基础化学综合实验报告
实验题目:纤维素阳离子改性剂的合成及应用
姓名:刘京
学号:0103070502
班级:食科0705
专业:食品学院 食品科学与工程
指导老师:刘士荣
同组同学:罗洁,刘晨,杨天一
实验地点:江南大学化工楼 B513
实验时间:2009/6/23----2009/6/26
一.实验背景
纤维素中的羟基在水中能部分电离,使纤维素带负电荷,当用活性、直接等阴离子染料对其进行染色时,由于染料与纤维素带相同电荷,存在一定的排斥力,这样染料不易与纤维素结合,为此,用这些染料对纤维素染色时,染料的利用率不高,这样不仅增加染料的消耗,还会加重环境污染.将纤维素接枝阳离子基团,使纤维素带正电荷,这样无疑能提高染料的上染率. 而且至今在这方面已取得相当可观的成果,资料显示,对纤维素纤维阳离子改性剂聚环氧氯丙烷胺化物(简称PECH-amine)的制备、特性及改性棉的上染率进行研究,结果显示用此改性剂改性纤维素纤维,使染色废水中基本无盐、无染料的清洁染色成为可能。本实验即致力于探究纤维素阳离子改性剂对上染率的影响。
二.实验目的
a) 了解阳离子改性剂的合成方法;
b) 了解阳离子改性剂与纤维素作用的原理及改性方法;
c) 了解纤维素织物的染色性能的测定方法;
d) 掌握电位滴定法测定叔胺含量的方法;
e) 掌握用分光光度法测织物的上染率.
f) 文献的查阅及实验原理的了解;
g) 基本操作的熟练性、基本技能的掌握情况和实验数据的可信性;
h) 实事求是的科学态度,分析问题和解决问题的能力。
三.实验原理
1. 用基准物碳酸钠来标定配制的HCl溶液,用甲基橙作指示剂. NaCO3+2HCl=2NaCl+CO2+H2O
甲基橙变色范围 PH<3.1 红色
3.1<PH<4.4 橙色
PH>4.4 黄色
2.总胺的测定:
胺与盐酸中和,是溶液PH值发生变化,用酸度计测定溶液PH值,做出PH(mv)~V图,求出滴定终点,即可计算出总胺的含量(mol/g)
3. 十二烷基二甲基胺含量的测定:
在胺中加入酰基化试剂后,伯胺,仲胺发生酰基化反应,生成酰胺,叔胺不发生变化。用盐酸滴定,发生中和反应,即可测定出叔胺的含量(mol/g)
4.改性剂的合成
5.叔胺转化率的测定(用两相逆滴定法测出其表面活性剂的含量)
溴甲酚绿是阴离子染料,在碱性氯仿—异丙醇-水两相体系中,加入阳离子表面活性剂样品,再加入过量的阴离子表面活性剂溶液,此时水相中有阴离子表面活性剂和溴甲酚绿染料。用阳离子标准溶液滴定时,水相中阴离子表面活性剂浓度逐渐降低,达到终点时,阳离子表面活性剂与溴甲酚绿形成络合物,蓝色开始转移到油相中,此时油相和水相中蓝色相同。
6. 染色工艺
80℃
40min
10min
50℃ 50℃(取出)
45min
入染* 加NaCO310g/L
*未改性织物入染时需加NaCl 20g/L.
7.分光光度计使用原理
分光光度计采用一个可以产生多个波长的光源,通过系列分光装置,从而产生特定波长的光源,光源透过测试的样品后,部分光源被吸收,计算样品的吸光值,从而转化成样品的浓度。样品的吸光值与样品的浓度成正比。
四.实验内容
1.叔胺含量的测定
(1)配制0.2mol/L盐酸(异丙醇—乙二醇 1:1)标准液溶液250ml。
(2)用基准物碳酸钠来标定配制的HCl溶液,用甲基橙作指示剂.
(3)总胺的测定:
称取1.0~1.1g+二烷基二甲基叔胺,加50ml异丙醇溶解,在磁力搅拌器上搅拌均匀,在搅拌状态下,滴加0.2mol/L的盐酸异丙醇—乙二醇标准溶液,并用酸度计测定溶液的pH值(或电势mV值)与HCl加入量(Vml)的关系,作pH(mV)~V图,求出滴定终点,计算出总胺的含量(mol/g)。
(4)十二烷基二甲基胺含量的测定:
称取1.0~1.1g融化的+二烷基二甲基叔胺样品(称准至0.1mg)于100ml烧杯中,慢慢加入10ml乙酸酐(如样品有固体出现,则需要在温和的电炉上加热融化),摇匀后在室温下放置15min。然后加入50ml异丙醇溶液,放入搅拌磁子,插入电极,开启磁力搅拌器,用盐酸异丙醇—乙二醇溶液进行电位滴定,绘制滴定曲线。计算出叔胺的含量(mol/g)。
1. 改性剂的合成
取15g十二烷基二甲基胺于三口瓶中,加入45ml异丙醇,摇匀,滴加浓HCl至溶液pH=7,然后再加环氧氯丙烷(总胺:环氧氯丙烷=1.0:1.1mol比),摇匀,在三口瓶上装上冷凝管和温度计,并将三口瓶放在水浴中加热,使反应液温度在80~90℃,反应3h,冷却出料,得到改性剂。
2. 叔胺转化率的测定
称取一定量的合成的改性剂,用溴甲酚绿指示剂两相逆滴定法测出其表面活性剂的含量(mol/g)。测定方法如下:
(a) 仪器和试剂
150ml具塞量筒;500ml容量瓶;25ml移液管;氯仿;异丙醇;十二烷基硫酸钠;氯化钠;Na3PO4.12H2O;Na2HPO4.2H2O;溴甲酚绿。
0.004mol/L 纯度为81%的十二烷基硫酸钠标准液:称取1.14—1.16g+二烷基硫酸钠于250ml水中溶解,稀释至1000ml。
溴甲酚绿溶液:溶解约50mg溴甲酚绿染料于10ml异丙醇中;溶解50g氯化钠、20gNa3PO4.12H2O、20g Na2HPO4.2H2O于800ml水中,将两液混合,用水稀释至1000ml。
(b)测定操作
1>、称取约1g样品(纯阳离子表面活性剂,称准至0.0001g)于容量瓶中,加水溶解,定容至250ml作为试验溶液。
2>、吸取10.00ml试验液于150ml具塞量筒中,加入25ml溴甲酚绿溶液、25ml氯仿—异丙醇(2:1),再准确加入0.004mol/L十二烷基硫酸钠溶液25.00ml,强烈振荡
3>、用0.004mol/L阳离子标准液滴定。在滴定开始时,每次加2ml,强烈振荡混合后静置分层,等分层速度加快,即每次减少滴定量,快近终点时,每次加1滴,振荡,静止分层后,在白色背点下观察两层颜色,当两层颜色相同时即为终点。
3. 纤维素织物的阳离子改性
(1)改性剂的配制
准备四只400ml大烧杯,编号1、2、3、4,在三个烧杯中各加入2.5g NaOH,然后加水溶解,在1、2、3号烧杯中分别加入改性剂3ml、6ml、9ml, 最后加水至150ml,同时在第四只烧杯中加入150ml水。
(2)改性方法:
取四块约5g重的织物分别浸入上述改性液中,搅拌,加热至70~80℃,保温1h,在此期间经常搅拌,然后取出,用水冲洗后,浸入2g/L的HAc溶液中,搅拌3~5min,取出,水冲洗,挤干。
4. 织物的染色及上染率的测定
(1)染色工艺
80℃
40min
10min
50℃ 50℃(取出)
45min
入染* 加NaCO310g/L
*未改性织物入染时需加NaCl 20g/L.
(2)方法
a. 染料溶液的配制:准确称取1.3g染料,加水溶解,稀释至500ml.
b. 染液吸光度的测定:取5.00ml上述染液稀释100倍,测出其吸光度A1.
c. 染色:在四个烧杯中分别加入25.00ml染液和125ml水,搅拌均匀,将四块织物(其中一块为未改性织物)放入染杯中,按染色工艺染色,染色过程中要不时的搅拌.染色结束后,取出织物用少量的水洗涤,洗涤后的水与染液合并,稀释至500.00ml,酌情稀释后测出其吸光度A2..
d. 上染率的计算:
上染率=(1-A2×(染液稀释倍数)/(A1×染料原液稀释倍数))×100%
五.数据处理
1. 叔胺含量的测定
(1)配制0.2mol/L盐酸(异丙醇—乙二醇 1:1)标准液溶液250ml。
由cv=pvw/M ρHCl =1.18g/ml, M=36.5g/mol
得0.2×250×10-3=1.18×VHCl /36.5
v(HCl)=4.30ml
异丙醇—乙二醇( 1:1)则v(异丙醇)=v(乙二醇)=123ml
2)用基准物碳酸钠来标定配制的HCl溶液,用甲基橙作指示剂.
(3)总胺的测定:
称量十二烷基二甲基叔胺:m1=1.05g
作出pH(mV)~V图(见作图纸),求出滴定终点,计算出总胺的含量(mol/g)
n胺=nHCl
即: b1m1= CHClV1
所以有:
b1=CHClV1/m1=0.2044×23.85/1.05=4.6428mmol/g
故:+二烷基二甲基叔胺中总胺的含量为:b1=4.6428mmol/g
(4)十二烷基二甲基胺含量的测定:
称量十二烷基二甲基叔胺:m2=1.01g
作出pH(mV)~V图(见作图纸),求出滴定终点,计算出叔胺的含量(mol/g)
n胺=nHCl 即: b2m2= CHClV2
所以有:
b2=CHClV2/m2=0.2044×23.39/1.01=4.7336mmol/g
故:+二烷基二甲基叔胺中总胺的含量为:b2=4.7336mmol/g
2.改性剂的合成
称取十二烷基二甲基胺:m胺=14.99g ,M胺=213g/mol
n胺= m胺 / M胺 =14.99g/213g/mol=0.0704mol
M烷=92.5g/mol
m烷= n胺×1.1×M烷=0.0704×1.1×92.5=7.16g
又知:环氧氯丙烷密度: ρ=1.180-1.188g/mol
可估算约用环氧氯丙烷: V≈6.05ml
实际量取环氧氯丙烷6.07ml,异丙醇45ml
调节混合液:PH≈7,经计算知需盐酸体积为:VHCl≈6.28ml
反应后改性剂产物共有:m产物 =60.17g
3.叔胺转化率的测定
1>、配制十二烷基硫酸钠标准溶液,由:
0.004mol/L×250×10-3L=81.5% m称/288.38
得: m称=0.3538g
2>、配制溴甲酚溶液(粗配),
称取产物样品: m样=1.0042g 并定容至250ml
3>、滴定
已知: C胺=0.004mol/L , V胺=250ml
4>、叔胺转化率的计算
设1g该样品中含有改性剂n,有:
c(烷)v(烷)=c(改性剂)v(改性剂) n=c(改性剂)×250ml
所以V平均/250 ×n=0.004mol/L×250×10-3L
得: n=8.61×10-4 mol/g
则m产物 =60.17g中共有改性剂:
N共= n/1.0042×m产物=8.61×10-4 mol/g/1.0042×60.17g=0.052mol
即参与反应的叔胺:n反应= n共=0.052mol
所称14.99g反应物中共有叔胺:
n总=14.99g×4.73×10-3mol/g=0.071mol
所以叔胺的转化率为:
α= n反应/n总=0.052mol/0.071mol=73.24%
纤维素织物的阳离子改性及上染率的测定
染液稀释倍数:20×3=60 染料原液稀释倍数:100
由公式:
上染率=(1-A2×(染液稀释倍数)/(A1×染料原液稀释倍数))×100%
易得:
5>、评价
实验结果显示,改性剂起到了提高染料上染率的作用,而且在我们的实验范围内,改性剂越多,上染效果越好,颜色越深。由于时间有限,我们不能做出更多的数据,所以我们只能得出结论,在一定范围内,上染率随改性剂的增多而提高。
六.实验心得
1.由于实验误差,我们的实验结果叔胺成分大于总胺,可能由于仪器误差导致,故我们应注意保护仪器。
2.我们的实验结果取得了较高的叔胺转化率和上染率,是我们四天来辛勤努力的成果。在试验中,我们一直遵循严谨的实验态度,认真做好每一步。
3. 做综合实验之前,应该充分查阅相关资料,提前设计实验思路,做好实验安排计划,否则会造成实验过程中步骤混乱,浪费时间、精力和材料。
4. 在实验中一定要一丝不苟,及时思考随时记录,如果有问题应及时跟同学讨论,还不能解决,应及时向老师请教。问题留到明天只能积攒更多的问题而得不到解决。
5.实验教学可以激发我们学习化学的兴趣,帮助形成化学概念,获得化学知识和实验技能,培养观察和实验能力,还有助于培养实事求是,严肃认真的科学态度和科学的学习方法。激发了学习兴趣。培养了我们分析问题、观察问题和解决问题的能力。同时,通过一段时间的实验,我们已经能基本掌握常见化学仪器的使用方法。实验操作逐渐规范,动手能力大大加强。
应用化学综合实验(3)
《稀土超长余辉材料及夜光涂料的制备》
实验学时:12
指导教师:田一光
实验目的:
1、掌握高温固相法合成发光材料的基本方法,熟悉X射线多晶衍射法物相分析技术,学习荧光性能测试的基本操作。
2、学习涂料配制原理和涂膜技术。
3、学习实践科学发展观,提高节能减排意识。培养综合运用知识进行科学研究的能力。
实验原理:
夜光涂料是一种蓄能型自发光材料。它能吸收并储存自然光或灯光等光能,当光照停止后,在黑暗处将吸收的能量以可见光的形式缓慢释放出来,形成夜光。发光颜色有多种,以绿色为最佳。这种功能性光致发光涂料,用途十分广泛。光致发光涂料过去使用硫化物类发光材料,如ZnS和CaS等荧光体,其发光时间很短,只有十几分钟,加入少量Co, Pm后,虽可延长发光时间,提高亮度,但这些物质具有放射性,对人体健康有害。
发光材料的选择。长余辉发光材料主要有碱土铝酸盐系列,碱土硅酸盐系列,碱土硅铝酸盐系列,硫化物或硫氧化物系列等。发光颜色有蓝色、蓝紫色、蓝绿色、黄绿色、红色、橙色等,而人的视觉对黄绿光较敏感。在发光涂料中,起关键性作用的是发光材料,主要考虑发光材料的颜色、发光色、发光亮度、粒径及耐候性等。日前,市售发光粉还存在一些问题:有的稳定性较差,有的发光亮度低,有的余辉较短,有的粒径较粗等。将SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+用作涂料的发光组分,其发光颜色为黄绿色,发光余辉时间长,发光亮度高,耐候性好,粒度较细,具有较好的综合性能。
成膜物的选择。作为发光涂料,选用的成膜物必须具备以下条件:成膜物与发光粉的匹配性能要好,发光粉在成膜物中能均匀地分散;成膜物透明性好,杂质含量低,不带其他色调,透明的成膜物能更好地显示发光效果;成膜物的各项指标如附着性、耐磨性、耐水性、尤其是抗老化性能要符合实际应用需要。
本实验以铝酸锶为基质,掺杂少量稀土元素Eu和Dy,制备一种发光性能优良的超长余辉高亮度发光材料,其发光时间和发光强度有明显提高,余辉时间长达16 h以上,使用寿命长达10年以上。
以苯丙乳液为成膜物,以发黄绿色光的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+荧光粉为发光组分,加入适当的助剂配制成浆料,经涂膜制成超长余辉夜光涂料。
实验仪器:
主要仪器:D8 Advance X射线粉末衍射仪;三用紫外线分析仪;Thermo Bowman–2型分光光度计等。
主要设备和用品:玛瑙研钵;刚玉坩埚(大、小);玻璃烧杯;量筒;玻璃板;马口铁皮;医用脱脂棉;分析天平;高温固相反应炉;分样筛(325目);电动搅拌机等。
实验试剂:
主要试剂:SrCO3(AR),Al(OH)3(AR),Eu2O3(4N),Dy2O3(4N), H3BO3(AR),活性炭(AR),95%乙醇(AR),去离子水;苯丙乳液(BC-O1,工业),各种助剂(CP)等。
实验步骤:
1、查阅国内外相关文献、专业书籍和网络文章
了解荧光材料和夜光涂料的基本知识,重点了解固态反应法合成发光材料、涂料制备和成膜工艺、X射线多晶物相分析方法等知识专业知识。
2、发光材料的制备
将原料SrCO3,Al(OH)3,H3BO3,Eu2O3和Dy2O3粉体按组成为Sr0.9Al2O4∶Eu0.05,Dy0.05,B0.03,得产物2g计算原料用量,用分析天平定量称取各试剂,在玛瑙研钵中加入少量乙醇充分研磨混合均匀,然后移入小刚玉坩埚,在大刚玉坩埚中放入1/2体积的活性炭,将小坩埚(无盖)置于大坩埚中(加盖,留缝隙),在1350℃恒温4 h。冷却后取出坩埚,在紫外灯下观察产物得荧光现象并初步评估性能。发光良好试样经粉碎、过筛,即得黄绿色SrAl2O4∶Eu, Dy超长余辉光致发光粉体。
3、发光材料的性能研究
①用X射线粉末衍射仪对试样进行物相分析,得出物相组成并分析原因。
②用荧光分光光度计进行激发光谱与发射光谱的测试。对于该发光粉,激发光谱主峰应位于320和360 nm处,激发波长的范围较宽,属于4f-5d宽带激发跃迁谱,从紫外到可见光区均可激发该发光粉体。发射光谱主峰应位于520 nm处。
③将SrAl2O4∶Eu, Dy发光粉在紫外灯照射3 min,然后移去激发光源,黑暗中观察亮度变化。用荧光分光光度计测量其在停止激发光照射后10 min内的发光余辉时间并绘制余辉衰减曲线。
4、夜光涂料的制备
实验可选用BC-01苯丙乳液。苯丙乳液是苯乙烯、丙烯酸酷类、丙烯酸二元共聚物的简称,通常为乳白色带蓝光的粘稠液体。苯丙乳液作为涂料成膜物,透光性好,并有优良的附着力、耐水性、耐磨性和抗老化性能,而且无毒、无环境污染,符合环保要求。
配方的确定。在成膜物确定后,还应考虑涂料的流平性、施工性和贮存稳定性。必须选择适当的助剂,如对发光粉起分散润湿作用的润湿分散剂,使涂料在较低温度下良好成膜的成膜助剂,降低涂料表而张力的消泡剂,防止涂料贮存变质、杀灭霉菌的防霉剂,改变涂料流平性的增稠剂,以及改变涂料酸、碱度的pH调节剂等。综合考虑发光特性、物理机械性能、成本等,建议涂料配方(一、二)如下:
表1 基础配方(一)
表2 基础配方(二)
注:丙烯酸乳液为无色透明自交联型
2.3涂料的配制
(一)
将去离子水先放入高速搅拌机中,在低速搅拌的情况下加入分散剂和部分消泡剂,混合均匀后,将发光粉慢慢倒入叶轮搅起的旋涡中,加完发光粉后,提高搅拌速度,加入增稠剂、成膜助剂、防霉剂,搅拌25-30 min,分散均匀后,在低速搅拌下慢慢加入苯丙乳液、剩余的消泡剂、pH调节剂,使pH值达8-9,然后再加入水或增稠剂来调节粘度,过筛后出料,应为均匀、无结块的黄绿色透明液体。
将夜光涂料液体均匀地涂在玻璃板或马口铁皮上,干燥后测试。
(二)
将去离子水加入到烧杯内,中速搅拌下加入分散剂、润湿剂、多功能助剂、部分消泡剂、成膜助剂,搅拌混合5 min后加入发光粉,高速分散30~40 min,使细度不大于20μm。
将无色透明自交联丙烯酸乳液加入另一烧杯中,中速搅拌下慢慢加入已经分散均匀的颜料浆。搅拌混合20~30 min,然后变低速搅拌,加入余量的消泡剂、增稠剂、流平剂,调整好黏度(涂-4杯,100 s左右)。将浆料用玻璃棒涂敷在马口铁皮或玻璃片上。静止待干。
工艺说明:在本配方中,颜料浆内的成膜助剂含量较高,如果按常规生产工艺操作:将乳液往颜料浆中加入,往往在搅拌均匀前,局部过量的成膜助剂会使乳胶粒子迅速聚结而破乳,轻者影响涂膜性能,重者可导致涂料报废。
5、夜光涂料的性能指标
在暗室中经日光灯照射10min后,撤除光源,观察其发光亮度和余辉时间。
此夜光涂料的参考性能指标如下:
该涂料属于水溶性发光涂料,具有透明度高,光泽好,附着力强,发光强度高,持续时间长等特点;并目_还具有良好的美化装饰作用及夜间显示等特殊功能。
讨论与思考:
1、试解释超长余辉发光材料的发光机制。
2、影响发光材料性能的主要因素有哪些?如何保证和提高其性能?
3、发光材料的制备方法有哪些?试评价各自的利与弊。
4、对影响涂料性能的主要因素进行探讨。
5、与一般涂料制备相比,发光涂料的制备有哪些特殊性?
6、仅就本实验而言,如何将物质的结构与性能相关联?
学时安排:
查阅国内外文献并拟出实验详细方案(课外完成);发光材料制备5学时;发光材料的性能研究3学时;夜光涂料的制备4学时;实验报告(课外完成)。
参考资料:
[1]徐光宪. 稀土[M]. 北京: 冶金工业出版社,1995. 132
[2]陈一诚,陈登铭,詹益松.“杂质的添加对SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+余辉发光特性的改善”,中国稀土学报,2001,l19(6):502-506
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