專利名稱：一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方法。
背景技術(shù)：
水泥熟料主要是由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等礦物組成的固溶體。雖然鐵鋁酸四鈣在這四種礦物中所占比例較小，但是在煅燒熟料的過程中，它能降低熟料的熔融溫度和熔化成液體(在煅燒熟料過程中所出現(xiàn)的液體，統(tǒng)稱為液相)的粘度，有利于硅酸三鈣的生成。鐵鋁酸四鈣作為硅酸鹽水泥熟料的重要組成部分，其含量一般為109Γ18%(質(zhì)量分數(shù))，其水化速度在早期介于鋁酸三鈣與硅酸三鈣之間，雖早期強度類似于鋁酸三鈣，但后期還能不斷增長，類似于硅酸三鈣。鐵鋁酸四鈣的水化熱較鋁酸三鈣低，且抗沖擊性能和抗硫酸鹽性能較好，因此在制造抗硫酸鹽水泥或大體積工程用水泥時，適當提高鐵鋁酸四鈣含量是有利的。鐵鋁酸四鈣礦物的水化、凝結(jié)和硬化等行為，以及其在不同條件下所形成的水化產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)的差異，將對水泥基材料的使用性能產(chǎn)生重要影響。因此，在實驗室條件下合成高純度的鐵鋁酸四鈣并研究其水化以及水化產(chǎn)物凝膠微結(jié)構(gòu)的形成過程，對于利用現(xiàn)代分析方法從納米尺度揭示水泥基材料的本構(gòu)關(guān)系是必要的。傳統(tǒng)的鐵鋁酸四鈣單礦物的合成是用固相合成法，即將一定化學計量比的各種氧化物粉磨并混合均勻，并在高溫下煅燒而成。根據(jù)相關(guān)資料，用固相合成發(fā)合成鐵鋁酸四鈣需要經(jīng)過至少3次(每次6h)1320°C的高溫煅燒。用固相法，由于原料均為固態(tài)粉末狀混合，可能導致反應(yīng)物混合不均勻，在煅燒過程中例子擴散困難，燒成溫度高、時間長、能耗大，并且產(chǎn)物純度不高。近年來，隨著各種化學合成制備方法的發(fā)展，帶來了水泥熟料合成方法的革命。溶膠-凝膠方法是材料制備的重要方法，其在制備納米材料、薄膜、涂層材料、功能材料和纖維材料等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。該方法利用液體化學試劑(或粉末溶于溶劑)為原料(高化學活性的含材料成分的化學物前驅(qū)體)，在液相下將這些原料均勻混合，并進行一系列的水解、縮合的化學反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠液體系；溶膠經(jīng)過陳化，膠粒間緩慢聚合，形成以前驅(qū)體為骨架的三維聚合物或者是顆?？臻g網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中充滿失去流動性的溶齊U，這就是凝膠；凝膠在經(jīng)過干燥，脫去其間溶劑而形成一種多孔結(jié)構(gòu)的干凝膠或氣凝膠；最后，經(jīng)過燒結(jié)固化制備所需材料。溶膠-凝膠方法反應(yīng)過程易于控制，化學計量準確，產(chǎn)物的純度很高。該方法的應(yīng)用不但節(jié)省資源，而且對能源消耗少，同時在治理環(huán)境污染方面也將發(fā)揮重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)合成鐵鋁酸四鈣單礦物中存在的問題，提供一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方法。
本發(fā)明提出的一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方法，具體步驟如下
(1)按質(zhì)量比精確稱取Ca(NO3)2 ·4Η20、Α1 (NO3)3 AH2CKFe(NO3)3 ·9Η20、一水合檸檬酸、乙二醇和水；
(2)反應(yīng)物溶解在磁力攪拌機上，以5(T60°C加熱，將Ca(NO3)2·4Η20、Α1 (NO3)3 ·9Η20、Fe (NO3)3 · 9Η20分別加入水中，加熱攪拌2(T30min至完全溶解，將三種溶液混合后備用；
(3)金屬陽離子的螯合將一水合檸檬酸顆粒加入到步驟(2)制得的三種溶液的混合體中，加熱攪拌4(T50min得到清澈的淡黃色溶液；
(4)酯化反應(yīng)將乙二醇加入到淡黃色硝酸鹽-檸檬酸螯合物溶液中，發(fā)生酯化反應(yīng)，在5(T60°C溫度下反應(yīng)3(T40min ；
(5)陳化將磁力攪拌機溫度調(diào)節(jié)至8(T85°C，陳化4 6h，得到粘性濕凝膠；
(6)干燥把濕凝膠放在溫度為150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝膠，粉磨后得到干凝膠粉末并儲存在干燥器中；
(7)煅燒將所得到的干凝膠粉末，直接放在1000°C高溫爐中煅燒3 5h制得鐵鋁酸四鈣。其中各組分的重量比為
Ca (NO3) 2 · 4H20100
Al (NO3) 3 · 9H2079. 4
Fe (NO3) 3 · 9H2085. 6
一水合檸檬酸178. O
乙二醇105. Γ210. 2
水600 1000。本發(fā)明中，所用Ca (NO3) 2 · 4H20、Al (NO3) 3 · 9H20、Fe (NO3) 3 · 9H20 和乙二醇均為市售的化學分析純試劑。本發(fā)明中，所用一水合檸檬酸為市售的優(yōu)級純試劑，其為白色固體顆粒。本發(fā)明中，所用水為去離子水。本發(fā)明中，用溶膠-凝膠法來合成水泥單礦物鐵鋁酸四鈣，其制備過程簡單且易于控制，反應(yīng)物前驅(qū)物在溶液中以原子水平混合均勻，克服了傳統(tǒng)固相合成法煅燒溫度高、煅燒次數(shù)多以及產(chǎn)物純度不高等缺點。采用本發(fā)明方法所合成的鐵鋁酸四鈣礦物，經(jīng)X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)鐵鋁酸四鈣的特征峰非常明顯，峰值強度高。


圖I為鐵鋁酸四鈣X射線衍射圖譜。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施案例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1，一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方法，其原料的重量比為Ca (NO3) 2 · 4H20 100、A1 (NO3)3 ·9Η20 79. 4、Fe (NO3) 3 · 9Η20 85. 6、一水合檸檬酸 178. O、乙二醇105. I和水600。采用如下合成方法在磁力攪拌機上，以501加熱，將0&(勵3)2 ·4Η20、Al (NO3)3 · 9H20、Fe (NO3)3 · 9H20分別加入水中，加熱攪拌30min至完全溶解；將白色一水合檸檬酸顆粒加入到三種硝酸鹽溶液的混合體中，加熱攪拌50min得到清澈的淡黃色溶液；將乙二醇加入到淡黃色硝酸鹽-檸檬酸螯合物溶液中，發(fā)生酯化反應(yīng)，在50°C溫度下反應(yīng)40min ;將磁力攪拌機溫度調(diào)節(jié)至80°C，陳化6h，得到粘性濕凝膠；把濕凝膠放在溫度為150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝膠，粉磨后得到干凝膠粉末并儲存在干燥器中；將所得到的干凝膠粉末，直接放在1000°C高溫爐中煅燒3h制得鐵鋁酸四鈣。所得產(chǎn)物的X射線衍射譜圖的衍射峰與鐵鋁酸四鈣標準卡片匹配良好，證明產(chǎn)物純度較高。實施例2，一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方 法，其原料的重量比為Ca (NO3) 2 · 4H20 100、A1 (NO3)3 ·9Η20 79. 4、Fe (NO3) 3 · 9Η20 85. 6、一水合檸檬酸 178. O、乙二醇160和水800。采用如下合成方法在磁力攪拌機上，以55°C加熱，將Ca(NO3)2 · 4H20、Al (NO3) 3 · 9H20、Fe (NO3) 3 · 9H20分別加入水中，加熱攪拌25min至完全溶解；將白色一水合檸檬酸顆粒加入到三種硝酸鹽溶液的混合體中，加熱攪拌45min得到清澈的淡黃色溶液；將乙二醇加入到淡黃色硝酸鹽-檸檬酸螯合物溶液中，發(fā)生酯化反應(yīng)，在55°C溫度下反應(yīng)35min ;將磁力攪拌機溫度調(diào)節(jié)至83°C，陳化5h，得到粘性濕凝膠；把濕凝膠放在溫度為150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝膠，粉磨后得到干凝膠粉末并儲存在干燥器中；將所得到的干凝膠粉末，直接放在1000°C高溫爐中煅燒4h制得鐵鋁酸四鈣。所得產(chǎn)物的X射線衍射譜圖的衍射峰與鐵鋁酸四鈣標準卡片匹配良好，證明產(chǎn)物純度較高。實施例3，一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方法，其原料的重量比為Ca (NO3) 2 · 4H20 100、Al(NO3)3 · 9H20 79. 4、Fe (NO3) 3 · 9H20 85. 6、一水合檸檬酸 178. O、乙二醇210. 2和水 1000。采用如下合成方法在磁力攪拌機上，以60°C加熱，將Ca(NO3)2 · 4H20、Al (NO3)3 · 9H20、Fe (NO3) 3 · 9H20 分別加入水中，加熱攪拌 20min 至完全溶解；將白色一水合檸檬酸顆粒加入到三種硝酸鹽溶液的混合體中，加熱攪拌40min得到清澈的淡黃色溶液；將乙二醇加入到淡黃色硝酸鹽-檸檬酸螯合物溶液中，發(fā)生酯化反應(yīng)，在60°C溫度下反應(yīng)30min ;將磁力攪拌機溫度調(diào)節(jié)至85°C，陳化4h，得到粘性濕凝膠；把濕凝膠放在溫度為150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝膠，粉磨后得到干凝膠粉末并儲存在干燥器中；將所得到的干凝膠粉末，直接放在1000°C高溫爐中煅燒5h制得鐵鋁酸四鈣。所得產(chǎn)物的X射線衍射譜圖的衍射峰與鐵鋁酸四鈣標準卡片匹配良好，證明產(chǎn)物純度較高。
權(quán)利要求
1.一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方法，其特征在于具體步驟如下 (1)按質(zhì)量比精確稱取Ca(NO3)2 ·4Η20、Α1 (NO3)3 AH2CKFe(NO3)3 ·9Η20、一水合檸檬酸、乙二醇和水； (2)反應(yīng)物溶解在磁力攪拌機上，以5(T60°C加熱，將Ca(NO3)2·4Η20、Α1 (NO3)3 ·9Η20、Fe (NO3)3 · 9Η20分別加入水中，加熱攪拌2(T30min至完全溶解，將三種溶液混合后備用； (3)金屬陽離子的螯合將一水合檸檬酸顆粒加入到步驟(2)制得的三種溶液的混合體中，加熱攪拌4(T50min得到清澈的淡黃色溶液； (4)酯化反應(yīng)將乙二醇加入到淡黃色硝酸鹽-檸檬酸螯合物溶液中，發(fā)生酯化反應(yīng)，在5(T60°C溫度下反應(yīng)3(T40min ； (5)陳化將磁力攪拌機溫度調(diào)節(jié)至8(T85°C，陳化4 6h，得到粘性濕凝膠； (6)干燥把濕凝膠放在溫度為150°C的烘箱中干燥24h，得到干凝膠，粉磨后得到干凝膠粉末并儲存在干燥器中； (7)煅燒將所得到的干凝膠粉末，直接放在1000°C高溫爐中煅燒3 5h制得鐵鋁酸四鈣； 其中各組分的重量比為 Ca (NO3) 2 · 4H20100 Al (NO3) 3 · 9H2079. 4 Fe (NO3) 3 · 9H2085. 6一水合檸檬酸178. O乙二醇105. Γ210. 2水600 1000。
2.根據(jù)權(quán)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和乙二醇均為化學分析純試劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所用一水合檸檬酸為優(yōu)級純試劑，其為白色固體顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所用水為去離子水。
全文摘要
本發(fā)明屬建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用溶膠-凝膠法合成鐵鋁酸四鈣的方法。本合成方法中用到的原料有四水硝酸鈣、九水硝酸鋁、九水硝酸鐵、一水合檸檬酸、乙二醇和水。具體合成步驟為，將一定化學計量比的三種無機鹽溶解在去離子水中并混合均勻，加入檸檬酸制得淡黃色的金屬-檸檬酸螯合物溶液，然后加入乙二醇發(fā)生酯化反應(yīng)，將所得溶膠在80度充分攪拌下陳化得到粘性濕凝膠，繼續(xù)在150℃溫度下干燥24小時得到干凝膠，將所得干凝膠粉磨、煅燒得到鐵鋁酸四鈣單礦物。采用溶膠-凝膠法制得的鐵鋁酸四鈣粉體具有高純度、超細性、易燒結(jié)等特點。
文檔編號C01G49/00GK102897843SQ201210356518
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者孫振平, 李奇, 俞洋 申請人:同濟大學