CN102219504B - 对凝胶扩渗稀土一步合成BaTiO3导电纳米粉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对凝胶扩渗稀土一步合成BaTiO3导电纳米粉的方法，本发明的技术方案是：待扩渗炉升温至设定的温度后，向炉内滴入甲醇，以排除炉内的空气；将BaTiO3凝胶粉置于扩渗炉内；然后向炉内滴入含稀土元素的扩渗液，即可得到BaTiO3导电纳米粉。相对于现有技术，本发明将BaTiO3导电纳米粉的合成步骤和稀土扩渗改性步骤在时间与空间上进行了统一，实现了原位改性方式的一步合成，进而较现有技术能更有效的提高产品的导电性能。并且由于省略了对凝胶粉的高温烧结过程，每制备100g纳米粉可以节约电能10kw以上。本发明简化了工艺步骤，提高了产品的合成效率，降低了生产成本，适合低碳型工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种合成BaTiO3导电纳米粉的方法，属于纳米功能材料的合成技术领域。
背景技术
导电粉是一类具有导电性的功能粉体材料，目前主要以导电填料的形式应用于导电涂料及导电胶中，使其具有导电、防静电、电磁屏蔽等功能。除此之外，导电粉也广泛应用于电子、电器、航空、化工、印刷、包装、船舶、军工等领域，适用于生产导电塑料、导电橡胶、导电静电纸、电子元件、电器设备外壳、印刷电路版等。当前国内外对导电粉的应用相当广泛。目前常用的导电粉有金属粉末、炭黑、石墨、碳纤维、金属薄片或金属纤维、金属氧化物等。但是，由于氧化、成本及加工困难等因素其应用受到限制。
近年来发展起来的导电纳米陶瓷粉不仅具有金属态的导电性而且保持了陶瓷材料本身抗氧化，耐腐蚀以及性能稳定的理化特性。其作为功能填料能够解决传统金属粉体氧化形成界面氧化层而使材料性能下降的问题。BaTiO3陶瓷粉是良好的绝缘体，但是填加稀土元素后材料电阻率明显下降。目前对BaTiO3基半导体材料的研究主要集中在其PTC性能上。由于该材料的室温电阻率一直比较高而限制了其推广应用。如何合成出较低室温电阻率的导电BaTiO3纳米陶瓷粉成为该领域的研究热点。
中国专利申请号为200410043615.9、公开日为2005年2月23日、公开号为CN1583666A、名称为“稀土气相扩渗制备钛酸盐导电粉末的方法”的发明专利申请，所公开的对BaTiO3纳米陶瓷粉的气相稀土扩渗改性是一种有效的降低粉体电阻率的改性方法，但是这种改性方法需要先经过BaTiO3纳米陶瓷粉的烧结合成步骤，导致合成与改性的分步进行。其合成步骤需要将凝胶粉在800℃条件下烧结2小时以上，因此导致该方法存在合成效率低、能耗高的技术缺陷。
发明内容
本发明的目的在于解决现有稀土扩渗方法制备BaTiO3导电纳米粉需要经过粉体的烧结与扩渗改性两步完成而导致的合成效率低、能耗大的问题，进而提供一种对凝胶扩渗稀土一步合成BaTiO3导电纳米粉的方法。
本发明的技术方案是：待扩渗炉升温至设定的温度后，向炉内滴入甲醇，以排除炉内的空气；将10～100g的BaTiO3凝胶粉置于扩渗炉内；然后向炉内滴入含稀土元素的扩渗液，即可得到BaTiO3导电纳米粉。
本发明的有益效果：相对于现有技术，本发明将BaTiO3导电纳米粉的合成步骤和稀土扩渗改性步骤在时间与空间上进行了统一，实现了原位改性方式的一步合成，进而较现有技术能更有效的提高产品的导电性能。并且由于省略了对凝胶粉的高温烧结过程，每制备100g纳米粉可以节约电能10kw以上。本发明简化了工艺步骤，提高了产品的合成效率，降低了生产成本，适合低碳型工业化生产。
附图说明
图1是本发明具体实施方式所制备的导电BaTiO3纳米陶瓷粉的XRD图。从图1中可以看出，本发明一步法合成的产品为四方相BaTiO3，其各个晶面的衍射峰均较为明显，说明本发明能够有效的合成完整的目标晶相。并且，可以发现产品中含有少量关于扩渗元素的稀土化合物生成。
图2是本发明具体实施方式所制备的导电BaTiO3纳米陶瓷粉的SEM图。从图2中可以看出，本发明一步法合成的产品的表面形貌较为规整，粉体粒径均匀且为纳米级。典型的粒径尺寸为20nm。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的合成方法是：待扩渗炉升温至设定的温度后，向炉内滴入甲醇，以排除炉内的空气；将10～100g的BaTiO3凝胶粉置于扩渗炉内；然后向炉内滴入含稀土元素的扩渗液，即可得到BaTiO3导电纳米粉。
所述扩渗炉升温至设定的温度为700℃～900℃。
所述滴入甲醇的时间为1.5～3min。
所述滴入甲醇的滴速为每分钟10～20滴。
所述滴入含稀土元素扩渗液的时间为4～6小时。
所述含稀土元素扩渗液的滴速为每分钟10～20滴。
所述的扩渗液由稀土元素的氯化物溶于甲醇制得。
所述的扩渗液含稀土元素为La、Ce、Sm或Nd。
所述的含稀土元素的扩渗液的浓度为2wt％～6wt％。
所述BaTiO3凝胶粉的制备方法为：一、将15.326g乙酸钡溶于去离子水中，得到乙酸钡的饱和溶液；二、向20.421g钛酸四丁酯中加入50ml正丁醇后混溶，再加入20ml冰醋酸，得到混和体系；三、将乙酸钡的饱和溶液滴加到混和体系中，滴加速度每分钟小于60滴，得到淡黄色透明溶液，然后静置24小时，再在80℃的条件下干燥72小时，研磨后即得纯BaTiO3凝胶粉。
具体实施方式二：本实施方式的合成方法是：待扩渗炉升温至700℃后，向炉内以每分钟15滴的滴速滴入甲醇2min，以排除炉内的空气；然后将BaTiO3凝胶粉置于扩渗炉内；最后向炉内以每分钟15滴的滴速滴入含3wt％Sm元素的扩渗液4小时，即可得到BaTiO3导电纳米粉。产品的室温电阻率为7.54×10-5Ω·m，平均粒径为20nm，产品XRD衍射谱图如图1所示，其形貌如图2所示。
具体实施方式三：本实施方式的合成方法是：待扩渗炉升温至900℃后，向炉内以每分钟15滴的滴速滴入甲醇2min，以排除炉内的空气；然后将BaTiO3凝胶粉于扩渗炉内；最后向炉内以每分钟15滴的滴速滴入含2wt％Ce元素的扩渗液3小时，即可得到BaTiO3导电纳米粉。产品的室温电阻率为8.78×10-5Ω·m，平均粒径为30nm，产品XRD衍射谱图类似图1所示，其形貌类似图2所示。
具体实施方式四：本实施方式的合成方法是：待扩渗炉升温至800℃后，向炉内以每分钟15滴的滴速滴入甲醇2min，以排除炉内的空气；然后将BaTiO3凝胶粉置于扩渗炉内；最后向炉内以每分钟15滴的滴速滴入含5wt％La元素的扩渗液5小时，即可得到BaTiO3导电纳米粉。产品的室温电阻率为7.79×10-5Ω·m，平均粒径为35nm，产品XRD衍射谱图类似图1所示，其形貌类似图2所示。
具体实施方式五：本实施方式的合成方法是：待扩渗炉升温至700℃后，向炉内以每分钟15滴的滴速滴入甲醇2min，以排除炉内的空气；然后将BaTiO3凝胶粉置于扩渗炉内；最后向炉内以每分钟15滴的滴速滴入含4wt％Sm元素的扩渗液3小时，即可得到BaTiO3导电纳米粉。产品的室温电阻率为5.68×10-5Ω·m，平均粒径为15nm，产品XRD衍射谱图类似图1所示，其形貌类似图2所示。
具体实施方式六：本实施方式的合成方法是：待扩渗炉升温至700℃后，向炉内以每分钟15滴的滴速滴入甲醇2min，以排除炉内的空气；然后将BaTiO3凝胶粉置于扩渗炉内；最后向炉内以每分钟15滴的滴速滴入含6wt％Nd元素的扩渗液3小时，即可得到BaTiO3导电纳米粉。产品的室温电阻率为4.94×10-5Ω·m，平均粒径为10nm，产品XRD衍射谱图类似图1所示，其形貌类似图2所示。
本发明具有如下具体优点：
(1)本发明一步合成法与原有技术的二步合成法相比，简化了工艺步骤，提高了产品的合成效率，降低了生产成本。
(2)本发明一步合成法省略了对凝胶粉800℃、2小时以上的烧结过程，较大程度上的降低了产品的生产能耗，符合低碳经济的发展要求。
(3)本发明一步合成法使得产品合成步骤和稀土扩渗改性步骤在时间与空间上得以统一，实现了原位改性，因此较传统扩渗技术能更有效的提高产品的导电性能。其室温电阻率可达到10-5Ω·m低于中国专利申请号为200410043615.9所公开的传统扩渗法制得的产品电阻率10-4Ω·m。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种对凝胶扩渗稀土一步合成BaTiO3导电纳米粉的方法，其特征在于，将15.326g乙酸钡溶于去离子水中，得到乙酸钡的饱和溶液；向20.421g钛酸四丁酯中加入50ml正丁醇后混溶，再加入20ml冰醋酸，得到混和体系；将乙酸钡的饱和溶液滴加到混和体系中，滴加速度每分钟小于60 滴，得到淡黄色透明溶液，然后静置24小时，再在80℃的条件下干燥72小时，研磨后即得纯BaTiO3凝胶粉；待扩渗炉升温至设定的温度700℃～900℃后，向炉内滴入甲醇，以排除炉内的空气；将10~100g的BaTiO3凝胶粉置于扩渗炉内；然后向炉内滴入含稀土元素的扩渗液，滴入含稀土元素扩渗液的时间为4~6小时，滴速为每分钟10~20 滴，扩渗液的浓度为2wt%~6wt%，即可得到BaTiO3导电纳米粉。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滴入甲醇的时间为1.5~3min。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述滴入甲醇的滴速为每分钟10~20 滴。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的扩渗液由稀土元素的氯化物溶于甲醇制得。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的扩渗液含稀土元素为La、Ce、Sm或Nd。
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