专利名称：一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方法
技术领域：
本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方法。
背景技术：
水泥熟料主要是由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等矿物组成的固溶体。虽然铁铝酸四钙在这四种矿物中所占比例较小，但是在煅烧熟料的过程中，它能降低熟料的熔融温度和熔化成液体(在煅烧熟料过程中所出现的液体，统称为液相)的粘度，有利于硅酸三钙的生成。铁铝酸四钙作为硅酸盐水泥熟料的重要组成部分，其含量一般为109Γ18%(质量分数)，其水化速度在早期介于铝酸三钙与硅酸三钙之间，虽早期强度类似于铝酸三钙，但后期还能不断增长，类似于硅酸三钙。铁铝酸四钙的水化热较铝酸三钙低，且抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好，因此在制造抗硫酸盐水泥或大体积工程用水泥时，适当提高铁铝酸四钙含量是有利的。铁铝酸四钙矿物的水化、凝结和硬化等行为，以及其在不同条件下所形成的水化产物微结构的差异，将对水泥基材料的使用性能产生重要影响。因此，在实验室条件下合成高纯度的铁铝酸四钙并研究其水化以及水化产物凝胶微结构的形成过程，对于利用现代分析方法从纳米尺度揭示水泥基材料的本构关系是必要的。传统的铁铝酸四钙单矿物的合成是用固相合成法，即将一定化学计量比的各种氧化物粉磨并混合均匀，并在高温下煅烧而成。根据相关资料，用固相合成发合成铁铝酸四钙需要经过至少3次(每次6h)1320°C的高温煅烧。用固相法，由于原料均为固态粉末状混合，可能导致反应物混合不均匀，在煅烧过程中例子扩散困难，烧成温度高、时间长、能耗大，并且产物纯度不高。近年来，随着各种化学合成制备方法的发展，带来了水泥熟料合成方法的革命。溶胶-凝胶方法是材料制备的重要方法，其在制备纳米材料、薄膜、涂层材料、功能材料和纤维材料等领域有广泛的应用。该方法利用液体化学试剂(或粉末溶于溶剂)为原料(高化学活性的含材料成分的化学物前驱体)，在液相下将这些原料均匀混合，并进行一系列的水解、缩合的化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶液体系；溶胶经过陈化，胶粒间缓慢聚合，形成以前驱体为骨架的三维聚合物或者是颗粒空间网络，网络中充满失去流动性的溶齐U，这就是凝胶；凝胶在经过干燥，脱去其间溶剂而形成一种多孔结构的干凝胶或气凝胶；最后，经过烧结固化制备所需材料。溶胶-凝胶方法反应过程易于控制，化学计量准确，产物的纯度很高。该方法的应用不但节省资源，而且对能源消耗少，同时在治理环境污染方面也将发挥重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服传统合成铁铝酸四钙单矿物中存在的问题，提供一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方法。
本发明提出的一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方法，具体步骤如下
(1)按质量比精确称取Ca(NO3)2 ·4Η20、Α1 (NO3)3 AH2CKFe(NO3)3 ·9Η20、一水合柠檬酸、乙二醇和水；
(2)反应物溶解在磁力搅拌机上，以5(T60°C加热，将Ca(NO3)2·4Η20、Α1 (NO3)3 ·9Η20、Fe (NO3)3 · 9Η20分别加入水中，加热搅拌2(T30min至完全溶解，将三种溶液混合后备用；
(3)金属阳离子的螯合将一水合柠檬酸颗粒加入到步骤(2)制得的三种溶液的混合体中，加热搅拌4(T50min得到清澈的淡黄色溶液；
(4)酯化反应将乙二醇加入到淡黄色硝酸盐-柠檬酸螯合物溶液中，发生酯化反应，在5(T60°C温度下反应3(T40min ；
(5)陈化将磁力搅拌机温度调节至8(T85°C，陈化4 6h，得到粘性湿凝胶；
(6)干燥把湿凝胶放在温度为150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝胶，粉磨后得到干凝胶粉末并储存在干燥器中；
(7)煅烧将所得到的干凝胶粉末，直接放在1000°C高温炉中煅烧3 5h制得铁铝酸四钙。其中各组分的重量比为
Ca (NO3) 2 · 4H20100
Al (NO3) 3 · 9H2079. 4
Fe (NO3) 3 · 9H2085. 6
一水合柠檬酸178. O
乙二醇105. Γ210. 2
水600 1000。本发明中，所用Ca (NO3) 2 · 4H20、Al (NO3) 3 · 9H20、Fe (NO3) 3 · 9H20 和乙二醇均为市售的化学分析纯试剂。本发明中，所用一水合柠檬酸为市售的优级纯试剂，其为白色固体颗粒。本发明中，所用水为去离子水。本发明中，用溶胶-凝胶法来合成水泥单矿物铁铝酸四钙，其制备过程简单且易于控制，反应物前驱物在溶液中以原子水平混合均匀，克服了传统固相合成法煅烧温度高、煅烧次数多以及产物纯度不高等缺点。采用本发明方法所合成的铁铝酸四钙矿物，经X射线衍射分析，发现铁铝酸四钙的特征峰非常明显，峰值强度高。
图I为铁铝酸四钙X射线衍射图谱。
具体实施例方式下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明。实施例1，一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方法，其原料的重量比为Ca (NO3) 2 · 4H20 100、A1 (NO3)3 ·9Η20 79. 4、Fe (NO3) 3 · 9Η20 85. 6、一水合柠檬酸 178. O、乙二醇105. I和水600。采用如下合成方法在磁力搅拌机上，以501加热，将0&(勵3)2 ·4Η20、Al (NO3)3 · 9H20、Fe (NO3)3 · 9H20分别加入水中，加热搅拌30min至完全溶解；将白色一水合柠檬酸颗粒加入到三种硝酸盐溶液的混合体中，加热搅拌50min得到清澈的淡黄色溶液；将乙二醇加入到淡黄色硝酸盐-柠檬酸螯合物溶液中，发生酯化反应，在50°C温度下反应40min ;将磁力搅拌机温度调节至80°C，陈化6h，得到粘性湿凝胶；把湿凝胶放在温度为150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝胶，粉磨后得到干凝胶粉末并储存在干燥器中；将所得到的干凝胶粉末，直接放在1000°C高温炉中煅烧3h制得铁铝酸四钙。所得产物的X射线衍射谱图的衍射峰与铁铝酸四钙标准卡片匹配良好，证明产物纯度较高。实施例2，一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方 法，其原料的重量比为Ca (NO3) 2 · 4H20 100、A1 (NO3)3 ·9Η20 79. 4、Fe (NO3) 3 · 9Η20 85. 6、一水合柠檬酸 178. O、乙二醇160和水800。采用如下合成方法在磁力搅拌机上，以55°C加热，将Ca(NO3)2 · 4H20、Al (NO3) 3 · 9H20、Fe (NO3) 3 · 9H20分别加入水中，加热搅拌25min至完全溶解；将白色一水合柠檬酸颗粒加入到三种硝酸盐溶液的混合体中，加热搅拌45min得到清澈的淡黄色溶液；将乙二醇加入到淡黄色硝酸盐-柠檬酸螯合物溶液中，发生酯化反应，在55°C温度下反应35min ;将磁力搅拌机温度调节至83°C，陈化5h，得到粘性湿凝胶；把湿凝胶放在温度为150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝胶，粉磨后得到干凝胶粉末并储存在干燥器中；将所得到的干凝胶粉末，直接放在1000°C高温炉中煅烧4h制得铁铝酸四钙。所得产物的X射线衍射谱图的衍射峰与铁铝酸四钙标准卡片匹配良好，证明产物纯度较高。实施例3，一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方法，其原料的重量比为Ca (NO3) 2 · 4H20 100、Al(NO3)3 · 9H20 79. 4、Fe (NO3) 3 · 9H20 85. 6、一水合柠檬酸 178. O、乙二醇210. 2和水 1000。采用如下合成方法在磁力搅拌机上，以60°C加热，将Ca(NO3)2 · 4H20、Al (NO3)3 · 9H20、Fe (NO3) 3 · 9H20 分别加入水中，加热搅拌 20min 至完全溶解；将白色一水合柠檬酸颗粒加入到三种硝酸盐溶液的混合体中，加热搅拌40min得到清澈的淡黄色溶液；将乙二醇加入到淡黄色硝酸盐-柠檬酸螯合物溶液中，发生酯化反应，在60°C温度下反应30min ;将磁力搅拌机温度调节至85°C，陈化4h，得到粘性湿凝胶；把湿凝胶放在温度为150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝胶，粉磨后得到干凝胶粉末并储存在干燥器中；将所得到的干凝胶粉末，直接放在1000°C高温炉中煅烧5h制得铁铝酸四钙。所得产物的X射线衍射谱图的衍射峰与铁铝酸四钙标准卡片匹配良好，证明产物纯度较高。
权利要求
1.一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方法，其特征在于具体步骤如下 (1)按质量比精确称取Ca(NO3)2 ·4Η20、Α1 (NO3)3 AH2CKFe(NO3)3 ·9Η20、一水合柠檬酸、乙二醇和水； (2)反应物溶解在磁力搅拌机上，以5(T60°C加热，将Ca(NO3)2·4Η20、Α1 (NO3)3 ·9Η20、Fe (NO3)3 · 9Η20分别加入水中，加热搅拌2(T30min至完全溶解，将三种溶液混合后备用； (3)金属阳离子的螯合将一水合柠檬酸颗粒加入到步骤(2)制得的三种溶液的混合体中，加热搅拌4(T50min得到清澈的淡黄色溶液； (4)酯化反应将乙二醇加入到淡黄色硝酸盐-柠檬酸螯合物溶液中，发生酯化反应，在5(T60°C温度下反应3(T40min ； (5)陈化将磁力搅拌机温度调节至8(T85°C，陈化4 6h，得到粘性湿凝胶； (6)干燥把湿凝胶放在温度为150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝胶，粉磨后得到干凝胶粉末并储存在干燥器中； (7)煅烧将所得到的干凝胶粉末，直接放在1000°C高温炉中煅烧3 5h制得铁铝酸四钙； 其中各组分的重量比为 Ca (NO3) 2 · 4H20100 Al (NO3) 3 · 9H2079. 4 Fe (NO3) 3 · 9H2085. 6一水合柠檬酸178. O乙二醇105. Γ210. 2水600 1000。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所用Ca(NO3)2· 4H20、Al(NO3)3 · 9H20、Fe (NO3)3 · 9H20和乙二醇均为化学分析纯试剂。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所用一水合柠檬酸为优级纯试剂，其为白色固体颗粒。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所用水为去离子水。
全文摘要
本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种用溶胶-凝胶法合成铁铝酸四钙的方法。本合成方法中用到的原料有四水硝酸钙、九水硝酸铝、九水硝酸铁、一水合柠檬酸、乙二醇和水。具体合成步骤为，将一定化学计量比的三种无机盐溶解在去离子水中并混合均匀，加入柠檬酸制得淡黄色的金属-柠檬酸螯合物溶液，然后加入乙二醇发生酯化反应，将所得溶胶在80度充分搅拌下陈化得到粘性湿凝胶，继续在150℃温度下干燥24小时得到干凝胶，将所得干凝胶粉磨、煅烧得到铁铝酸四钙单矿物。采用溶胶-凝胶法制得的铁铝酸四钙粉体具有高纯度、超细性、易烧结等特点。
文档编号C01G49/00GK102897843SQ201210356518
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者孙振平, 李奇, 俞洋 申请人:同济大学