材料化学实验指导书 本文关键词：指导书，化学实验，材料
材料化学实验指导书 本文简介：纳米二氧化硅粉末的制备和性质表征一、实验目的1.掌握溶胶-凝胶法制备纳米SiO2；2.掌握SEM、XRD在纳米材料检测中的使用方法。二、实验原理纳米技术是世纪之交出现的一种高新技术，主要是研究原子、电子和分子在0.1nm～100nm空间运动的规律与特点，并按照人的意志直接按照操作单个原子或分子，研究
材料化学实验指导书 本文内容：
纳米二氧化硅粉末的制备和性质表征
一、实验目的
1.
掌握溶胶-凝胶法制备纳米SiO2；
2.
掌握SEM、XRD在纳米材料检测中的使用方法。
二、实验原理
纳米技术是世纪之交出现的一种高新技术，主要是研究原子、电子和分子在0.1nm～100nm空间运动的规律与特点，并按照人的意志直接按照操作单个原子或分子，研究人们所需要的、具有特定功能或材料的一门学科。纳米粒子在涂料体系中，以其独特的物理、化学性能及常规材料所不具备的性质，使涂料产品的各种性能得到很大的提高。纳米SiO2作为纳米材料中的一员，具有特殊的结构层次，通常只有在高倍电子显微镜下才能观察到其颗粒形态。由于纳米SiO2的量子隧道效应和它的特殊光、电特性、高磁阻现象以及高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性，使纳米SiO2 可广泛应用于许多领域，几乎涉及所有应用SiO2粉体的行业。同时，二氧化硅还具有无毒性，高生物活性，而且他表面的硅羟基非常适合作为改性的桥梁而使其功能化[68]，故而在复合材料、催化反应、传感器
、生物医学等领域有着非常巨大的应用价值。此外，单分散二氧化硅微球可以通过自组装制备光子晶体，他在光子学，光电学，数据存储等方面广阔的应用前景引起了越来越广泛的关注。
纳米SiO2的制备方法有气相法和液相法等几种方法。气相SiO2的气相合成始于1941年，由德国迪高沙公司开发成功，由气相四氯化硅氧焰水解法制造白炭黑的新技术。其产品商品牌号为“Aerosil”[38]。20世纪80年代以来，国外一些大公司先后又对这一制造工艺进行了必要的改进，生产纳米级氧化物，如纳米级二氧化钛、二氧化锆、三氧化二铝及其改性产品，此方法简称“Aerosil”法，是全世界主要生产纳米材料的方法。与其他制备方法相比，其具有原料易得、能连续生产、粒子凝聚少、反应条件易控制、粒径大小容易掌握、粒子表面整洁、纯度高的优点。目前，全世界气相法白炭黑的总生产能力超过11万t/年，而年需求量达9.7万t/年。此外，凝胶-溶胶法也是目前应用最多，并且也是比较完善的制备纳米SiO2的方法之一。目前，凝胶—溶胶法已能制得多种一元或多元氧化物的超细粉体。其中由于SiO2气凝胶具有广泛用途而备受关注。凝胶—溶胶法制得的SiO2超细粉的比表面积是普通SiO2的三倍左右，其粒径均小于10nm，并且具有独特的孔径分布和大的孔体积。但是传统的制备方法主要采用盐酸、醋酸、氨水或氢氧化钠等作为催化剂。通过上述催化剂制备纳米填料用于涂层时，将引起金属或其他基材的腐蚀，损害涂层对基材的保护作用。为避免上述问题，本实验选用磷酸作为催化剂，以正硅酸乙酯为前驱体，通过溶胶-凝胶的方法制备纳米SiO2颗粒。正硅酸乙酯溶胶-凝胶反应机理如下：
三、实验步骤
搭好实验装置。按配比先向四口烧瓶中加入正硅酸乙酯、无水乙醇与磷酸。调节体系至规定的温度。然后向体系中缓慢滴加蒸馏水，并搅拌。反应至规定的时间停止反应，倒出反应产物。将得到的反应产物静置陈化，凝胶，研磨，得到二氧化硅粉末。再将得到的二氧化硅粉末于高温700℃条件下焙烧，最终得到二氧化硅粉末。
四、思考题
1.
产物的尺寸受哪些因素控制？预测产物尺寸随各因素变化的结果。
五、实验报告要求
1.
作为研究生实验，报告应写成科技论文的形式。实验报告中应包括前言、实验、结果与讨论、结论等部分。
纳米材料表面改性
一、实验目的
1.
掌握纳米SiO2表面改性的机理；
3.
掌握填料表面改性对涂料各性能的影响。
二、实验原理
纳米填料作为新型填料，已在涂料、塑料、橡胶等领域获得广泛的应用。纳米粒子在涂料体系中，以其独特的物理、化学性能及常规材料所不具备的性质，使涂料产品的各种性能得到很大的提高。纳米填料在提高涂层耐腐蚀性方面的运用也引起了研究人员的注意。研究人员用阻抗的方法讨论了纳米填料对涂层的防腐蚀性能的影响，发现所得的涂层具有相当出色的防腐蚀性能。
研究发现当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸（其值近似于或小于某一物性的临界尺寸），则材料的物理性质会发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能也有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以纳米级材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。众所周知，由于纳米SiO2的粒径小、比表面积大，从而导致粒子的表面能大、易于团聚，使得其尺寸经常超过上述临界尺寸。另外在有机相中难以浸润和分散是限制纳米填料应用的另一个个主要问题[44]，而对纳米填料进行改性是解决上述问题的关键。纳米SiO2的表面改性根据表面改性剂与粒子表面之间有无化学反应可分为物理吸附、包覆改性[45～46]和表面化学改性。其中又以化学改性为最优，根据化学反应的不同,表面化学改性方法又可分为偶联剂表面覆盖改性、表面直接接枝改性、表面引发接枝聚合改性等。改善无机纳米SiO2粒子与有机体的表面亲和性较差的问题，一般采用偶联剂法解决两者相互混合时界面上出现的空隙，使无机纳米SiO2粒子与有机物产生很好的相容性。利用偶联剂分子能与纳米填料表面进行某种化学反应的特性,将偶联剂均匀地覆盖在纳米SiO2粒子表面,从而赋予粒子表面新的性质。常用偶联剂有硅烷偶联剂、钛酸酯类偶联剂和铝酸酯类偶联剂等。研究人员通过细乳液聚合方法制备了改性二氧化硅/丙烯酸酯杂化高分子乳液，发现二氧化硅的改性能提高该杂化高分子乳液的多项性能。另外纳米有机-无机杂化材料是复合材料中的一个新的研究开发的领域，这种材料兼有有机材料与无机材料的特性。若能在解决纳米填料的分散性和相容性的同时，使纳米填料表面带有官能基团，并使之能与未来的有机相发生化学反应形成有机-无机杂化体系，那么就能更好地发挥纳米填料的作用。本实验用分子结构中带有环氧基的偶联剂6040对纳米SiO2进行改性，反应机理如下：
其中R代表：
三、实验步骤
按一定配比向四口烧瓶中加入无水乙醇溶液、偶联剂6040、磷酸、纳米SiO2，调节电加热套温度为34℃，开搅拌器开始搅拌。反应8h后倒出反应产物，将得到的反应产物静置陈化，研磨，无水乙醇清洗，离心机内离心分离，留取下层固体相，将得到的固体在80℃下烘干，并研磨，得到纯净的表面改性纳米SiO2粉末。将改性后的纳米填料加入涂料中，对制得的涂层进行表征，并与加入未改性纳米填料的涂层进行对比。
四、思考题
1.
纳米填料改性后对涂层的性能产生了哪些影响？试从理论角度进行分析和讨论。
五、实验报告要求
1.
作为研究生实验，报告应写成科技论文的形式。实验报告中应包括前言、实验、结果与讨论、结论等部分。