材料化学实验专题讲义

材料化学实验讲义中国地质大学（北京）材料科学与工程学院化学教研室2011年5月北京2011年春季学期《材料化学实验》安排：第十三周实验二第十四周实验三第十五周实验一第十六周实验四实验内容实验一、阳离子交换性能的研究与测定 (3)实验二、无机纳M粒子填充的聚合物吸水材料制备 (6)实验三、13X沸石对废水中总硬度的吸附实验 (9)实验四、碳酸钙粉体表面改性表面改性研究(初稿-待定)实验一：阳离子交换性能的研究与测定一、实验目的1、了解阳离子交换性能测定的几种方法。

2、掌握甲醛容量法测定膨润土阳离子交换性能。

二、实验原理膨润土具有吸附某些阳离子和阴离子并把这些离子保持交换状态的性能；在常温常压下，与无机、有机溶剂接触时，可发生明显变化，可以说，离子、水和盐类以及几乎所有有机物，能够出入于蒙脱石矿物的层间，使其形成复杂的蒙脱石矿物无机盐类复合体和蒙脱石矿物有机复合体。

蒙脱石是由二层硅氧四面体和夹在中间的一层铝氧八面体及吸附于晶层间的水化阳离子构成的结构单元组成（即2:1型矿物）。

结构单元层与层之间的电荷为永久性负电荷，它以静电引力的形式将阳离子吸附于层间，并保持交换状态。

而八面体中Al3+被Mg2+置换的程度不同而使其具有不同的层电荷。

其层电荷的强弱与吸附金属的量成正比，其吸附的阳离子种类、数量的变化可以形成不同类型的蒙脱石。

正是由于蒙脱石矿物的这些特性，使它在应用方面具有很高的实用价值。

可交换的阳离子总量包括交换性盐基（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）和晶体边缘破键，两者的总和即为阳离子交换量。

交换过程是蒙脱石矿物层间阳离子与溶液中阳离子等物质的量的交换作用。

例如：含有离子(A+)的蒙脱石(AC)与含有离子(B+)的提取液(BD)相接触时，蒙脱石(AC)层间阳离子(A+)被提取液中的离子(B+)以等物质的量交换，可表示为：B++AC=A++BD。

阳离子交换容量（CEC）的测定方法很多，如醋酸铵法、氯化铵-醋酸铵法、氯化铵-无水乙醇法、氯化铵-氢氧化铵法等，其中醋酸铵法适用于中性、酸性粘土矿物阳离子交换量的测定，氯化铵-无水乙醇法、氯化铵-氢氧化铵法适用于碱性粘土矿物阳离子交换量的测定。

对于中、碱性的蒙脱石来说，采用氯化铵-无水乙醇为提取液更为合适；因无水乙醇溶液能抑制氯化铵溶液对硫酸钠、石膏、碳酸钙等化合物的溶解，可以更准确地测定出蒙脱石的阳离子交换容量。

代换总量的测定是根据蒙脱石矿物中可代换性阳离子能被取代液中铵离子所置换，准确地测定取代液中取代前后氯化铵含量之差，来计算交换总量。

依据的反应方程式为：蒙脱石+nNH4Cl=蒙脱石(NH44+)+KCl+NaCl+MgCl2+CaCl21．主要仪器设备和试剂（1）设备磁力搅拌器、离心机（400~10000r/min），电炉，容量瓶（100 mL, 1个），三角瓶（250 mL,3个），25mL移液管，量筒，碱式滴定管。

（2）试剂无水乙醇，氯化铵，氨水，氢氧化钠（以上均为分析纯），甲醛，酚酞指示剂。

（3）试剂配制A) 0.1mol/L NH4Cl+50%无水乙醇称取5.35gNH4Cl溶于270mL蒸馏水中，再加入730mL无水乙醇，用氢氧化铵调pH值至7，摇匀。

B) 0.1mol/L NaOH溶液称取40g氢氧化钠溶于10000mL蒸馏水中，并标定浓度。

2．样品处理称取蒙脱石样品10g左右，用研钵磨并过150目筛，放入称量瓶中，在烘箱中于95~100︒C烘干4小时，取出放入干燥器内备用。

3．分析步骤称取上述烘干样品3.00g放入100ml离心管内，加入25 mL50%乙醇溶液清洗可溶盐类，在磁力搅拌器上搅拌5min，取下进行离心分离5min后弃去清液，并重复洗2~3次。

然后加入已配好的0.1mol/L氯化铵+50%乙醇提取液25 mL，盖紧橡皮塞，搅拌30min，使其充分交换。

离心分离，将清液移入100mL容量瓶内（切勿损失）。

此代换过程连续重复三次，每次加25ml提取液，清液合并入上述100mL容量瓶内（离心管中铵质土弃去），摇匀。

然后测交换总量及交换性阳离子。

4．交换容量测定测定交换容量的方法很多，其中有蒸馏法、甲醛容量法、铵离子选择电极测定法等。

现在主要介绍甲醛容量法：铵离子与甲醛可迅速化合而放出等物质的量的酸；生成的酸可用规范的氢氧化钠溶液滴定，记下所消耗的氢氧化钠体积，从而可计算交换容量。

因甲醛溶液中常含有微量的酸[4NH4++6HCHO=(CH2)6N4+4H++6H2O]，使用前必须用氢氧化钠将溶液调至pH=7，否则测定结果产生正的误差。

取100ml容量瓶中的交换液25ml于250ml的三角瓶中，加热煮沸，加入35%的中性甲醛8ml，滴入5滴（0.1%）酚酞指示剂摇匀，立即用0.1mol/L氢氧化钠规范溶液滴定，溶液由无色变浅粉色（稳定30秒不褪色）即为终点，记下读数V1。

吸取提取液[0.1mol/LNH4Cl+50%无水乙醇25ml于250ml三角瓶中，按上述操作进行滴定，记下读数V2。

计算公式为CEC=c(NaOH)⨯(V2-V1)⨯V总/（m s⨯V滴）式中，CEC为交换容量（mmol/g），c(NaOH)为NaOH溶液浓度（mol/L），m s为样品质量（g），V滴为25ml，V总为100ml。

实验二、无机纳M粒子填充的聚合物吸水材料制备一、实验目的1、了解高吸水材料的制备原理和制备方法2、了解无机纳M粒子在高吸水材料中的作用3、了解聚合体系对高吸水材料性能的影响二、实验原理吸水材料，特别是高吸水材料是一类很有用的功能复合材料，在植物种子胞衣、土壤保湿、医药卫生、环境保护、建筑材料、油田调剖堵水等方面具有独特作用。

通过复合化、功能化改善材料的性能，不仅可以降低材料成本，更重要的是有利于提高功效，开发新型材料。

本实验主要探讨以矿物材料制备的无机纳M粒子作为填充剂制备具有良好性价比的高吸水材料。

1、反应机理丙烯酰胺分子中有共轭体系结构，由于羰基吸电子能力强，使C=C 键上的电子云，密度降低，因此很容易在C=C 键上进行自由基型和离子型的连锁加聚反应。

杂交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺存在时，聚合与交联反应同时进行，生成网状结构的高粘聚合物，反应式如下图：当此反应在高分散的粘土悬浮液中反应时，聚合物就会把一尾数于纳M级的粘土粒子包覆在网状结构的空隙中，形成一种具有较好维属于纳M级的粘土粒子包覆在网状结构的空隙中，形成一种具有较好强度和吸水性能的无机—有机复合材料。

2、吸水原理此类材料是通过水合作用迅速地吸收自重十几倍乃至上千倍的液态水而呈凝胶状，且保水性好，所吸收的水即使在较高压力下也不会溢出的一种新型的功能高分子聚合物。

与传统的吸水材料(如纸、棉、海绵等)相比，高吸水性树脂具有吸水容量大、吸水速度快、保水能力强等优越性能。

其吸水机理如下：当高分子遇见水时，先是表面亲水基团NH2和水分子进行水合作用，形成氢键，这部分水是结合水；高分子网束随之扩展，钠基膨润土中的亲水性的离子——Na+ 水解成可移动的离子，这样高分子网络内和外部水间产生了离子浓度差，从而产生了内外的渗透压，在渗透压的作用下，水分子向高分子网络中渗透，渗透进入网络的是自由水；同时自由水又与内部亲水基团-NH2和—C=O 形成氢键，于是进一步有基团的水解和渗透压差，所以水源源不断进入高吸水性树脂网络。

因此吸水过程包含了三个部分：氢键形成、水解、渗透压差引起的扩散。

溶胀过程在两种情况下达到平衡：一是高分子网络全部伸展开，吸水率达到最大；另一是当高分子网络内外的渗透压相等时，树脂也停止溶胀达到吸水平衡。

三、仪器与药品高速搅拌机1台分析天平1台恒温水箱1台玻璃烧杯（80 mL）8个（200mL）4个吸管4支量筒（100 mL）1只玻璃棒丙烯酰胺单体（AM）N，N，-亚甲基双丙烯酰胺亚硫酸氢钠过硫酸钾无水碳酸钠天然钠基膨润土四、制备方法1、用电子天平准确称量不同质量（见表1）的天然钠基膨润土，分别置于4个200 mL烧杯中，分别称取占粘土10%的无水碳酸钠和量取150 mL蒸馏水于烧杯中，搅拌至无大的团聚颗粒。

2、用搅拌机将上述悬浮液分散3—5分钟。

3、用分析天平称取（如表1）的同质量的丙烯酰胺单体（AM），并溶于粘土悬浮液中，再用搅拌机分散1—2分钟。

4、用分析天平称取（如表1）的不同质量的交联剂N，N，-亚甲基双丙烯酰胺于4只80mL烧杯中，用少量水溶解，并加入到分散的粘土悬浮液中。

5、用分析天平称取（如表1）的不同质量的引发剂过硫酸钾、亚硫酸氢钠于4只80mL烧杯中，用少量水溶解，待用。

6、将粘土悬浮液放入45℃恒温水浴箱中预热，预热时用玻璃棒搅拌，使之受热均匀,使粘土悬浮液达到45℃左右。

7、缓慢加入引发剂（边加边搅拌），加完后继续搅拌1—2分钟，静置。

8、待成胶后，取出，用清水洗去未反应完全的丙烯酰胺单体（AM）和未包覆的粘土颗粒。

9、用小刀将聚合物胶块切割成0.5～1.0cm见方的小块，放入80～120℃的烘箱中，干燥8～10小时。

10、将干燥后的样品粉粹、筛分，留备性能评价。

五、性能评价1、外观目测干燥前后成品的颜色和形状。

2、吸水倍数的测定称取样品5g ，称准至0.01g ，放入已装入200mL蒸馏水的200mL烧杯中，浸泡24小时。

24小时后，从烧杯中取出样品，放在滤纸上吸去表面的水分，然后称其质量m , 称准至0.01g。

吸水倍率N按下公式计算：N = (m – 5.00)∕5.003、强度和韧性的观测将干燥前的聚合物胶块用力拉伸，观察其弹塑性变化。

将测定完吸水倍数的凝胶碎块用力碾压，观察其弹塑性变化。

六、思考题1.吸水聚合物中为什么要加入无机纳M粒子?2.结合你所了解的矿物材料，谈谈不同类别的无机填充粒子在吸水聚合物中所起的作用会有何不同?3.结合所学过的有关聚合物知识，谈谈如何改善无机纳M粒子填充的聚合物吸水材料吸水膨胀后形成的凝胶材料的韧性？实验三、13X沸石对废水中总硬度的吸附实验一、实验目的1、学习并掌握吸附实验方法。

2、二、仪器及药品空气浴振荡器，烘箱、分析天平、100mL磨口三角瓶，研钵，滤纸，漏斗，移液管。

13X沸石，钙离子储备液。

三、实验原理13X沸石是人工合成的沸石分子筛。

沸石分子筛是一类重要的无机微孔材料，具有优异的择形催化、酸碱催化、吸附分离和离子交换能力，在许多工业过程包括催化、吸附和离子交换等有广泛的应用。

沸石分子筛的基本骨架元素是硅、铝及与其配位的氧原子，基本结构单元为硅氧四面体和铝氧四面体，四面体可以按照不同的组合方式相连，构筑成各式各样的沸石分子筛骨架结构。

α笼和β笼是A、X和Y型分子筛晶体结构的基础。

A型分子筛属立方晶系。

将β笼置于立方体的八个顶点，用四元环相互连接，围成一个α笼，α笼之间可通过八元环三维相通，八元环是A型分子筛的主窗口。