CN102040379A - 一种氧化锆胶体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化锆胶体的制备方法，属于溶胶凝胶法技术领域。本发明以碳酸锆、强无机酸(硝酸、盐酸)为原料，把碳酸锆溶于适量的强无机酸中，迅速搅拌均匀，碳酸锆在强酸的作用下，发生分解并形成透明的溶液，然后将溶液置于恒温环境中进行蒸馏、浓缩得到氧化锆胶体。本发明制备的胶体性质稳定，固相含量调节范围宽，可以作为制备纳米氧化锆粉体、工业制氧陶瓷膜、燃料电池氧化锆电解质膜、氧化锆纤维的前驱体。

Description

一种氧化锆胶体的制备方法
技术领域
本发明属于溶胶凝胶法技术领域，具体地说是一种可以作为制备纳米氧化锆粉体、工业制氧陶瓷膜、燃料电池氧化锆电解质膜、氧化锆纤维的前驱体氧化锆胶体的制备方法。
背景技术
氧化锆具有熔点高、耐腐蚀、抗氧化、高温蒸汽压低、良好的离子电导率等物理化学性质，在多个领域都有广泛的应用。在结构陶瓷方面，氧化锆陶瓷有耐高温、耐腐蚀、机械强度高、摩擦系数低等优良性能，制备氧化锆结构陶瓷时需要化学组成均匀的部分稳定氧化锆粉体，溶胶-凝胶法是目前最理想、最具使用价值的制粉方法。在功能陶瓷方面，氧化锆是固体氧化物燃料电池电解质膜的首选材料，高固相含量的锆溶胶是制备高质量电解质膜的理想方法之一。在耐火材料领域，氧化锆纤维是目前使用温度最高的陶瓷纤维，在1600℃以上的高温工业窑炉和单晶炉中有广泛的应用。目前溶胶-凝胶法是制备氧化锆纤维最成功的方法，而制备高固相含量的氧化锆胶体是其中最关键的技术环节。
制备氧化锆胶体的方法主要有两类，一是采用无机锆盐水解法制备胶体，二是采用有机醇盐水解制备胶体，但由于有机醇盐极易水解，工艺控制较难，成本高，较少采用。目前利用无机锆盐制备胶体有几种技术路线，一是制过程中引入沉淀剂，使锆盐在一定的pH值条件下水解形成溶胶。但此种方法制备的溶胶体系杂质离子种类多，降低了胶体的稳定性，为了降低杂质离子的影响需要反复洗涤，工艺繁琐。二是采用氯氧化锆为原料，双氧水为水解促进剂，制备锆溶胶。此方法制备过程中不引入其他离子，能够制备高纯度的氧化锆溶胶，但制备过程中有氯气产生，容易产生污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种环保的氧化锆胶体的制备方法。本制备方法流程少，工艺简单，成本低，制备过程绿色无污染，易于产业化。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种不同于现有技术的、创新的、环保型的、制备氧化锆胶体的技术方案。
本发明所述的技术方案如下：
以碳酸锆、强无机酸(硝酸、盐酸)为原料，制备性质稳定，固相含量分布宽的氧化锆胶体。把碳酸锆溶于适量的强无机酸中，迅速搅拌均匀，此时碳酸锆在强酸的作用下，发生分解，分解后的产物在酸性溶液中形成透明的溶液，然后将溶液置于恒温条件下浓缩，制得固相重量含量在20％~55％氧化锆胶体。
上述技术方案中，所使用的原料碳酸锆和盐酸或硝酸的摩尔比为Zr4+∶Cl-＝0.8~1.3∶1或Zr4+∶NO3 -＝0.8~1.3∶1。
上述技术方案中，所述的恒温、浓缩温度的选择范围为10～90℃。
本发明所述的制备氧化锆胶体的技术方案包括以下步骤：
a、原料用量计算：按照碳酸锆和盐酸或硝酸摩尔比Zr4+∶Cl-＝0.8~1.3∶1或Zr4+∶NO3 -＝0.8~1.3∶1，分别称取碳酸锆和盐酸或者硝酸；
b、溶液配置：将按比例称取的的盐酸或者硝酸，在剧烈搅拌下，缓慢加入已称量的碳酸锆中，持续搅拌直到碳酸锆溶解，得到透明溶液；
c、将配置好的透明溶液，置于10～90℃恒温中，进行浓缩，制得固相含量在20％~55％氧化锆胶体。
上述碳酸锆和盐酸或硝酸的摩尔比优选为Zr4+∶Cl-＝1∶1.1～1.2或Zr4+∶NO3 -＝1∶1.1～1.2。
上述恒温浓缩的温度优选为20～60℃。
上述恒温浓缩时间优选为1-2小时。
本发明与现有技术相比具有以下优良效果：
本发明制备方法的整个过程，无杂质离子引入，而且无污染，避免了引入沉淀方式的反复洗涤的工序；胶体制备过程中无有毒气体产生，是一种环保、无污染的工艺，工业化生产时，不需要增加气体回收装置，避免对环境污染的可能。
本发明所述制备方法，可以制备高纯度氧化锆胶体，其固相含量调节范围宽并且稳定性好。制备的胶体可作为各领域通用的前驱体溶胶，可以通过降低胶体中的固相含量，减小胶体粘度，制备电子陶瓷的涂膜；可以通过提高胶体中的固相含量，提高胶体粘度，制备氧化锆纤维或固体氧化物燃料电池电解质膜；可以对溶胶直接进行干燥制备纳米级粉体。
具体实施方式
实施例1
分别量取1mol的碳酸锆和1.2mol的盐酸，将盐酸缓慢倒入碳酸锆中，并进行剧烈搅拌，直到碳酸锆溶解，过滤得到透明溶液。然后在40℃的恒温中进行蒸馏、浓缩2个小时，可以得到固相重量含量达52％的氧化锆胶体。
实施例2
分别量取1mol的碳酸锆和1.2mol的硝酸，将硝酸缓慢倒入碳酸锆中，并进行剧烈搅拌，直到碳酸锆溶解，过滤得到透明溶液。然后在60℃的恒温中进行蒸馏、浓缩1个小时，可以得到固相重量含量达50％的氧化锆胶体。
实施例3
分别量取1mol的碳酸锆和1.1mol的硝酸，将硝酸缓慢倒入碳酸锆中，并进行剧烈搅拌，直到碳酸锆溶解，过滤得到透明溶液。然后加入4mol的去离子水，在20℃的恒温中进行蒸馏、浓缩1个小时，可以得到固相重量含量达30％的氧化锆胶体。
实施例4
分别量取1mol的碳酸锆和1.2mol的盐酸，将盐酸缓慢倒入碳酸锆中，并进行剧烈搅拌，直到碳酸锆溶解，过滤得到透明溶液。然后加入2mol的去离子水，在40℃的恒温中进行蒸馏、浓缩2个小时，可以得到固相重量含量达40％的氧化锆胶体。

Claims (7)

1.一种氧化锆胶体的制备方法，其特征在于：以碳酸锆、盐酸或者硝酸为原料，将碳酸锆溶于盐酸或者硝酸中，然后恒温浓缩，制得固相含量为20％～55％氧化锆胶体。
2.按照权利要求1所说的氧化锆胶体的制备方法，其特征在于：所述的碳酸锆和盐酸或硝酸用量摩尔比为Zr4+∶Cl-＝0.8～1.3∶1或Zr4+∶NO3 -＝0.8～1.3∶1。
3.按照权利要求1所说的氧化锆胶体的制备方法，其特征在于：所述的恒温浓缩的温度为10～90℃。
4.按照权利要求1所述的氧化锆胶体的制备方法，其特征在于：制备过程包括以下步骤：
a、原料用量计算：按照碳酸锆和盐酸或硝酸摩尔比Zr4+∶Cl-＝0.8～1.3∶1或Zr4+∶NO3 -＝0.8～1.3∶1，分别称取碳酸锆和盐酸或者硝酸；
b、溶液配置：将按比例称取的的盐酸或者硝酸，在剧烈搅拌下，缓慢加入已称量的碳酸锆中，持续搅拌直到碳酸锆溶解，得到透明溶液；
c、将配置好的透明溶液，置于10～90℃恒温中，进行浓缩，制得固相含量在20％～55％氧化锆胶体。
5.按照权利要求1或2所述的氧化锆胶体的制备方法，其特征在于：所述碳酸锆和盐酸或硝酸的摩尔比Zr4+∶Cl-＝1∶1.1～1.2或Zr4+∶NO3 -＝1∶1.1～1.2。
6.按照权利要求1或2所述的氧化锆胶体的制备方法，其特征在于：所述的恒温浓缩的温度优选为20～60℃。
7.按照权利要求1或2所述的氧化锆胶体的制备方法，其特征在于：所述的恒温浓缩时间优选为1-2小时。 
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Assignee: Ji'nan gem New Material Co., Ltd.

Assignor: University of Jinan

Contract record no.: 2015370000097

Denomination of invention: Method for preparing zirconium oxide colloid

Granted publication date: 20131211

License type: Exclusive License

Record date: 20150520

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