CN103570049B - 完全分散的α氧化铝纳米颗粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种制备完全分散的α氧化铝纳米颗粒的制备方法。本发明的制备方法是化学沉淀法,其做法是先将硝酸铁和硝酸铝在水中溶解,硝酸铁和硝酸铝的比例按铁离子和铝离子摩尔比为5:1–9:1计,再调整pH值为6–9,经过滤、洗涤并干燥沉淀后,得到前驱体,将前驱体在620–800℃煅烧0–30h,得到以α氧化铝和α氧化铁的煅烧产物,再用酸腐蚀掉煅烧产物中α氧化铁及其它杂质,得到完全分散的α氧化铝纳米颗粒。本发明的方法具有原料廉价、工艺简单、煅烧温度低的优点,且所得α氧化铝纳米颗粒尺寸很小、分散性良好,有望在工业上大规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种无机材料,特别是无机纳米颗粒的制备方法,确切讲本发明涉及一种制备完全分散的α氧化铝纳米颗粒的制备方法。
背景技术
α氧化铝(俗称刚玉)纳米颗粒可以为氧化铝纳米陶瓷的制备提供优质的原材料,有望解决氧化铝陶瓷的脆性这一致命问题,使氧化铝陶瓷作为结构材料、高温材料、生物医药材料、电子陶瓷元件等具有更广泛的应用。同时,α氧化铝纳米颗粒弥散在涂料中,喷涂在硬质合金、玻璃、塑料等表面上,还可以大大提高材料的硬度、耐磨及耐腐蚀性。
α氧化铝纳米颗粒尺寸越小,分散性越好,对其应用也越有利。对于制备氧化铝纳米陶瓷来说,粉体尺寸太大,烧结温度会较高,气孔也较大,所得陶瓷片晶粒尺寸较大、致密度也不易提高;粉体分散性太差,则陶瓷片在烧结过程中容易形成骨架结构,并导致超大气孔的形成,最终严重影响陶瓷片的硬度和韧性。α氧化铝纳米颗粒作为涂层材料,其尺寸越大、分散性越差,则涂层表面会越粗糙、涂层耐磨性也越差。
在工业及实验室中,α氧化铝纳米颗粒主要是通过高温相变来制备。通常,过渡相氧化铝到α氧化铝的相变温度在1000℃以上,甚至达到1200℃。在这种情况下,生成的α氧化铝总会以蠕虫状烧结体的形式存在,尺寸在100 nm左右,分散性较差。人们通过添加晶种或引入液相环境的方法在900℃得到了α氧化铝,但是100 nm左右蠕虫状的烧结体却依然无法避免,存在液相时则很容易形成微米级片晶。到目前为止,通过高温相变,仍然无法制备50 nm以内完全分散的α氧化铝纳米颗粒,这也使其应用也相应地受到了很大的限制。
Yong-Taeg O等人(Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 313–314 (2008) 415–418)用化学沉淀法合成碳酸铝铵,并在1150℃煅烧3 h后得到α氧化铝,其尺寸分布为50 –100 nm,存在严重的蠕虫状烧结,分散性较差。
Xinghua Su等人(J. Am. Ceram. Soc., 93 [7] 1904–1908 (2010))用化学沉淀法合成了三羟铝石,并使之与硫酸钾均匀混合,在900℃煅烧3 h后得到直径为0.5 –1.5μm的片状α氧化铝颗粒,分散性较好。
发明内容
本发明提供一种以化学沉淀法制备的分散α氧化铝纳米颗粒的方法,旨在解决现有技术的α氧化铝纳米颗粒制备过程中,相变温度高、颗粒尺寸大且分散性较差的问题。
本发明的完全分散的α氧化铝纳米颗粒的制备方法是化学沉淀法,其具体的做法是先将硝酸铁和硝酸铝在水中溶解,相关的试验表明水中的铝离子浓度影响不大,可以不加以限定,而本发明以下相关内容中水量是按铝离子的浓度为0.02 mol/L加的,硝酸铁和硝酸铝的比例按铁离子和铝离子摩尔比为5:1–9:1计,再调整溶液的pH值为6–9,经过滤、洗涤并干燥沉淀后,得到前驱体,将前驱体在620 –800℃煅烧0–30 h。煅烧时间的长短取决于pH值和煅烧的温度,不同pH值对应的最低煅烧温度有些不同,相关实验表明:pH=7时,620℃煅烧2 h才能得到α氧化铝,但在660–800℃煅烧0 h则可以得到α氧化铝;pH=6时,640℃煅烧2 h才能得到α氧化铝,煅烧0 h则得不到,但在680–800℃煅烧0 h则可得到α氧化铝;pH=8时,660℃煅烧2 h才能得到α氧化铝,煅烧0 h则得不到,但在700–800℃煅烧0 h则可得到α氧化铝。pH=9时,680℃煅烧2 h才能得到α氧化铝,煅烧0 h则得不到,但在720–800℃煅烧0 h则可得到α氧化铝。所得α氧化铝和α氧化铁组成的煅烧产物,用酸腐蚀掉其中α氧化铁及其它杂质,得到完全分散的α氧化铝纳米颗粒。
本发明的完全分散的α氧化铝纳米颗粒的制备方法的优选条件是:铁离子和铝离子摩尔比为5:1,pH=7,在620℃煅烧2 h。这一条件下得到的α氧化铝尺寸最小,分布最窄,不管是用作粉体还是用来制备陶瓷,都是最佳的选择。
本发明首创性地选择了与α氧化铝晶体结构相似的α氧化铁,以α氧化铁同时充当晶种和隔离相,用简单的化学沉淀法来制备α氧化铝纳米颗粒。
本发明提供的制备α氧化铝纳米颗粒的方法具有原料廉价、工艺简单、煅烧温度低的优点,且所得α氧化铝纳米颗粒尺寸很小、分散性良好,有望在工业上大规模应用。
附图说明
图1为实施例1中制备的α氧化铝纳米颗粒的X射线衍射(XRD)图。
图2为实施例1中制备的α氧化铝纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图。
具体实施方式
下面实施例将对本发明做进一步的说明。
实施例1
按铁离子和铝离子摩尔比为5:1,铝离子浓度为0.02 mol/L,分别称取适量硝酸铝和硝酸铁,加去离子水溶解。再用3 mol/L的氨水对混合溶液滴定至pH值为7,继续搅拌0.5 h。将沉淀物过滤,并用去离子水和无水乙醇洗涤,60℃干燥后得到前驱体。将前驱体放入管式炉中,以3℃/min的速率煅烧至620℃,保温2 h,自然冷却。煅烧所得粉末用4 mol/L的盐酸在反应釜中腐蚀,温度为100℃。最后,将反应釜中剩余的沉淀分别用4 mol/L的盐酸和无水乙醇通过离心洗涤,即得到α氧化铝纳米颗粒。
所得α氧化铝纳米颗粒平均粒径为14 nm,粒径分布为5–35 nm,且无任何烧结团聚现象,是完全分散的。
实施例2
按铁离子和铝离子摩尔比为5:1,铝离子浓度为0.02 mol/L,分别称取适量硝酸铝和硝酸铁,加去离子水溶解。再用3 mol/L的氨水对混合溶液滴定至pH值为7,继续搅拌0.5 h。将沉淀物过滤,并用去离子水和无水乙醇洗涤,60℃干燥后得到前驱体。将前驱体放入管式炉中,以3℃/min的速率煅烧至660℃,保温2 h,自然冷却。煅烧所得粉末用4 mol/L的盐酸在反应釜中腐蚀,温度为100℃。最后,将反应釜中剩余的沉淀分别用4 mol/L的盐酸和无水乙醇通过离心洗涤,即得到α氧化铝纳米颗粒。
所得α氧化铝纳米颗粒平均粒径为23 nm,粒径分布为7–71 nm,且无任何烧结团聚现象,是完全分散的。
实施例3
按铁离子和铝离子摩尔比为7:1,铝离子浓度为0.02 mol/L,分别称取适量硝酸铝和硝酸铁,加去离子水溶解。再用3 mol/L的氨水对混合溶液滴定至pH值为7,继续搅拌0.5 h。将沉淀物过滤,并用去离子水和无水乙醇洗涤,60℃干燥后得到前驱体。将前驱体放入管式炉中,以3℃/min的速率煅烧至660℃,保温2 h,自然冷却。煅烧所得粉末用4 mol/L的盐酸在反应釜中腐蚀,温度为100℃。最后,将反应釜中剩余的沉淀分别用4 mol/L的盐酸和无水乙醇通过离心洗涤,即得到α氧化铝纳米颗粒。
所得α氧化铝纳米颗粒平均粒径为25 nm,粒径分布为7–74 nm,且无任何烧结团聚现象,是完全分散的。
实施例4
按铁离子和铝离子摩尔比为5:1,铝离子浓度为0.02 mol/L,分别称取适量硝酸铝和硝酸铁,加去离子水溶解。再用3 mol/L的氨水对混合溶液滴定至pH值为8,继续搅拌0.5 h。将沉淀物过滤,并用去离子水和无水乙醇洗涤,60℃干燥后得到前驱体。将前驱体放入管式炉中,以3℃/min的速率煅烧至660℃,保温2 h,自然冷却。煅烧所得粉末用4 mol/L的盐酸在反应釜中腐蚀,温度为100℃。最后,将反应釜中剩余的沉淀分别用4 mol/L的盐酸和无水乙醇通过离心洗涤,即得到α氧化铝纳米颗粒。
所得α氧化铝纳米颗粒平均粒径为33 nm,粒径分布为9–71 nm,且无任何烧结团聚现象,是完全分散的。
实施例5
按铁离子和铝离子摩尔比为5:1,铝离子浓度为0.02 mol/L,分别称取适量硝酸铝和硝酸铁,加去离子水溶解。再用3 mol/L的氨水对混合溶液滴定至pH值为7,继续搅拌0.5 h。将沉淀物过滤,并用去离子水和无水乙醇洗涤,60℃干燥后得到前驱体。将前驱体放入管式炉中,以3℃/min的速率煅烧至620℃,保温20 h,自然冷却。煅烧所得粉末用4 mol/L的盐酸在反应釜中腐蚀,温度为100℃。最后,将反应釜中剩余的沉淀分别用4 mol/L的盐酸和无水乙醇通过离心洗涤,即得到α氧化铝纳米颗粒。
所得α氧化铝纳米颗粒平均粒径为16 nm,粒径分布为5–65 nm,且无任何烧结团聚现象,是完全分散的。
实施例6
按铁离子和铝离子摩尔比为9:1,铝离子浓度为0.02 mol/L,分别称取适量硝酸铝和硝酸铁,加去离子水溶解。再用3 mol/L的氨水对混合溶液滴定至pH值为7,继续搅拌0.5 h。将沉淀物过滤,并用去离子水和无水乙醇洗涤,60℃干燥后得到前驱体。将前驱体放入管式炉中,以3℃/min的速率煅烧至660℃,保温2 h,自然冷却。煅烧所得粉末用4 mol/L的盐酸在反应釜中腐蚀,温度为100℃。最后,将反应釜中剩余的沉淀分别用4 mol/L的盐酸和无水乙醇通过离心洗涤,即得到α氧化铝纳米颗粒。
所得α氧化铝纳米颗粒平均粒径为22 nm,粒径分布为7–100 nm,且无任何烧结团聚现象,是完全分散的。
Claims (2)
1.完全分散的α氧化铝纳米颗粒的制备方法,采用化学沉淀法制备,其特征在于将硝酸铁和硝酸铝在水中溶解,硝酸铁和硝酸铝的比例按铁离子和铝离子摩尔比为5:1–9:1计,再调整溶液的pH值为6–9,经过滤、洗涤并干燥沉淀后,得到前驱体,将前驱体在620 –800℃煅烧0–30 h,得到由α氧化铝和α氧化铁组成的煅烧产物,再用酸腐蚀掉煅烧产物中α氧化铁及其它杂质,即得到完全分散的α氧化铝纳米颗粒。
2. 根据权利要求1所述的完全分散的α氧化铝纳米颗粒的制备方法,其特征在于铁离子和铝离子摩尔比为5:1,pH=7,在620℃煅烧2 h。
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