CN104575625A - 作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法 - Google Patents

作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，包括以下步骤：1)、将水溶性表面活性剂溶于去离子水中，得混合溶液A；2)、将溶剂与螯合剂、铝盐前驱体混合，得混合溶液B1；3)、在混合溶液B1中加入锂源持续搅拌，得到混合溶液B2；4)、将Span80和相分离诱导剂加入上述混合溶液B2中，再持续搅拌，得混合溶液B3；5)、混合溶液A加入到高速分散机中搅拌，然后加入混合溶液B3，持续搅拌，得乳状液；6)、将步骤5)所得的乳状液离心，对离心所得固态物洗涤后干燥，再于1000～1300℃的温度下热处理2～4h，得到偏铝酸锂多孔微球。该偏铝酸锂多孔微球具有内部封闭大孔结构。

Description

作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法
技术领域
本发明涉及一种可用作固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法；尤其涉及到具有内部封闭大孔结构的偏铝酸锂多孔微球的制备方法。
背景技术
在热核聚变反应中，为了维持燃料的循环，必须要不断的补充氚。目前行之有效的方法是通过中子和锂的反应来增殖氚。固体增殖剂是为了解决熔融金属锂、锂的熔盐以及锂合金等传统增殖剂的安全性问题而发展起来的一类产氚材料，与传统增殖剂相比，它们还具有化学及热稳定性好、与结构材料的相容性高、氚的提取方便、成本低等优点，因此引发了极为广泛的关注。其中，偏铝酸锂是最具有实用前景的固体增殖剂之一。作为固体氚增殖剂，LiAlO2具有如下优点：在高温下具有良好的化学、热稳定性和力学稳定性，与其他材料的相容性好，尤其是有极好的辐射行为，并且该材料锂的含量相对较高。
固体氚增殖剂的形状可采用柱状、环状或球状等，球形增殖剂具有装卸方便及剩余锂容易回收等特点，且具有较大的比表面积，小球间有更多的通道，透气性能好，有利于氚的扩散和释放。因此，在目前聚变堆设计中，几乎均选用球形增殖剂。
现有偏铝酸锂粉体的制备方法主要有固相反应法、湿化学法、熔盐反应法、燃烧合成法等四大类。其中固相反应法具有能耗大、效率低、烧结性能差、杂质易混入等缺点；燃烧合成法虽设备简单，环保，但成本较高；熔盐反应法能耗大，设备成本高。湿化学法中，乳液法具有装置简单、能耗低、操作容易、能有效控制颗粒大小等特点；溶胶-凝胶法是近几十年迅速发展起来的粉体制备新技术，其优点是工艺、设备简单，制品的纯度高。
对氚固体增殖剂偏铝酸锂多孔陶瓷放氚性能的研究表明：适用于聚变堆的氚增殖包层应具有尽量小的晶粒便于氚的释放，同时丰富的孔结构有助于良好的放氚性能，有利于氚从晶粒表面被载气流冲洗出来。
尽管有关偏铝酸锂粉体的制备方法众多，但有关偏铝酸锂多孔微球的研究还很少。目前为止，仅有报道一种模板辅助水热合成方法(a hydrothermal method with template-assisted)被用于制备偏铝酸锂中空微球,但该方法在制备中空微球过程中需要添加模板作为造孔剂，并且需要在后续的工艺共通过热处理的方法将模板此，工艺较为复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种偏铝酸锂多孔微球的制备方法，该微球具有内部封闭大孔结构。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，包括以下步骤：
1)、将1.5～15g(较佳为12g)水溶性表面活性剂溶于300g去离子水中，搅拌40～90min，得到混合溶液A；
2)、将10～25g溶剂与1～4g(较佳为1.829～2.377g)螯合剂、0.01～0.05mol(较佳为0.018mol)铝盐前驱体混合，并搅拌45～100min，得到混合溶液B1；
3)、在所述混合溶液B1中加入0.012～0.03mol(较佳为0.018mol)锂源，持续搅拌(搅拌时间约为90～120min)，直至得到澄清的混合溶液B2；
4)、将0.2～0.8g(较佳为0.571g)Span80和0.286～1.713g相分离诱导剂加入上述混合溶液B2中，再持续搅拌60～100min，最终得到混合溶液B3(澄清均匀)；
5)、混合溶液A加入到高速分散机中，以800～2000r/min(较佳为1000r/min)速度搅拌30～50min，然后加入步骤4)中得到的混合溶液B3，以800～2000r/min(较佳为1000r/min)的速度持续搅拌20～28h(目的是使之乳化)，得乳状液；
6)、将步骤5)所得的乳状液离心(以7000r/min的转速离心5分钟后)，对离心所得固态物用水或乙醇进行洗涤，然后先于35～45℃下干燥24小时，再于1000～1300℃的温度下热处理2～4h，得到偏铝酸锂多孔微球。
备注说明：
1、上述步骤6)中可对离心和洗涤重复2～3次，然后再依次进行后续的干燥和热处理。
2、上述步骤1)～4)中的搅拌的转速均为500～700r/min。
3、本发明没有明确限定温度的步骤均在室温下进行；室温是指15～25℃。
作为本发明的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法的改进：所述铝盐前驱体与锂源的摩尔比为1：0.6～1.8(较佳为1:1)。
作为本发明的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法的进一步改进：所述步骤1)中的水溶性表面活性剂为Tween20、Tween80、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、乳化剂OP-10中任意一种或两种的混合物。
作为本发明的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法的进一步改进：所述步骤2)中的螯合剂为乙酰乙酸乙酯、丙烯酸、乙酰丙酮、草酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸或乙二胺；铝盐前驱体为异丙醇铝、正丁醇铝或仲丁醇铝。
作为本发明的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法的进一步改进：所述步骤3)中的锂源为硝酸锂、一水合氢氧化锂、二水合醋酸锂、甲醇锂或氯化锂。
作为本发明的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法的进一步改进：所述步骤4)中的相分离诱导剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇、聚丙烯酸或聚丙烯酰胺。
作为本发明的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法的进一步改进：所述步骤2)中的溶剂为异丙醇或正辛醇。
作为本发明的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法的进一步改进：所述步骤6)中，干燥后，以5℃/min的升温速率升温至1000～1300℃进行热处理。
本发明所得的偏铝酸锂多孔微球尺寸为1μm～10μm，其特有的内部独立封闭大孔结构，内部封闭孔径为50nm～800nm，纯度≥90％。本发明在高温下热处理后会形成三维贯通结构，作为固态氚增殖剂使用时，有助于良好的放氚性能。
在本发明的制备方法中，加入螯合剂是为了使其螯合基团与铝原子配位形成一种屏蔽作用，给水分子的亲核取代造成困难，而且其本身的空间位阻效应又较为显著，因此，极大地延缓了铝醇盐的水解和缩聚速率，从而可保证油相溶液凝胶化之前，经过了充分乳化而形成球状结构，有助于得到成球性优良的偏铝酸锂多孔微球。
在本发明中使用的PVP等相分离诱导剂可以很明显地促进相分离过程的进行。随着其用量的增加，体系的相分离趋势增大，使得相分离开始时间提前，从而为相分离相的粗化过程提供更长的时间，从而使得到的偏铝酸锂多孔微球具有更大的内部孔径。
本发明的有益效果是提供了一种新的制备偏铝酸锂多孔微球的方法，通过该方法可获得具有内部封闭大孔结构的微球。
与目前许多采用固相反应烧结法、熔盐水解法等制备偏铝酸锂粉末不同，本发明创新性地运用乳液法结合溶胶凝胶法来制备偏铝酸锂粉末，相对于现有技术而言，本发明无需添加模板作为造孔剂，通过相分离原理就能制备获得所需的偏铝酸锂多孔微球，具有工艺简洁等技术优势。另外所得粉末纯度高、团聚少，且具有内部封闭大孔结构，在高温下热处理后会形成三维贯通结构(如图2所示)，有利于氚从晶粒表面被载气流洗出来，具有良好的放氚性能。
综上所述，本发明旨在利用相分离诱导剂与乳液中的溶胶凝胶过程获得了具有内部封闭大孔结构的偏铝酸锂多孔微球，可作为一种性能优良的固体氚增殖剂。本发明采用乳液法结合溶胶-凝胶法制备偏铝酸锂多孔微球；偏铝酸锂多孔微球具有较高比表面积。另外，对于固体氚增殖剂而言，材料的微观结构直接关系到氚的释放速率。本发明中所得微球尺寸为1μm～10μm，且具有内部封闭大孔结构，在高温下热处理后会形成三维贯通结构，有望成为一种性能优良的固体氚增殖剂。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为实施例1所得的偏铝酸锂多孔微球的扫描电子显微镜图；
此图为放大5000倍所得照片。
图2为实施例3所得偏铝酸锂多孔微球在1300℃热处理后的断面扫描电子显微镜图；
此图为放大15000倍所的照片。
具体实施方式
实施例1、一种偏铝酸锂多孔微球的制备方法，依次进行以下步骤：
1)、4g(0.011mol)十二烷基苯磺酸钠以及8g OP-10(亲水，羟值87±10)溶于300g去离子水中，以500r/min转速搅拌60min，得到混合溶液A；
2)、将1.829g(0.018mol)乙酰丙酮、4.545g(0.018mol)仲丁醇铝溶于16.950g异丙醇，以500r/min转速搅拌60min，得到混合溶液B1；
3)、在步骤2)所得的混合溶液B1中加入1.247g(0.018mol)硝酸锂，持续搅拌90min，从而得到澄清的混合溶液B2；
4)、将0.571gSpan80和1.142g(0.003mol)聚乙二醇加入混合溶液B2中，再持续搅拌60min，并最终得到澄清均匀的混合溶液B3；
5)、将步骤1)所得混合溶液A加入到高速分散机中，以1000r/min速度搅拌30min，将步骤4)中得到的混合溶液B3加入到混合溶液A中，高速(1000r/min)持续搅拌，使之乳化，搅拌时间为24h；
6)、将步骤5)所得乳状液以7000r/min的转速离心5分钟，用水进行洗涤，将上述离心和洗涤的操作再重复三次，收集粉体，并于40℃下干燥24小时，然后以5℃/min的升温速率升温至1000℃的温度下热处理2h，得到偏铝酸锂多孔微球。
该多孔微球尺寸为2～8μm，微球内部为封闭孔结构(如图1所示)，封闭孔孔径为200nm～500nm。比表面积为102m2/g，纯度为90％。
实施例2、将实施例1中的“4g十二烷基苯磺酸钠以及8g OP-10”更改成“12g的十二烷基苯磺酸钠”，其余同实施例1。
所得偏铝酸锂多孔微球的尺寸为1～3μm，微球内部为封闭孔结构，封闭孔孔径为400nm～700nm。比表面积为98m2/g，纯度为88％。
实施例3、将实施例1中的“1.829g乙酰丙酮”更改为“2.377g乙酰乙酸乙酯”，且将热处理温度由1000℃改成1300℃；其余同实施例1。
所得偏铝酸锂多孔微球的尺寸为2～4μm，微球内部为封闭孔结构，封闭孔孔径为500nm～800nm。比表面积为105m2/g，纯度为91％。
实施例4、将实施例1中的“1.247g(0.018mol)硝酸锂”更改为“1.159g(0.018mol)氯化锂”，其余同实施例1。
所得偏铝酸锂多孔微球的尺寸为5～10μm，微球内部为封闭孔结构，封闭孔孔径为300nm～600nm。比表面积为101m2/g，纯度为90％。
实施例5、将实施例1中的“1.142g聚乙二醇”更改为“0.286g聚乙二醇”，其余同实施例1。
所得偏铝酸锂多孔微球的尺寸为5～10μm，微球内部为封闭孔结构，封闭孔孔径为100nm～200nm。比表面积为95m2/g，纯度为90％。
实施例6、将实施例1中的“1.142g聚乙二醇”更改为“1.713g聚乙二醇”，其余同实施例1。
所得偏铝酸锂多孔微球的尺寸为5～10μm，微球内部为封闭孔结构，封闭孔孔径为200nm～300nm。比表面积为103m2/g，纯度为91％。
由所得实验数据分析，实施例3所得偏铝酸锂微球粒径分布较为均匀，孔径适中，比表面积及纯度较高，性能最佳。
对比实施例1、取消实施例1步骤4)中的“0.571gSpan80”的使用，其余同实施例1。
所得粉体为表面粗糙的多孔球状粉体。内部孔结构也产生了明显的畸变，为不规则的结构。
对比实施例2、取消实施例1步骤4)中“1.142g聚乙二醇”的使用，其余同实施例1。
所得粉体为表面光滑的实心球状粉体，内部无孔道结构。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、将1.5～15g水溶性表面活性剂溶于300g去离子水中，搅拌40～90min，得到混合溶液A；
2)、将10～25g溶剂与1～4g螯合剂、0.01～0.05mol铝盐前驱体混合，并搅拌45～100min，得到混合溶液B1；
3)、在所述混合溶液B1中加入0.012～0.03mol锂源，持续搅拌，直至得到澄清的混合溶液B2；
4)、将0.2～0.8g Span80和0.286～1.713g相分离诱导剂加入上述混合溶液B2中，再持续搅拌60～100min，最终得到混合溶液B3；
5)、混合溶液A加入到高速分散机中，以800～2000r/min速度搅拌30～50min，然后加入步骤4)中得到的混合溶液B3，以800～2000r/min的速度持续搅拌20～28h，得乳状液；
6)、将步骤5)所得的乳状液离心，对离心所得固态物用水或乙醇进行洗涤，然后先于35～45℃下干燥24小时，再于1000～1300℃的温度下热处理2～4h，得到偏铝酸锂多孔微球。
2.根据权利要求1所述的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，其特征是：所述铝盐前驱体与锂源的摩尔比为1：0.6～1.8。
3.根据权利要求1或2所述的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，其特征是：所述步骤1)中的水溶性表面活性剂为Tween20、Tween80、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、乳化剂OP-10中任意一种或两种的混合物。
4.根据权利要求3所述的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，其特征是：所述步骤2)中的螯合剂为乙酰乙酸乙酯、丙烯酸、乙酰丙酮、草酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸或乙二胺；铝盐前驱体为异丙醇铝、正丁醇铝或仲丁醇铝。
5.根据权利要求4所述的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，其特征是：所述步骤3)中的锂源为硝酸锂、一水合氢氧化锂、二水合醋酸锂、甲醇锂或氯化锂。
6.根据权利要求5所述的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，其特征是：所述步骤4)中的相分离诱导剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚丙烯酸或聚丙烯酰胺。
7.根据权利要求6所述的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，其特征是：所述步骤2)中的溶剂为异丙醇或正辛醇。
8.根据权利要求7所述的作为固体氚增殖剂的偏铝酸锂多孔微球的制备方法，其特征是：
所述步骤6)中，干燥后，以5℃/min的升温速率升温至1000～1300℃进行热处理。
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