无机材料制备实验溶胶凝胶法合成莫来石

溶胶凝胶法合成莫来石(3Al 2O 3﹒2SiO 2)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，Al 2O 3和SiO 2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（-C 2H 5），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Al 3+，且Al 3+有一定夺氧能力，当溶胶聚合，逐渐形成三维网络时，大部分Al 3+进入Si-O 网络中，一部分Al 3+参与结构，形成复杂的-Si-O-Al-O 三维无轨网络。其水解缩聚机理如下：

2|

|

33253

253

||H O

OR

OR

RO S i OC H Al

NO RO S i OH C H OH Al NO OR OR

++

-

+---++−−−→--+++

-

+

+-

+++----−−→

−++--+--3

52|

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|3352||

||

22NO OH H C OH OR

i S OR

Al O

OR i S OR

RO NO Al H OC OR

i S OR

RO OH OR i S OR

RO O H

2||

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||||33|

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|

||||

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/

H O OR OR S i O Al O Si Al NO OR OR OR OR

OR

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O Si

O Al

O Si O Al O

OR

O Al O Si

O Al

O Si

O Si OR OR

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OR ++-

++⎡⎤

⎢⎥⎢⎥-----++−−−→

⎢⎥

⎢⎥⎣⎦

⎡

⎤

⎢⎥⎢⎥--------⎢⎥⎢⎥

⎢⎥⎢⎥⎢⎥-----

--

-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦

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-O-Al-O 三维无轨网络凝胶经过干燥与烧结过程，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、100 ml 容量瓶、250 ml 烧杯、250 ml 细口试剂瓶

（2）硝酸铝溶液中铝含量的测定：PAN 指示剂（0.2 g PAN 溶于100ml 乙醇中）、pH=4.2的HAc-NaAc 缓冲溶液、0.1 mol/L 硫酸铜溶液、250 ml 锥形瓶、0.1 mol/L 硫酸铜溶液、0.01 mo l/L 的EDTA 标液、250 ml 容量瓶、电炉、量筒、酸式滴定管、铁架台、1 ml 吸量管、250 ml 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（0.1 mol/L ）、去离子水、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、10 ml 移液管、止水夹、乳胶管、十字夹、烧瓶夹、50 ml 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(NO 3)3﹒9H 2O 的溶解

用电子天平称量30.0 g 结晶硝酸铝Al(NO 3)3·9H 2O ，放入200 ml 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。将硝酸铝溶液移入100 ml 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0.1 mol/L的硫酸铜溶液25 mL配制250 mL，则所得溶液的浓度约0.01 mol/L。

标定：（1）从滴定管放出20 mL（准确读下体积）的EDTA标液置于锥形瓶中。

（2）加入pH=4.2 HAc-NaAc缓冲液15 mL，加入5～6滴2 g/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2.50 ml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50 ml置于250 ml锥形瓶中。

（2）加入一定量的EDTA（0.01）标液50 mL，加热至70 ℃左右。

（3）加入15 mL pH=4.2 HAc-NaAc缓冲液，煮沸2分钟，取下冷却至约80 ℃。

（4）补加上述缓冲液10 mL，加PAN指示剂5～6滴（此时溶液颜色为黄色）。

（5）用0.01 mo l/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-凝胶过程的影响非常重要，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100 ml的小烧杯中，盛入40 ml去离子水与20 ml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50-60 d /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75 ml的硝酸铝溶液转移到烧杯中，同时往硝酸铝溶液加入1 ml浓度为0.05 mol/L 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50-60 d /min的速度滴入预先水解的TEOS溶液，边滴边搅拌，同时在50 ℃-70 ℃（分组），滴完