一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法

摘要

本发明公开了一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法，该制备方法采用碱性过氧化氢处理法，即在强碱性锆盐溶液中加入双氧水反应，之后用酸和水分别洗涤沉淀得到产物，这种方法能够使产生过氧离子，使纳米材料表面形成丰富的羟基基团，从而使氧化锆在水中的分散度大大增加，很大程度上解决了纳米氧化锆颗粒分散体制备成本高、易污染环境、难以实现工业化大规模制备的问题，而且无需任何复杂昂贵的表面改性剂，利用此方法制备出的纳米氧化锆颗粒分散体能够很好地适应各种用途，极大的拓宽了氧化锆的应用。

权利要求

1.一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：步骤1)将适量锆盐、碱以及一定比例的水形成强碱性溶液；

步骤2)将溶液放入水热釜内，并控制温度，控制反应适当的时间，使溶液在水热釜内充分反应；

步骤3)将适当量的过氧化氢加入上步反应后的得到的溶液进行进一步反应得到沉淀；

步骤4)过滤沉淀得到滤饼并用酸性溶液洗涤，然后再用去离子水洗涤滤饼除去酸性物质得到最终产物纳米氧化锆颗粒；

步骤5)将产物纳米氧化锆颗粒分散在水中，得到水相纳米氧化锆颗粒分散体；

步骤1)所述锆盐：碱的比例为1：0.1-2；锆盐和碱的总质量与水的比例为1：2-20；

步骤2)中，所述反应温度为100-250℃；

步骤2)中，所述反应时间为5-60小时；

步骤3)中，所述过氧化氢浓度为0.1摩尔每升到9摩尔每升，所述反应时间为0.1-48小时。

2.根据权利要求1所述的一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法，其特征在于：步骤1)所述锆盐选自下列物质中的一种或多种：碱式碳酸锆、碳酸锆钠、碳酸锆、碳酸锆铵和碳酸锆钾。

3.根据权利要求1所述的一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法，其特征在于：步骤1)所述碱选自下列物质中的一种或多种：氨水、氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂。

4.根据权利要求1所述的一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述洗涤用酸溶液为选自下列物质的一种或者多种：盐酸、硝酸、硼酸、稀硫酸、氢氟酸、亚硝酸、高卤酸、卤酸、亚卤酸、次卤酸和偏铝酸。

5.根据权利要求1所述的一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法，其特征在于：该方法制备的一种水相纳米氧化锆颗粒分散体，包括液相介质和纳米氧化锆颗粒，所述纳米氧化锆颗粒为水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法得到的纳米氧化锆颗粒；所述分散体的固含量为5-50wt％；所述纳米氧化锆颗粒的一维尺寸为3纳米；所述液相介质是水。

说明书

一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及精细化工领域，特别是涉及一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法。

背景技术

[0002] 纳米氧化锆颗粒是一种性能优异的纳米材料，它的成分二氧化锆为难以在水中溶解，但能在热浓硫酸和氢氟酸中溶解的固体。由于氧化锆具有高熔点、高沸点、导热系数小、热膨胀系数大、耐高温、耐磨性好、抗蚀性能优良等优越的性质，且纳米氧化锆粉体材料还具有纳米特性，凭借这些优良的性质，纳米氧化锆颗粒有许多重要的用途，包括可应用在制造生物材料、陶瓷材料等，也可用于在某些化学反应中合成催化剂或助催化剂。举例来说，用纳米氧化锆制造的精细陶瓷在不同条件下具有独特的性能：常温下为绝缘体,高温下则具有导电性、敏感特性、增韧性等。

[0003] 传统方法制备纳米氧化锆分散体时经常使用有机酸进行改性，且使用的分散剂一般为液相有机物，这样的制备过程普遍伴随着对环境的污染与对人体的危害，且传统方法的制备工艺流程复杂，工业化放大效应强，难以进行大规模的工业化制备。首要的为了使制备的产物更加绿色无害，就需要减少生产工艺中有机物的使用，考虑到对环境污染最小，最佳的分散剂是水。在此基础上，需要一种方法制备出粒径小而均匀、能够在水中高度分散的纳米氧化锆颗粒。现有的纳米材料制备方法主要有包括气相沉积法、溶胶凝胶法、乳液法、超临界法、固相反应法、水热法等的化学法，包括惰性气体冷凝法、高能机械球磨法、物理气相沉积法等的物理法。常用的方法一般为化学法，但化学法存在的一大弊端在于当不使用有机物改性时很难得到优质的单分散分散液。因此如何能不添加有机改性剂制备在水中分散良好的氧化锆颗粒就成为了解决问题的关键。

[0004] 在前人的研究中已经有关于水相纳米氧化锆分散体的相关制备方法。专利CN102180516A将锆盐溶解在醇类溶剂中得到前驱体，再经过非水溶胶凝胶热处理得到可分散于水中的纳米氧化锆粉体，但此方法在制备过程中使用了醇类有机物来合成前驱体；专利CN103435097A依靠调节反应介质、水热介质、PH等多种反应条件，使具有一定极性的分散介质分子极化，从而提高纳米氧化锆颗粒的分散性，但制备过程中反应条件多变难以控制，不利于进行大规模的纳米氧化锆颗粒制备。对比以上专利所提供的方法，本方法能够同时兼顾较高的分散度、绿色化和便于工业化大规模制备。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法。该制备方法采用碱性过氧化氢处理法，即在强碱性锆盐溶液中加入双氧水反应，之后用酸和水分别洗涤沉淀得到产物，这种方法能够使产生过氧离子，使纳米材料表面形成丰富的羟基基团，从而使氧化锆在水中的分散度大大增加，很大程度上解决了纳米氧化锆颗粒分散体制备成本高、易污染环境、难以实现工业化大规模制备的问题，而且无需任何复杂昂贵的表面改性剂，利用此方法制备出的纳米氧化锆颗粒分散体能够很好地适应各种用途，极大的拓宽了氧化锆的应用。

[0006] 本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种水相纳米氧化锆颗粒分散体。该水相分散体固含量为1-60wt％，氧化锆晶体粒径小，分布均匀，平均粒径3纳米；除此之外，该水相分散体能够稳定放置很长时间，保持较好的分散效果。最大的优点是该水相分散体是以水为分散介质的纳米氧化锆分散体，对环境污染小，对人体危害小，原料易得，易于大量制备，因此有着更加广泛的应用范围。

[0007] 为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

[0008] 步骤1)将适量锆盐、碱以及一定比例的水形成强碱性溶液；

[0009] 步骤2)将溶液放入水热釜内，并控制温度，控制反应适当的时间，使溶液在水热釜内充分反应；

[0010] 步骤3)将适当量的过氧化氢加入上步反应后的得到的溶液进行进一步反应得到沉淀；

[0011] 步骤4)过滤沉淀得到滤饼并用酸性溶液洗涤，然后再用去离子水洗涤滤饼除去酸性物质得到最终产物纳米氧化锆颗粒；

[0012] 步骤5)将产物纳米氧化锆颗粒分散在水中，得到水相纳米氧化锆颗粒分散体。

[0013] 优选的，步骤1)所述锆盐：碱的比例为1：0.1-2。锆盐和碱的总质量与水的比例为1：2-20。

[0014] 优选的，步骤1)所述锆盐选自下列物质中的一种或多种：碱式碳酸锆、碳酸锆钠、碳酸锆、碳酸锆铵和碳酸锆钾。

[0015] 优选的，步骤1)所述碱选自下列物质中的一种或多种：氨水、氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂。

[0016] 优选的，步骤2)中，所述反应温度为100-250℃，更优选地，反应温度为150-200℃；最优选地，反应温度为170℃。

[0017] 优选的，步骤2)中，所述反应时间为5-60小时，更优选地，反应时间为8-24小时；最优选地，反应时间为12小时。

[0018] 优选的，步骤3)中，所述过氧化氢浓度为0.1摩尔每升到9摩尔每升，所述反应时间为0.1-48小时，更优选地，反应时间为0.5-5小时；最优选地，反应时间为2小时。

[0019] 优选的，步骤4)中，所述洗涤用酸溶液为选自下列物质的一种或者多种：盐酸、硝酸、硼酸、稀硫酸、氢氟(卤)酸、亚硝酸、高卤酸、卤酸、亚卤酸、次卤酸和偏铝酸。

[0020] 为解决上述第二个技术问题，本发明采用下述技术方案：一种水相纳米氧化锆颗粒分散体，包括液相介质和纳米氧化锆颗粒，所述纳米氧化锆颗粒为水相纳米氧化锆颗粒分散体的制备方法得到的纳米氧化锆颗粒；所述分散体的固含量为5-50wt％；所述纳米氧化锆颗粒的一维尺寸为3纳米；所述液相介质是水。

[0021] 本发明的有益效果是：

[0022] 1.本发明制备出的纳米氧化锆颗粒在水中具有很好的分散性。相比前人使用有机溶剂分散纳米氧化锆颗粒，水相纳米氧化锆颗粒分散体不会对环境产生污染，不会对人体产生危害，且成本更加低廉。

[0023] 2.本发明所用的原料易得，工艺简单，便于控制条件，所得产品纯净。

[0024] 3.本发明可以实现工业化大量制备，能够进行工业化尝试。

附图说明

[0025] 图1为实施例1中纳米氧化锆颗粒的动态光散射激光粒径图；

[0026] 图2为实施例2中纳米氧化锆颗粒的动态光散射激光粒径图；

[0027] 图3为实施例1中纳米氧化锆颗粒的透射电镜图；

[0028] 图4为实施例3中固含量为10wt％纳米氧化锆分散体的实物图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明，但本发明的内容并不仅仅局限于下面的实施例或其他类似实例。

[0030] 实施例1

[0031] 1)称取5克碱式碳酸锆、5克氢氧化钠以及10克水搅拌形成溶液；

[0032] 2)将溶液放入水热釜内，并控制温度为170℃，反应4小时，使溶液在水热釜内充分反应；

[0033] 3)反应完毕后取0.006克过氧化氢加入上步反应后的得到的溶液进行0.5小时反应得到沉淀；

[0034] 4)过滤沉淀得到滤饼并用稀硝酸溶液洗涤，然后再用去离子水洗涤滤饼除去酸性物质得到最终产物纳米氧化锆颗粒；

[0035] 5)称取0.1克产物纳米氧化锆颗粒分散在10克去离子水中，得到水相纳米氧化锆颗粒分散体。其中纳米粒子在电镜下的颗粒大小为3纳米。动态光散射激光粒径分析纳米颗粒平均粒径为9纳米。

[0036] 实施例2

[0037] 1)称取5克碱式碳酸锆、0.5克氢氧化钠以及10克水搅拌形成溶液；

[0038] 2)将溶液放入水热釜内，并控制温度为170℃，反应4小时，使溶液在水热釜内充分反应；

[0039] 3)反应完毕后取0.001克过氧化氢加入上步反应后的得到的溶液进行0.5小时反应得到沉淀；

[0040] 4)过滤沉淀得到滤饼并用稀硝酸溶液溶液洗涤，然后再用去离子水洗涤滤饼除去酸性物质得到最终产物纳米氧化锆颗粒；

[0041] 5)称取0.1克产物纳米氧化锆颗粒分散在10克去离子水中，得到水相纳米氧化锆颗粒分散体。其中纳米粒子在电镜下的颗粒大小为3.4纳米。动态光散射激光粒径分析纳米颗粒平均粒径为10纳米。

[0042] 实施例3

[0043] 1)称取5克碱式碳酸锆、10克氢氧化钠以及300克水搅拌形成溶液；

[0044] 2)将溶液放入水热釜内，并控制温度为250℃，反应6小时，使溶液在水热釜内充分反应；

[0045] 3)反应完毕后取10克过氧化氢加入上步反应后的得到的溶液进行2小时反应得到沉淀；

[0046] 4)过滤沉淀得到滤饼并用稀盐酸溶液洗涤，然后再用去离子水洗涤滤饼除去酸性物质得到最终产物纳米氧化锆颗粒；

[0047] 5)称取0.1克产物纳米氧化锆颗粒分散在10克去离子水中，得到水相纳米氧化锆颗粒分散体。其中纳米粒子在电镜下的颗粒大小为3.2纳米。动态光散射激光粒径分析纳米颗粒平均粒径为9.8纳米。

[0048] 实施例4

[0049] 1)称取10克碱式碳酸锆、1克氢氧化钠以及20克水搅拌形成溶液；

[0050] 2)将溶液放入水热釜内，并控制温度为100℃，反应6小时，使溶液在水热釜内充分反应；

[0051] 3)反应完毕后取1克过氧化氢加入上步反应后的得到的溶液进行0.01小时反应得到沉淀；

[0052] 4)过滤沉淀得到滤饼并用稀硝酸溶液洗涤，然后再用去离子水洗涤滤饼除去酸性物质得到最终产物纳米氧化锆颗粒；

[0053] 5)称取0.1克产物纳米氧化锆颗粒分散在10克去离子水中，得到水相纳米氧化锆颗粒分散体。其中纳米粒子在电镜下的颗粒大小为5纳米。动态光散射激光粒径分析纳米颗粒平均粒径为15纳米。

[0054] 实施例5

[0055] 1)称取10克碱式碳酸锆、1克氢氧化钠以及20克水搅拌形成溶液；

[0056] 2)将溶液放入水热釜内，并控制温度为170℃，反应8小时，使溶液在水热釜内充分反应；

[0057] 3)反应完毕后取1克过氧化氢加入上步反应后的得到的溶液进行20小时反应得到沉淀；

[0058] 4)过滤沉淀得到滤饼并用稀亚硝酸溶液洗涤，然后再用去离子水洗涤滤饼除去酸性物质得到最终产物纳米氧化锆颗粒；

[0059] 5)称取0.1克产物纳米氧化锆颗粒分散在10克去离子水中，得到水相纳米氧化锆颗粒分散体。其中纳米粒子在电镜下的颗粒大小为4.5纳米。动态光散射激光粒径分析纳米颗粒平均粒径为10纳米。