CN103043726A - 椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,采用三价铁盐和羟基或/和羰基表面活性剂的原料组合,使得羟基或羰基与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,含羟基或羰基的表面活性剂分子的不规则运动加剧,诱导形成椭球形α-Fe2O3晶种,获得的产品粒径均匀,且制备过程中,表面活性剂的全程参与有效抑制了硬团聚,粒径的可控范围较宽,原料易得成本低,制备工艺简便;制备的椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的粒径分布在90~800nm±10纳米,可实现粒径在90~800nm范围内调控,提高了产能,可实现工业化。

Description

椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化铁颗粒的制备方法,具体涉及一种椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法。
背景技术
氧化铁应用较多的主要是α-Fe2O3,α-Fe2O3纳米颗粒,主要性质是有较好的耐热性、磁性、耐光性,同时具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等优势,上述性质使得α-Fe2O3表现出很多不同于普通尺寸材料的特征。
同时,α-Fe2O3因无毒无害、廉价、化学稳定性好,也越来越广泛地在橡胶、陶瓷、颜料、建筑材料、智能材料等领域得到应用。现有技术中,球状、立方体、方片形、纺锤体的纳米α-Fe2O3颗粒的应用较多。其中球形纳米α-Fe2O3颗粒在智能材料领域的应用较为理想;但是,经研究得出,椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的实际运用价值要优于球形α-Fe2O3纳米颗粒。
现有技术中,α-Fe2O3的合成路线是先合成前驱体氧化铁黄,再经高温处理,脱水转化成纳米Fe2O3,所合成的粉体团聚严重,且颗粒不具有规则的形貌。典型的制法有固相反应法、沉淀法、溶胶凝胶法。水解法易制得单分散的粒子,但是生产周期过长、产率低,需在低浓度下进行。而水热法合成的纳米α-Fe2O3颗粒纯度非常高,不含其他杂质;同时水热合成法原料易得、产物颗粒晶形好、分散性好、形貌可控成本相对较低、产量高。所以,水热合成法是一种非常重要的合成纳米α-Fe2O3颗粒的方法,具有很大的应用前景。
利用现有的上述方法能够获得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒,但是获得的产品粒径不够均匀,粒径范围较大,且制备过程中,粒径的可控范围较窄,可操作性不强,所以寻找一种可以制备椭球形α-Fe2O3纳米颗粒和尺寸可控的合成方法变的极其重要。
因此,需要一种椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,获得的产品粒径均匀,且制备过程中,不发生团聚,粒径的可控范围较宽,原料易得成本低,制备工艺简便。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的提供一种椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,获得的产品粒径均匀,且制备过程中,不发生团聚,粒径的可控范围较宽,原料易得成本低,制备工艺简便。
本发明的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,包括下列步骤:
a.将三价铁盐和羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中;
b.加热至100~180℃,反应0.5~5h,制备出α-Fe2O3晶种;
c.调节pH=9~11;
d.过滤后的固体洗涤并分散于水或乙醇水溶液中,于不小于转速500rpm搅拌10~60分钟打浆;
e.加热至100~180℃反应0.5~6h;
f.洗涤后于50~100℃真空烘干,得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒。
进一步,所用表面活性剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、十一烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十三烷基苯磺酸钠或十四烷基苯磺酸钠一种或多种的混合物;
进一步,步骤a中,所述三价铁盐溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.01~1mol/L,所述羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.01~100g/L;
进一步,步骤a中,所述三价铁盐溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.5mol/L,所述羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为3g/L;
进一步,步骤a和d中,如选择乙醇的水溶液作为溶剂,则体积浓度为10~95%;
进一步,步骤c中,pH调整是在不断搅拌下加入尿素、氨水、氢氧化钠或氢氧化钾完成;
进一步,步骤f中,洗涤时,通过水及乙醇洗涤1~10次,将椭球形α-Fe2O3纳米颗粒提纯;
进一步,步骤b中,加热至150℃,反应3h;步骤c中,调节pH=10;步骤d中,过滤后的固体形成滤饼,用水洗涤并分散于水或乙醇水溶液中,于3000rpm搅拌30分钟打浆;步骤e中,加热至150℃反应3h;
进一步,步骤a中,所述三价铁盐为硫酸铁、硝酸铁或氯化铁。
本发明的有益效果:本发明的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,采用三价铁盐和羟基或/和羰基表面活性剂的原料组合,使得羟基或羰基与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,含羟基或羰基的表面活性剂分子的不规则运动加剧,诱导形成椭球形α-Fe2O3晶种,获得的产品粒径均匀,且制备过程中,表面活性剂的全程参与有效抑制了硬团聚,粒径的可控范围较宽,原料易得成本低,制备工艺简便;制备的椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的粒径分布在90~800nm±10纳米,可实现粒径在90~800nm范围内调控,提高了产能,可实现工业化。
附图说明
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图1为本发明所的产品的效果图。
具体实施方式
本发明椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,包括下列步骤:
a.将三价铁盐和羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中;
b.加热至100~180℃,反应0.5~5h,制备出α-Fe2O3晶种;上述反应一般在反应釜中进行,溶液在沸腾状态下,Fe3+水解与[Fe(OH)3]n缩聚导致α-Fe2O3晶种的产生;
c.调节pH=9~11;
d.过滤后的固体洗涤并分散于水或乙醇水溶液中,于不小于转速500rpm搅拌10~60分钟打浆;
e.加热至100~180℃反应0.5~6h;反应一般在反应釜中进行,在沸腾状态下,表面活性剂的羟基或羰基容易与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,同时,含羟基或羰基的表面活性剂分子的不规则运动加剧,诱导形成椭球形α-Fe2O3晶种;
f.洗涤后于50~100℃真空烘干,得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒;所得结果如图1所示,为椭球形结构,图中为放大后的椭球形颗粒,并标有50nm的比例尺。
本实施例中,所用表面活性剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、十一烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十三烷基苯磺酸钠或十四烷基苯磺酸钠一种或多种的混合物;上述物质的羟基或羰基更容易与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,同时,上述物质的分子的不规则运动加剧更为明显,诱导形成更为均匀的椭球形α-Fe2O3晶种。
本实施例中,步骤a中,所述三价铁盐溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.01~1mol/L,所述羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.01~100g/L;该范围的浓度使得反应效率较高,节约反应能源。
本实施例中,步骤a中,所述三价铁盐溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.5mol/L,所述羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为6g/L;该比例以及溶液浓度,能够最佳的体现反应效率以及产品质量。
本实施例中,步骤a和d中,如选择乙醇的水溶液作为溶剂,则体积浓度为10~95%。
本实施例中,步骤c中,在不断搅拌下加入尿素、氨水、氢氧化钠或氢氧化钾直至pH=9~11;原料来源广泛,成本较低。
本实施例中,步骤f中,洗涤时,通过水及乙醇洗涤1~10次,将椭球形α-Fe2O3纳米颗粒提纯;以保证后续工艺中保证产品质量。
本实施例中,步骤b中,加热至150℃,反应3h;步骤c中,调节pH=10;步骤d中,过滤后的固体形成滤饼,用水洗涤并分散于水或乙醇水溶液中,于3000rpm搅拌30分钟打浆;步骤e中,加热至150℃反应3h;上述反应的工艺参数,能够最佳的体现反应效率以及产品质量。
本实施例中,步骤a中,所述三价铁盐为硫酸铁、硝酸铁或氯化铁。
以下为本发明的具体实施例:
实施例一
本实施例的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,包括下列步骤:
a.按摩尔数为2.5称取硝酸铁,并称取作为表面活性剂的聚乙烯醇30克,二者均溶解于水中形成溶液5L;
b.加热至150℃,反应3h,制备出α-Fe2O3晶种;上述反应一般在反应釜中进行,溶液在沸腾状态下,Fe3+水解与[Fe(OH)3]n缩聚导致α-Fe2O3晶种的产生;
c.加入1mol/L NaOH直至pH至10;
d.过滤后的固体形成滤饼,用水洗涤并分散于5L水中,于转速3000rpm机械搅拌10分钟打浆;
e.加热至150℃反应3h;反应一般在反应釜中进行,在沸腾状态下,表面活性剂的羟基或羰基容易与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,同时,含羟基或羰基的表面活性剂分子的不规则运动加剧,诱导形成椭球形α-Fe2O3晶种;
f.经离心分离并依次通过2次水及2次乙醇洗涤,洗涤次数根据实际情况可以增加;洗涤后于70℃真空烘干,得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒。
本实施例中,工艺过程中无硬团聚发生,制备的椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的粒径分布在差值在10纳米以内。
实施例二
本实施例的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,包括下列步骤:
a.按摩尔数为5称取氯化铁,并称取作为表面活性剂的乙二醇500克,二者均溶解于乙醇的水溶液中形成溶液5L;
b.加热至100℃,反应6h,制备出α-Fe2O3晶种;上述反应一般在反应釜中进行,溶液在沸腾状态下,Fe3+水解与[Fe(OH)3]n缩聚导致α-Fe2O3晶种的产生;
c.加入1mol/L NaOH直至pH至9;
d.过滤后的固体形成滤饼,用水洗涤并分散于5L乙醇的水溶液中,于转速500rpm机械搅拌60分钟打浆;
e.加热至100℃反应6h;反应一般在反应釜中进行,在沸腾状态下,表面活性剂的羟基或羰基容易与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,同时,含羟基或羰基的表面活性剂分子的不规则运动加剧,诱导形成椭球形α-Fe2O3晶种;
f.经离心分离并依次通过1次水及1次乙醇洗涤,洗涤次数根据实际情况可以增加;洗涤后于100℃真空烘干,得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒。
本实施例中,工艺过程中无硬团聚发生,制备的椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的粒径分布在差值在20纳米以内。
实施例三
本实施例的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,包括下列步骤:
a.按摩尔数为0.05称取硫酸铁,并称取作为表面活性剂的十二烷基苯磺酸钠15克和聚乙二醇15克,上述硫酸铁及表面活性剂均溶解于乙醇的水溶液中形成溶液5L;
b.加热至180℃,反应0.5h,制备出α-Fe2O3晶种;上述反应一般在反应釜中进行,溶液在沸腾状态下,Fe3+水解与[Fe(OH)3]n缩聚导致α-Fe2O3晶种的产生;
c.加入1mol/L氨水直至pH至11;
d.过滤后的固体形成滤饼,用水洗涤并分散于5L水中,于转速1500rpm机械搅拌40分钟打浆;
e.加热至180℃反应0.5h;反应一般在反应釜中进行,在沸腾状态下,表面活性剂的羟基或羰基容易与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,同时,含羟基或羰基的表面活性剂分子的不规则运动加剧,诱导形成椭球形α-Fe2O3晶种;
f.经离心分离并依次通过2次水及5次乙醇洗涤,洗涤次数根据实际情况可以增加;洗涤后于50℃真空烘干,得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒。
本实施例中,工艺过程中无硬团聚发生,制备的椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的粒径分布在差值在18纳米以内。
实施例四
本实施例的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,包括下列步骤:
a.按摩尔数为0.5称取三氯化铁,并称取作为表面活性剂的聚乙烯醇150克和聚乙二醇20克,上述硫酸铁及表面活性剂均溶解于乙醇的水溶液中形成溶液5L;
b.加热至120℃,反应5h,制备出α-Fe2O3晶种;上述反应一般在反应釜中进行,溶液在沸腾状态下,Fe3+水解与[Fe(OH)3]n缩聚导致α-Fe2O3晶种的产生;
c.加入1mol/L氢氧化钾直至pH至10;
d.过滤后的固体形成滤饼,用水洗涤并分散于5L乙醇的水溶液中,于转速1000rpm机械搅拌50分钟打浆;
e.加热至140℃反应1.5h;反应一般在反应釜中进行,在沸腾状态下,表面活性剂的羟基或羰基容易与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,同时,含羟基或羰基的表面活性剂分子的不规则运动加剧,诱导形成椭球形α-Fe2O3晶种;
f.经离心分离并依次通过2次水及2次乙醇洗涤,洗涤次数根据实际情况可以增加;洗涤后于80℃真空烘干,得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒。
本实施例中,工艺过程中无硬团聚发生,制备的椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的粒径分布在差值在15纳米以内。
实施例五
本实施例的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,包括下列步骤:
a.按摩尔数为4称取三氯化铁,并称取作为表面活性剂的聚乙烯醇150克和聚丙烯酸钠250克,上述硫酸铁及表面活性剂均溶解于乙醇的水溶液中形成溶液5L;
b.加热至160℃,反应2h,制备出α-Fe2O3晶种;上述反应一般在反应釜中进行,溶液在沸腾状态下,Fe3+水解与[Fe(OH)3]n缩聚导致α-Fe2O3晶种的产生;
c.加入1mol/L尿素直至pH至9;
d.过滤后的固体形成滤饼,用水洗涤并分散于5L水中,于转速2000rpm机械搅拌30分钟打浆;
e.加热至130℃反应1.5h;反应一般在反应釜中进行,在沸腾状态下,表面活性剂的羟基或羰基容易与Fe(OH)3的-OH形成氢键而吸附在晶体表面,同时,含羟基或羰基的表面活性剂分子的不规则运动加剧,诱导形成椭球形α-Fe2O3晶种;
f.依次通过2次水及2次乙醇洗涤,洗涤次数根据实际情况可以增加;洗涤后于60℃真空烘干,得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒。
本实施例中,工艺过程中无硬团聚发生,制备的椭球形α-Fe2O3纳米颗粒的粒径分布在差值在18纳米以内。
由上述实施例可以看出,本发明具有较均匀的粒径分布,特别是实施例一,相对于其它实施例性能尤显突出。
对于上述实施例,将表面活性剂按下列成分进行等量替换:聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、十一烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十三烷基苯磺酸钠或十四烷基苯磺酸钠;则发现,采用聚乙二醇和聚乙烯醇效果较聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、十一烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十三烷基苯磺酸钠或十四烷基苯磺酸钠要好。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:包括下列步骤:
a.将三价铁盐和羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中;
b.加热至100~180℃,反应0.5~5h,制备出α-Fe2O3晶种;
c.调节pH=9~11;
d.过滤后的固体洗涤并分散于水或乙醇水溶液中,于不小于转速500rpm搅拌10~60分钟打浆;
e.加热至100~180℃反应0.5~6h;
f.洗涤后于50~100℃真空烘干,得椭球形α-Fe2O3纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:所用表面活性剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、十一烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十三烷基苯磺酸钠或十四烷基苯磺酸钠一种或多种的混合物。
3.根据权利要求2所述的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:步骤a中,所述三价铁盐溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.01~1mol/L,所述羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.01~100g/L。
4.根据权利要求3所述的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:步骤a中,所述三价铁盐溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为0.5mol/L,所述羟基或/和羰基表面活性剂溶解于水或乙醇的水溶液中的浓度范围为3g/L。
5.根据权利要求4所述的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:步骤a和d中,如选择乙醇的水溶液作为溶剂,则体积浓度为10~95%。
6.根据权利要求5所述的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:步骤c中,pH调整是在不断搅拌下加入尿素、氨水、氢氧化钠或氢氧化钾完成。
7.根据权利要求6所述的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:步骤f中,洗涤时,通过水及乙醇洗涤1~10次,将椭球形α-Fe2O3纳米颗粒提纯。
8.根据权利要求7所述的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:步骤b中,加热至150℃,反应3h;步骤c中,调节pH=10;步骤d中,过滤后的固体形成滤饼,用水洗涤并分散于水或乙醇水溶液中,于3000rpm搅拌30分钟打浆;步骤e中,加热至150℃反应3h。
9.根据权利要求8所述的椭球形粒径可控α-Fe2O3纳米颗粒的制备方法,其特征在于:步骤a中,所述三价铁盐为硫酸铁、硝酸铁或氯化铁。
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