实验二 溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米陶瓷粉体
溶胶-凝胶法制备TiO2-SiO2复合粉体
2011-2012第1学期期末综合实验报告溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2复合粉体姓名：学号：班级：指导教师：题目：溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2复合粉体一、实验目的及要求（1）了解并撑握进行科学研究的过程，提高学生的逻辑思维能力，为以后进行科学研究奠定基础。
（2）提高学生的实验动手能力和科学分析能力，使学生通过这次锻炼能够撑握科学实验的过程，从而激发对科学研究的兴趣。
（3）通过本次综合实验，使学生把书本上的理论和实际结合起来，从而达到学以致用的目的。
（4）写出完整的实验报告，重点分析实验结果并进行详细的讨论，提高学生的数据处理能力。
二、实验原理溶胶—凝胶法是一种湿法化学工艺，由金属醇盐或其它盐类溶解在醇醚等有机溶剂中形成均匀的溶液，溶液再通过水解和缩聚反应形成溶胶，进一步的聚合反应经过溶胶—凝胶转变形成凝胶。
在低温阶段发生的溶胶到凝胶的转变过程，可以用来制备涂层。
采用溶胶—凝胶法的基本过程是：易于水解的金属化合物（无机盐）在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化。
其基本的反应过程是水解反应和聚合反应。
反应方程式如下（以合成氧化钛为例）：水解反应：Ti－OR＋H2O→Ti－OH＋ROH聚合反应：Ti－OH＋RO－Ti→Ti－O－Ti＋ROHTi－OH＋OH－Ti→Ti－O－Ti＋H2O式中：R﹦C4H9由于溶胶—凝胶法是目前广为采用的纳米粉体制备方法，因此本研究采用溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2超细粉体。
即采用钛酸丁酯、正硅酸乙脂为主要原料，加入去离子水和无水乙醇配制成反应溶液，并加入乙酰丙酮作抑制剂以缓解钛酸丁酯的强烈水解作用，从而形成均匀而透明的溶胶。
溶胶经干燥、煅烧后制备成TiO2－SiO2粉体。
三、实验内容（1）撑握TiO2光催化剂的制备机理及方法。
（2）探究溶胶pH值的变化对TiO2－SiO2溶胶性能的影响机理及规律。
（3）考察水浴温度的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响及规律。
溶胶-凝胶法制备纳米TiO2微粉化学实验报告
Ti(OR)n+H2OTi(OH)(OR)n-1+ROH
Ti(OH)(OR)n-1+H2OTi(OH)2(OR)n-2+ROH
……
反应持续进行,直到生成Ti(OH)n.
缩聚反应：
—Ti—OH+HO—Ti——Ti—O—Ti+H2O
—Ti—OR+HO—Ti——Ti—O—Ti+ROH
完成实验后我们知道了在制备用溶胶-凝胶法制备纳米粒子胶体的最好的浓度，知道了两种溶液混合时速度越慢越好，当然，这个慢也是有个限度的吧！在我们这个实验中，70min滴定完就已经可以得到很好的溶胶了。除此之外，在这个实验中我还体会到了跟同学合作实验，一起思考、探究的乐趣和知识的相互增补的长进。不过，完成这一次实验我们也经历过了很多的挫败，比如滴定管没有彻底吹干，在配制溶液（1）时空气潮湿度大，引入了水蒸汽，影响实验的结果等等。重新实验两次，耗时比较长。这一次实验为我以后单独完成实验做好了基础准备，我会更加努力地做得更好！
实验数据处理及结果分析：
序号
钛酸四丁酯（ml）
无水乙醇（ml）
冰醋酸（ml）
蒸馏水（ml）
时间（t）
产品颜色
1
10
50+50
10
10
90
微黄色的胶粒
2
10
50+40
43;20
3.5
4.5
20
有光泽的黄色微粒
4
5
25+20
4
5
25
白色的微粒
5
5
25+20
3.5
4
20
有棱角的胶粒
钛酸钡粉体制备
钛酸钡纳米粉体的制备方法摘要：钛酸钡粉体是陶瓷工业的重要原料，本文将简要介绍钛酸钡纳米粉体的一些制备工业，如固相法、水热法、溶胶-凝胶法、沉淀法等。
关键词：钛酸钡；粉体;制备方法；1.引言钛酸钡是制备陶瓷电容器和热敏电阻器等许多介电材料和压电材料的主要原料, 近几年来, 随着陶瓷工业和电子工业的快速发展,BaTiO3 的需求量将不断增加，对其质量要求也越来越高。
制备高纯、超细粉体材料是提高电子陶瓷材料性能的主要途径。
所以高纯、均匀、超细乃至纳米化钛酸钡的制备研究一直是各国科学家的研究重点。
钛酸钡的应用越来越广泛。
目前制备钛酸钡的方法主要有:共沉淀法、溶胶- 凝胶法、固相法、反相微乳液法、水热法。
2.钛酸钡粉体的制备工艺2.1固相研磨-低温煅烧法传统钛酸钡的制备主要采用高温煅烧碳酸钡和二氧化钛的混合物或高温煅烧草酸氧钛钡的方法, 它是我国目前工业制备钛酸钡的主要方法, 但由于煅烧温度高达1000~ 1200℃, 因而制得的粉体硬团聚严重、颗粒大而粒度分布不均匀, 纯度低, 烧结性能差。
朱启安[1]等采用室温下将氢氧化钡与钛酸丁酯混合研磨, 再在较低温度( < 300 ℃) 下煅烧的方法制得了钡钛物质的量比约为1. 0、颗粒大小分布均匀、粒径在15~ 20nm 的钛酸钡纳米粉体, 既克服了高温固相煅烧法反应温度高、产品质量低的缺点, 又克服了液相法在水溶液中制备易引入杂质、粒子易团聚等缺点其煅烧温度比传统的固相反应法降低了约700 ~900℃2.2水热法合成水热合成是指在密封体系如高压釜中, 以水为溶剂, 在一定的温度和水的自生压力下, 原始混合物进行反应的一种合成方法。
由于在高温、高压水热条件下, 能提供一个在常压条件下无法得到的特殊的物理化学环境, 使前驱物在反应系统中得到充分的溶解, 并达到一定的过饱和度, 从而形成原子或分子生长基元, 进行成核结晶生成粉体或纳米晶[2]。
水热法制备的粉体, 晶粒发育完整、粒度分布均匀、颗粒之间少团聚, 可以得到理想化学计量组成的材料, 其颗粒度可控, 原料较便宜, 生成成本低。
溶胶-凝胶法合成钛酸钡超细粉体工艺研究
表 2 同时列出不同 p~ 值条件下所得钛酸钡 粉体粉体粒径 . 由表 2 可 知，p~ = 3 . 25 和 p~ = 3 . 50 时，BaTiO3 陶 瓷 粉 体 的 一 次 粒 径 为 20 ~ 200 nm之间，p~ = 3 . 75 和 p~ = 4 . 0 时，粉体一次 粒径在 50 ~ 300 nm 之间，且研究发现有较严重的 团聚现象 . 由此可见，要得到分散性较好、粉体粒 径较小的产品，以 p~ = 3 . 50 的条件较佳 .
知，为了得到粒径相对较小，分散性较好的 BaTiO3 陶瓷粉体，可选用在沸水中凝胶化为较佳条件
2.4 湿凝胶干燥条件对粉体粒径的影响
本实验研究了不同干燥条件对粉体粒径的影
响，图 2 为按钡钛摩尔比 l 1 l 的条件称样，采用 85
mI 水量水解后控制 p~ = 3 . 5 时经沸水中凝胶化
后，采用不同干燥条件进行干燥时，再经700 C 煅
钛酸钡溶胶-凝胶法制备
溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米粉体内容：原料的计算、工艺流程(每组4个工艺参数)、反应机理、过程操作。
1、实验原理:以钛酸丁酯和氢氧化钡为原料，乙二醇甲醚和甲醇为溶剂，采用溶胶-凝胶法制备钛酸钡粉体。
钛的阴离子与钡离子发生中和反应，经聚合生成Ba2+Ti(OH)62-络离子。
Ba2+Ti(OH) 62-络离子被溶剂生成的有机物长链分割包围着，在随后的干凝胶煅烧过程中，有机物长链分解，使Ba2+Ti (OH)62-络离子在高温下分解，制得纳米粉体。
能电离的前驱体-金属盐的阳离子M z+吸引水分子形成溶剂单元M（H2O）n z+(z为M离子的价数），具有保持它的配位数而强烈的释放H+的趋势：M(H2O)n z+M(H2O)n-1 (OH)(z-1) + H+水解反应：非电离式分子前驱体，如金属盐M(OR)n (n为金属离子M的原子价）与水的反应。
M(OR)n + H2O M(OH)n-1(OR)n-x +xROH缩聚反应(分两步):失水反应：M-OH + HO-M M-O-M +H2O失醇反应：M-OR +RO-M M-O -M + ROH2.工艺流程：氢氧化钡的乙二醇溶液钛酸丁酯的甲醇溶液溶胶凝胶干凝胶煅烧球磨粉体反应式：Ti (OR) 4 + 4H2O +Ba2++ 2OH-Ba2 [ Ti (OH) 6 ]2 + 4ROH高温脱水3、实验过程：BaTiO3将7.5g的氢氧化钡溶入30ml的乙二醇甲醚中，充分振荡使之形成氢氧化钡的乙二醇甲醚溶液。
将14.88g的钛酸丁酯溶入30ml 的甲醇之中，充分搅拌形成钛酸丁酯的甲醇溶液。
将上述两种溶液混合，并不停地搅拌使其充分互溶形成溶胶，然后加水少许形成凝胶。
A、原料的计算：（按得到10gBaTiO3纳米粉体为基准）M(BaTiO3)=233.23g/mol M(Ba(CH3COO)2)=255.37g/molM(Ba(OH)2)=171.33g/mol M(Ti(C4H9O)4)=340.06g/molTi (OR) 4 + Ba (OH)2 Ba2 [ Ti (OH) 6 ]2~~~~~BaTiO3 340.06g/mol 171.33g/mol 233.23g/mol14.878g 7.496g 98%转化率10 gB、步骤：m(Ba(OH)2=7.496g +30ml乙二醇甲醚 am(Ba(CH3COO)2)=14.878g +30ml 甲醇 ba +b Ba2 [ Ti (OH) 6 ]2 高温脱水BaTiO3。
12-6溶胶---凝胶法制备纳米钛酸钡.
1-2、钛酸钡合成钡先驱体+ 钡先驱体纯钛酸丁酯钡钛摩尔比1:1配料混合13O℃回流1h ℃钡钛复合醇盐加入去离子水钛酸钡陶瓷粉体干凝胶陈化一周湿凝胶
3 结论 1利用金属钡和乙二醇甲醚反应成功合成了乙二醇 ( 1利用金属钡和乙二醇甲醚反应成功合成了乙二醇甲氧钡前驱体溶液，氧钡前驱体溶液，通过其和钛酸丁酯的反应可在 13O℃ BaTiO3纳米晶粉体纳米晶粉体。
下合成 BaTiO3纳米晶粉体。
( 2 钛酸钡粉体的制备过程中，加水量对于纯钛酸钡钛酸钡粉体的制备过程中，晶体的形成具有明显的影响。
XRD分析结果表明分析结果表明，晶体的形成具有明显的影响。
XRD分析结果表明，这种粉体的晶粒尺寸在1
4 16nm左右 14～左右。
粉体的晶粒尺寸在14～16nm左右。
12-6溶胶---凝胶法制备纳米钛酸钡
3:搅拌速度的影响 3:搅拌速度的影响
搅拌速度以将固体反应物完全悬浮在液相中, 搅拌速度以将固体反应物完全悬浮在液相中, 不在反应器底出现沉积 物为宜.本搅拌过程中, 搅拌速度控制在500 左右. 物为宜.本搅拌过程中, 搅拌速度控制在500 r/ min 左右.
4:物料陈化对产物性能的影响 4:物料陈化对产物性能的影响
水溶胶的陈化可以使产物粒度更均匀. 水溶胶的陈化可以使产物粒度更均匀.结 Nhomakorabea语
a.利用Ti(SO 重晶石、 硝酸、 氨水为原料采用溶胶a.利用Ti(SO4)2、重晶石、 硝酸、 氨水为原料采用溶胶利用 粉体, 原料来源广泛、 价格低廉, 凝胶法合成 BaTiO3 粉体, 原料来源广泛、 价格低廉, 过程操作简单, 高温灼烧3h得到BaTiO3 粉体. 3h得到 过程操作简单,经 9500C高温灼烧3h得到BaTiO3 粉体. b.通过TEM 形貌分析等分析手段,对制得的粉体进行了各 b.通过TEM 形貌分析等分析手段, 通过 种性能的表征和测试, 种性能的表征和测试,结果表明本实验制备的 BaTiO3 粉 体为单纯的立方相, 粒径均匀, 大小在40 左右, 体为单纯的立方相, 粒径均匀, 大小在40 nm 左右, 无严 重的团聚现象,满足纳米粉体的要求. 重的团聚现象,满足纳米粉体的要求.
溶胶---凝胶法制备纳米钛酸钡 溶胶---凝胶法制备纳米钛酸钡 ---凝胶法制备纳米钛酸
---凝胶法制备纳米钛酸钡 1、溶胶---凝胶法制备纳米钛酸钡 溶胶--以溶胶---凝胶法制备纳米钛酸钡粉体, ---凝胶法制备纳米钛酸钡粉体 摘 要:以溶胶---凝胶法制备纳米钛酸钡粉体, 利用价廉的重晶石为主要原料制备钡源, 利用价廉的重晶石为主要原料制备钡源,有效地 克服了传统方法因采用有机钡盐或有机钛而导致 的生产成本过高的缺点: 研究结果表明, 的生产成本过高的缺点: 研究结果表明, 该方法 可制备出高纯钛酸钡粉体, 可制备出高纯钛酸钡粉体,制备过程中三废排放 物中基本不含有害物质, 物中基本不含有害物质, 并可从母液中回收质量 较高的副产品硝酸铵, 具有产品质量高, 较高的副产品硝酸铵, 具有产品质量高,原料来 源广泛、价格低廉、 工艺环保、 节能等特点. 源广泛、价格低廉、 工艺环保、 节能等特点.
溶胶凝胶法制备陶瓷粉体PPT演示文稿
－凝胶法的重要步骤，由多孔疏松凝胶转变成致密 玻璃至少有4个历程：毛孔收缩，缩合－聚合，结构
弛豫和粘滞烧结。近年来，人们通过各种表征手段
也研究了凝胶向材料转变过程中热力学和动力学行 为以及结构变化
4应用
• 由于溶胶－凝胶技术在控制产品的成分
及均匀性方面具有独特的优越性，近年来 已用该技术制成LiTaO2、LiNbO2、PbTiO3 、Pb(ZrTi)O3、BaTiO3等各种电子陶瓷材 料。特别是制备出形状各异的超导薄膜、 高温超导纤维等。
3.4 凝胶的干燥
• 湿凝胶干燥时，表观上表现为收缩、硬固 ，产生应力，最后可能导致凝胶开裂。这 是因为湿凝胶中包裹着大量水分，有机基 团和有机溶剂。同时在干凝胶中留下大量 开口和闭口气孔，这些孔将影响以后的烧 结。使凝胶开裂的应力主要来自于凝胶骨 架空隙中液体的表面张力所引起的毛细管 力，它使凝胶颗粒重排，体积收缩。
• 在光学方面该技术已被用于制备各种光学 膜，如高反射膜、减反射膜等和光导纤维
、折射率梯度材料，有机染料掺杂型非线
形光学材料等以及波导光栅、稀土发光材 料等。
在热学方面该技术制备的SiO2-TiO2玻璃 非常均，热膨胀系数很小，化学稳定性 也很好；已制成的InO3-SnO(ITO)大面积透 明导电薄膜具有很好的热镜性能；制成的 SiO2气凝胶具有超绝热性能等特点。
2.1水解反应
• 金属盐在水中的性质受金属离子半径，电负性
，配位数等因素影响，如Si、Al盐，它们溶解于 纯水中常电离出Mn+，并溶剂化[3]。水解反应平 衡关系随溶液的酸度，相应的电荷转移量等条件 的不同而不同。有时电离析出的Mn+又可以形成 氢氧桥键合。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
醋酸钡255.21、钛酸丁酯340.3
实验二溶胶－凝胶法制备纳米钛酸钡陶瓷粉体
一、实验目的
1、了解溶胶－凝胶制备纳米粉体的方法
2、制备纳米钛酸钡陶瓷粉体
二、实验背景和原理
1. 实验背景
钛酸钡(BaTiO
)具有良好的介电性，是电子陶瓷领域应用最广的材料之一。
传
3
制备方法是固相合成，这种方法生成的粉末颗粒粗且硬，不能满足高统的BaTiO
3
科技应用的要求。
现代科技要求陶瓷粉体具有高纯、超细、粒径分布窄等特性，与粗晶材料相比在物理和机械性能方面有极大的差别：熔点降低，烧结温度降低、荧光谱峰向低波长移动、铁电和铁磁性能消失、电导增强等。
溶液化学法是制备超细粉体的一种重要方法，其中以溶胶－凝胶法最为常用。
2. 溶胶－凝胶法合成BaTiO3纳米粉体的基本原理
溶胶—凝胶(简称Sol—Gel)法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的。
其反应过程通常用下列方程式表示：
（1）水解反应：
M(OR)4 + χ H2O = M(OR)4- χ OH χ + χ ROH
（2）缩合-聚合反应：
失水缩合－M-OH + OH-M－＝－M-O-M－＋H2O
失醇缩合－M-OR + OH-M－＝－M-O-M－＋ROH
缩合产物不断发生水解、缩聚反应，溶液的粘度不断增加。
最终形成凝胶——含金属—氧—金属键网络结构的无机聚合物。
正是由于金属—氧—金属键的形成，使Sol—Gel法能在低温下合成材料。
Sol—Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝胶。
本次实验使用的钛酸丁酯(亦称丁醇钛)是一种非常活泼的醇盐，遇水会发生剧烈的水解反应。
在Sol—Gel工艺中，让溶液系统暴露在空气中从空气中吸收水分，使水解反应不充分(或不完全)，其反应式可表示为
Ti(OR)4 + χ H2O = Ti(OR)4- χ OH χ + χ ROH （1）
式中,R=C
4H
9
为丁烷基，RO或OR为丁烷氧基。
未完全水解反应的生成物
Ti(R)
4-χ
(OH)χ中的(OH)-极易与丁烷基(R)或乙羰基(R´=CH3CO)结合,生成丁醇或乙酸,而使金属有机基团通过桥氧聚合成有机大分子。
如本实验可能发生典型的聚合反应的结构反应式为
R′-O-Ba-O-R
Ti OH+Ti O Ba O R'+ R'OH
（2）
或
Ti OR Ti OH
+Ti O Ti+ ROH
（3）实验中的水解及聚合反应在缓慢吸收空气中水分的过程中不断地进行着，实际
上是金属有机化合物经过脱酸脱醇反应，金属Ti4+和Ba2+通过桥氧键聚合成了有机大分子团链，随着这种分子团链聚合度的增大，溶液粘度增加，溶胶特征明显，经过一定时间就会变成半固体透明的凝胶。
凝胶经过烘干，煅烧得到钛酸钡粉末。
三、主要仪器与药品
仪器：烧杯，机械搅拌、烘箱；
药品：醋酸钡，乙酸，钛酸丁酯，无水乙醇。
四、实验步骤
1.称取醋酸钡0.02mol (5g)，量取36％的乙酸20ml，倒入烧杯中，搅拌使醋
酸钡完全溶解。
2.称取钛酸丁酯0.02mol (6.8g), 量取无水乙醇10ml，倒入锥形瓶中, 摇匀。
3.将上述两种溶液迅速混合，快速搅拌，溶液澄清后减慢搅拌速度，继续搅拌
2小时，停止搅拌，此时已经形成透明溶胶，使透明溶胶在空气中静置3－4小时，得到透明凝胶。
4.将凝胶取出，置于干燥皿中，在120°C下烘干。
得到干凝胶，研磨得到淡
黄色粉末。
5.将粉末置于坩锅中，在800°C下煅烧4小时，得到纳米钛酸钡陶瓷粉末。
6.有条件的话用X－射线衍射分析钛酸钡粉末晶相及粒度。
五、思考题
1、控制水解－缩聚条件有那些途径？
加水量（速度）、搅拌速度和水浴温度、溶液ph
2、溶胶-凝胶法的优缺点？
答：（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。
（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。
（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度。
（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。
（剪裁？）
但溶胶一凝胶法也存在某些问题：（1）原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；（2）通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周：（3）凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。