粒度；6。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
3、学 变 化 。二、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A13+,且A13+有一定夺氧能力，当溶胶聚合，逐渐形成三维 网络时，大部分A13+进入Si-O网络中，一部分A13+参与结构，形成复杂的Si-OAlO 三维无轨网络。其水解缩聚机理如下:OR ORRO S i OC H + Al 3 + + NOh 卫 RO S i OH + CH OH + Al 3 + + NO -|253|253ORORORRO - Ss i - OH +
4、 RO -O|RORSs i - OC H + Al 3 + + NO |253ORORORRO - S| i - O - S| i - OH + 2 C H OH + NO - |253ORAl 3+ OR+ Al 3 + NO -3一 OROR-Si-O -Si|OAl 3 +|O-Si|-O -|/Al/OROR|OR- S| i - O - A| l - O - Si |OROROROR _-O -Al-O -Si-OR1OAl 3 +|O-O -Si1-O -Si1-1OROROROR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-OA1-O三维无轨网络凝胶经过干燥与烧结
5、过程，得到莫来石粉末。三、实验原料与仪器(1) 硝酸铝的溶解：硝酸铝、电子天平、恒温磁力搅拌机、磁子、去离子水、100ml容量瓶、 250ml 烧杯、 250ml 细口试剂瓶(2) 硝酸铝溶液中铝含量的测定：PAN指示剂(0。2gPAN溶于100ml乙醇中)、pH=4.2的 HAcNaAc缓冲溶液、0。1mol/L硫酸铜溶液、250ml锥形瓶、0。1mol/L硫酸铜溶液、0。 01mol/L的EDTA标液、250ml容量瓶、电炉、量筒、酸式滴定管、铁架台、1ml吸量管、 250ml 细口试剂瓶、吸耳球、蝴蝶夹(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
6、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)39H2O的溶解用电子天平称量30.0g结晶硝酸铝Al(NO3)39H2O，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
7、铝溶液移入100ml的容 量瓶中，得到浓度约为0。8 mol/L的硝酸铝溶液。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。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=4.2HAcNaAc缓冲液15mL，加入56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。铝含量的测定配制：取配制的约为0。8 mol/L的硝酸铝溶液2。5
8、0ml配制成250ml,则所得溶液的 浓度约为 0。 008 mol/L。标定：（1）移取经过稀释浓度约为0。008 mol/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70C左右。（3）加入15mLpH=4.2HAcNaAc缓冲液，煮沸2分钟，取下冷却至约80C。（4）补加上述缓冲液10mL，加PAN指示剂56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一凝胶过程的影响非常
9、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。8 mol/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/L
10、HCl 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5060d /min 的速度滴入预先水解的TEOS溶液，边滴边搅拌，同时在50C-70C（分组），滴完以后继续搅拌lh,得到硅铝溶胶，烧杯口上用保鲜膜包上，然后放在50C-70C（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50C-70C经2 h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
11、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q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（25C ）蒸馏水10m 1,其粘度为动 力粘度（耳），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。2 s,取其平均值，即为t0值。得到毛细管粘 度计常数：c=n/t0其中C粘度计常数，MPa ；n 蒸馏水的粘度,MP
12、a s；t0时间,s.t1时候溶胶粘度n1n0 (50C) =0。5468X10-6 Mpa sn0 (70C)= 0.4042 X10-6 Mpa sn0(60C) =0.4665X106 Mpa s n0 (80C)=0.3547X10-6 Mpa s（3）自己查阅50C,60C，70C，80C（物理化学实验书）时蒸馏水的 粘度no，根据测定的t0与计算6。取制备的硅铝溶胶放入100C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1250C热处理温度, 再保温2小时，设置升温速率为10C/min。8。硅铝凝胶的DSC-
13、TGA分析4$ 工30J-2060jo9031JGL- - - o O 5 4_|-33IA.LUL:-JJJ LLL -Tsui prat a rer?、图1硅铝凝胶的DSCTGA图干凝胶的DSC-TGA如图1所示，由TGA图可知，在400 C以前失重很快，在400 C以后, 试样质量基本不发生变化，这说明在400 C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、250C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 C和1158C处 有放热峰，998C的放热峰被认为是析出硅铝尖晶
14、石晶相时产生的热效应，而1158C的放热 峰被认为是析出莫来石时产生的热效应。零劈0弦一 喷 UKII-9莫来石粉末的物相组成分析WiveiiHimber cm图2莫来石粉末的红外光谱图经过1250C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560 cm1吸收带 是由A160振动所致,740 cm1和830 cm-1吸收带是由A14O振动所致,A16和A14代表6 配位和4配位的铝离子。SiO吸收带位于450、900和10001200 cm-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
15、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。727 um之间，但大部分分布在110 um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溶胶凝胶法合成莫来石(3A12O32SiO2)微粉姓名：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
