CN103232050B - 一种表面包覆改性勃姆石及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于无机粉体纳米材料制备技术领域的一种结晶度高、分散性好的表面包覆改性勃姆石及其制备方法。该方法以水为溶剂、硫酸铝为铝源、氢氧化钠为沉淀剂，经水热反应得到结晶度高的勃姆石悬浮液；然后以水为溶剂、聚乙二醇为改性剂，硼砂为引发剂，对经水热反应得到的未干燥的勃姆石进行表面包覆改性，改变其表面性质，改善了勃姆石粉体的分散性和粒径。本发明以水为溶剂，避免了使用有机溶剂产生的毒性和危险性，以及环境污染问题。本发明得到的表面包覆改性的勃姆石粉体的粒径分布均匀且小，结晶度高，分散性好，形貌清晰呈片状。该制备方法操作简便，降低了改性过程的成本，并解决了目前干法改性时产品分散性差的问题。
Description
技术领域
本发明属于无机粉体纳米材料制备技术领域，特别涉及一种结晶度高、分散性好的表面包覆改性勃姆石及其制备方法。
背景技术
氧化铝具有耐高温，耐磨性，较好的热传导性、稳定性，成本低廉等优点，广泛应用于工业陶瓷、医学、电磁学、催化剂等方面，目前氧化铝的制备方法有很多种。其中勃姆石(γ-AlOOH)又名一水软铝石，是沉淀法制备氧化铝常见的前驱体，且勃姆石是铝土矿中的一种，可以用于建筑材料。制备出性能优良的勃姆石是合成高质量的超细氧化铝的基础。目前勃姆石的制备方法有很多种，包括沉淀法、溶胶-悬浮液法、水热法，不同的制备方法得到γ-AlOOH粉体的结晶度差别很大，其中沉淀法和溶胶-悬浮液法制备得到的γ-AlOOH粉体结晶度差，且纯度不高。水热法是将铝盐和碱液置于密闭的高压高温反应釜中经长时间成核晶化，能获得结晶度高的γ-AlOOH粉体。通过改变水热反应条件，能有效地控制粉末的粒度和形貌，在较低温度下获得纯度高、结晶度好的粉体。
经水热反应制备得到的γ-AlOOH由于表面存在大量羟基，在干燥过程中因不同颗粒间的羟基脱水使颗粒之间形成氧桥键而发生团聚，使得粉体的分散性变差和粒径增大，降低粉体的性能，从而影响高温煅烧制备氧化铝的性能。因此通过表面包覆改性的方案，改善粉体的性能。目前文献报导中很少涉及γ-AlOOH粉体的表面改性。一般粉体表面改性的方法有干法和湿法两种。但在干法改性之前，粉体在烘干时因脱水已发生团聚，只能改变粉体的表面性能，不能很好地改善粉体的分散性。为有效防止粉体颗粒间的团聚，应在粉体颗粒产生化学团聚之前进行表面改性。常用的方法是在粉体干燥前进行湿法改性。粉体湿法表面改性的方法非常多，但由于大多改性剂多为易水解的有机物，所以用水作为溶剂的改性效果较差。以有机物为溶剂进行改性，存在着毒性和危险性，不利于改性操作，且改性成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结晶度高、分散性好的表面包覆改性勃姆石及其制备方法。
本发明以水为溶剂、硫酸铝为铝源、氢氧化钠为沉淀剂，经水热反应得到勃姆石悬浮液；然后以水为溶剂、聚乙二醇为改性剂，硼砂为引发剂，对经水热反应得到的未干燥的勃姆石进行表面包覆改性。
本发明的具体制备步骤如下：
1)分别配制硫酸铝溶液和氢氧化钠溶液，在不断搅拌下，将氢氧化钠溶液滴入硫酸铝溶液中直至pH值为8-10，得到氢氧化铝悬浮液；
2)将氢氧化铝悬浮液移入高压釜，140-230℃下反应3-8h后冷却至室温，去离子水离心洗涤，直至滤液中无硫酸根离子，然后将7-10g滤饼分散在100-400ml去离子水中，搅拌1-2h，形成均匀的悬浮液；
3)取0.1-0.3g聚乙二醇溶解于10-20ml去离子水，然后加入步骤2)得到的悬浮液中，搅拌1-2h后，加入10-20ml硼砂溶液，硼砂溶液中含硼砂0.05-0.15g，继续搅拌20-30min，去离子水离心洗涤，最后置于120-150℃烘箱中干燥2-3h，即得到表面包覆改性勃姆石。
步骤1)所述的硫酸铝溶液的浓度为0.15-0.45mol/L；所述的氢氧化钠溶液的浓度为1.5-4mol/L。
步骤3)所述的聚乙二醇的分子量为5500-7500。
步骤3)得到表面包覆改性勃姆石的粒径为50-400nm，zeta电位为5-20。
本发明的优点在于：用水热反应制备勃姆石，滤饼在干燥时颗粒之间表面的羟基因脱水形成氧桥而团聚，是影响勃姆石粉体质量的主要因素。因此本发明采用表面包覆的原理对勃姆石滤饼进行改性，即使用聚乙二醇对勃姆石滤饼在水介质中进行表面改性，使聚乙二醇包覆在勃姆石粉体表面，减少干燥过程中不同颗粒之间因羟基脱水而发生的团聚现象，达到改善勃姆石粉体的分散性的效果。同时，本发明以水为溶剂，避免了使用有机溶剂产生的毒性和危险性，以及环境污染问题。本发明得到的表面包覆改性的勃姆石粉体的粒径分布均匀且小，结晶度高，分散性好，形貌清晰呈片状。该制备方法操作简便，降低了改性过程的成本，并解决了目前干法改性时产品分散性差的问题。
附图说明
图1为实施例1得到的表面包覆改性勃姆石的粒度分布图。
图2为实施例1得到的表面包覆改性勃姆石的zeta电位图。
图3为实施例1得到的表面包覆改性勃姆石的扫描电镜图。
图4为对比例1经水热反应制得的勃姆石的X射线衍射分析图。
图5为对比例1经水热反应制得的勃姆石的粒度分布图。
图6为对比例1经水热反应制得的勃姆石的zeta电位图。
图7为对比例1经水热反应制得的勃姆石的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
1)称取60g的硫酸铝(Al3SO4·18H2O)溶于300ml去离子水中得到硫酸铝溶液，称取23g氢氧化钠(NaOH)溶于200ml去离子水得到氢氧化钠溶液，在不断搅拌下，将氢氧化钠溶液缓慢滴入硫酸铝溶液中直至pH值为9，得到氢氧化铝悬浮液；
2)将氢氧化铝悬浮液移入高压釜中，180℃下反应3h后冷却至室温，去离子水离心洗涤，直至用氯化钡溶液检测滤液无硫酸根离子，然后将滤饼直接分散在100ml去离子水，在室温下快速搅拌2h，形成均匀的悬浮液，悬浮液的pH值为7；
3)取0.3g分子量为6000的聚乙二醇溶解于10ml去离子水中，然后加入步骤2)得到的悬浮液中，在室温下快速搅拌1h后，加入10ml含有0.15g硼砂的水溶液，继续搅拌30min，去离子水离心洗涤，最后置于120℃烘箱中干燥3h，即得到表面包覆改性勃姆石。
表面包覆改性勃姆石粉体的粒度分布图和zeta电位分别见图1、2，表面改性后的粉体粒径小，在100nm左右，表面电荷发生了变化，其zeta电位值为20，粉体的稳定性提高。扫描电镜图见图3，表面改性后的粉体形貌清晰呈片状，且晶界清晰，分散性好。改性后的粉体的X射线衍射分析图与对比例1中的相似。
实施例2
1)称取60g的硫酸铝(Al3SO4·18H2O)溶于300ml去离子水中得到硫酸铝溶液，称取23g氢氧化钠(NaOH)溶于200ml去离子水得到氢氧化钠溶液，在不断搅拌下，将氢氧化钠溶液缓慢滴入硫酸铝溶液中直至pH值为9，得到氢氧化铝悬浮液；
2)将氢氧化铝悬浮液移入高压釜中，230℃下反应3h后冷却至室温，去离子水离心洗涤，直至用氯化钡溶液检测滤液无硫酸根离子，然后将滤饼直接分散在100ml去离子水，在室温下快速搅拌2h，形成均匀的悬浮液，悬浮液的pH值为7；
3)取0.3g分子量为6000的聚乙二醇溶解于10ml去离子水中，然后加入步骤2)得到的悬浮液中，在室温下快速搅拌2h后，加入10ml含有0.15g硼砂的水溶液，继续搅拌30min，去离子水离心洗涤，最后置于120℃烘箱中干燥3h，即得到表面包覆改性勃姆石。
上述得到的表面包覆改性勃姆石粉体的X射线衍射分析图、扫描电镜图与实施例1中的相似，但粉体的粒径有80%分布在60nm左右，其余分布在400nm附近；zeta电位为14.1。
实施例3
1)称取60g的硫酸铝(Al3SO4·18H2O)溶于300ml去离子水中得到硫酸铝溶液，称取23g氢氧化钠(NaOH)溶于200ml去离子水得到氢氧化钠溶液，在不断搅拌下，将氢氧化钠溶液缓慢滴入硫酸铝溶液中直至pH值为9，得到氢氧化铝悬浮液；
2)将氢氧化铝悬浮液移入高压釜中，180℃下反应3h后冷却至室温，去离子水离心洗涤，直至用氯化钡溶液检测滤液无硫酸根离子，然后将滤饼直接分散在400ml去离子水，在室温下快速搅拌2h，形成均匀的悬浮液，悬浮液的pH值为7；
3)取0.2g聚乙二醇溶解于10ml去离子水中，然后加入步骤2)得到的悬浮液中，在室温下快速搅拌1h后，加入10ml含有0.15g硼砂的水溶液，继续搅拌30min，去离子水离心洗涤，最后置于120℃烘箱中干燥3h，即得到表面包覆改性勃姆石。
上述得到的表面包覆改性勃姆石粉体的X射线衍射分析图、扫描电镜图与实施例1中的相似，粒径分布在300nm左右；zeta电位为5.5。
对比例1
1)称取60g的硫酸铝(Al3SO4·18H2O)溶于300ml去离子水中得到硫酸铝溶液，称取23g氢氧化钠(NaOH)溶于200ml去离子水得到氢氧化钠溶液，在不断搅拌下，将氢氧化钠溶液缓慢滴入硫酸铝溶液中直至pH值为9，得到氢氧化铝悬浮液；
2)将氢氧化铝悬浮液移入高压釜中，180℃下反应3h后冷却至室温，去离子水离心洗涤，直至用氯化钡溶液检测滤液无硫酸根离子，最后将滤饼置于120℃烘箱中干燥3h，即可得到勃姆石粉体。
图4是氢氧化铝悬浮液经水热反应得到的粉体的X射线衍射分析图。由图可知，粉体为结晶度高的晶体，对照标准谱图可知，该粉体为勃姆石。粉体勃姆石的粒度分布和表面电荷情况见图5、6，粉体的粒径在1-2μm，表面的电荷为负电荷，zeta电位为-2.76。粉体的扫描电镜图见图7，说明粉体的形貌为片状，存在严重的团聚现象，分散性差。
Claims (2)
1.一种表面包覆改性勃姆石的制备方法，其特征在于，该方法以水为溶剂、硫酸铝为铝源、氢氧化钠为沉淀剂，经水热反应得到勃姆石悬浮液；然后以水为溶剂、聚乙二醇为改性剂，硼砂为引发剂，对经水热反应得到的未干燥的勃姆石进行表面包覆改性；
所述的制备方法的具体制备步骤如下：
1)分别配制硫酸铝溶液和氢氧化钠溶液，在不断搅拌下，将氢氧化钠溶液滴入硫酸铝溶液中直至pH值为8-10，得到氢氧化铝悬浮液；
2)将氢氧化铝悬浮液移入高压釜，140-230℃下反应3-8h后冷却至室温，去离子水离心洗涤，直至滤液中无硫酸根离子，然后将7-10g滤饼分散在100-400mL去离子水中，搅拌1-2h，形成均匀的悬浮液；
3)取0.1-0.3g聚乙二醇溶解于10-20mL去离子水，然后加入步骤2)得到的悬浮液中，搅拌1-2h后，加入10-20mL硼砂溶液，硼砂溶液中含硼砂0.05-0.15g，继续搅拌20-30min，去离子水离心洗涤，最后置于120-150℃烘箱中干燥2-3h，即得到表面包覆改性勃姆石；
步骤3)所述的聚乙二醇的分子量为5500-7500；
步骤3)得到表面包覆改性勃姆石的粒径为50-400nm，zeta电位为5-20。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的硫酸铝溶液的浓度为0.15-0.45mol/L；所述的氢氧化钠溶液的浓度为1.5-4mol/L。
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