CN104877573A - 一种球形纳米掺氟CeO2抛光粉的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球形纳米掺氟CeO2抛光粉的制备方法，具体涉及一种平均粒径30~60nm、分散性较好的球形纳米掺氟CeO2抛光粉（掺F质量百分比2~6%），其特征在于采用氟化铵或氟化钠作为氟化剂，以稀土盐及其配体为反应物，在室温球磨固相化学反应生成前驱体的同时进行掺氟，经中温热分解获得球形纳米掺氟氧化铈，既能方便、有效地控制纳米CeO2的形貌及粒度，又能使氟的掺杂更加均匀，得到分散性好、粒度均匀的球形纳米掺氟CeO2抛光粉，其安全性高，同时化学原料廉价、污染少，无需复杂设备，工艺简洁，可重复性高，工业化生产前景好。

Description

一种球形纳米掺氟CeO2抛光粉的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料研究领域，具体涉及一种粒径均匀、分散性较好的球形纳米掺氟CeO2抛光粉的制备方法。
背景技术
为了提高材料的表面平整度，大多采用抛光粉对材料表面进行抛光处理，例如玻璃和集成电路基板材料等用到的抛光粉广泛采用了氧化铬、氧化铝、氧化铁、氧化钛和氧化铈等三价或四价的氧化物。实践表明稀土抛光粉因为具有抛光效率高、速度快、使用寿命长，被抛光材料表面光洁度高等优点，目前被认为是最好的抛光材料。我国稀土资源丰富，稀土矿中含有大量的铈，我国从1958年开始研制氧化铈抛光粉，90年代以来在产能产量、生产技术、产品应用和市场开拓方面都取得了很大进展，但是产品主要以低抛为主，高抛的产量很小，在较高档次的抛光粉生产上与国外有较大差距，尤其是光学玻璃及一些要求较高的器件抛光仍需依赖进口抛光粉。在光学玻璃的抛光方面，超细CeO2粉末是其主要成分。通过对抛光工艺以及抛光机理的研究表明，为了提高抛光工件的表面质量，对抛光粉的各种物理性能都提出了相应的指标要求，例如粒度、粒度分布、表面活性、密度等。
关于制备纳米CeO2粉体的报道有很多，专利CN200710065387.9公开了一种利用沉淀法，并且在制备过程中进行超声震动来实现预分散的方法制备了晶粒尺寸为5~100nm的CeO2粉体，其比表面积BET为0~50m2/g。专利CN200810034551.4公开了一种以Ce(NO3)·6H2O和N,N二甲基乙酰胺(DMA)为原料，通过水热法与固相反应法结合制备出颗粒比较均匀、纯度高的纳米CeO2。专利CN201110434124.7公开了一种用微乳液法制备了无明显颗粒团聚、粒径分布均匀的纳米CeO2粒子。专利CN201210473426.X公开了一种形貌可控制的纳米CeO2的制备方法，其采用的原料为六水硝酸铈、柠檬酸及氨水，通过控制溶胶-凝胶法实验条件及焙烧温度，制备出不同形貌的纳米CeO2粒子。
在纳米CeO2抛光粉中加入氟可以改变其晶体结构，提高抛光粉的抛光能力，在抛光粉生产过程中，一般均设有掺氟工序，以改进抛光粉的产品质量。常用的氟化剂为氟硅酸、氢氟酸，危险性较高，对环境、人体危害较大。此外，常用的掺氟方式主要有两种：一种是先合成碳酸稀土，然后进行掺氟，制备掺氟稀土抛光粉；另一种是先生成稀土氟化物，然后用沉淀剂进行沉淀，制备掺氟稀土抛光粉。这两种方法都采用了两步沉淀，首先容易造成氟化不均匀，其次会使得产品的形貌、粒度及粒度分布难以控制。
发明内容
本发明制备方法采用氟化铵或氟化钠作为氟化剂，以稀土盐及其配体为反应物，在室温球磨固相化学反应生成前驱体的同时进行掺氟，经中温热分解获得掺氟纳米氧化铈，既能方便、有效地控制纳米CeO2的形貌及粒度，又能使氟的掺杂更加均匀，得到分散性好、粒度均匀的球形纳米掺氟CeO2抛光粉，其安全性明显提高，同时兼有以下有益效果：利用球磨过程中原料在磨球的不断碰撞、挤压下重复地发生变形、断裂和焊合，粉末未反应表面不断暴露出来，加上粉末被细化，反应接触面积增加，扩散距离缩短，扩散速率对反应动力学的限制减少，固相反应的速率提高，成核速率与长大速率的比值增大，因此有利于制备出均匀、细小的前驱体；颗粒形貌为类球形，粒度为纳米级，分散性较好；原料廉价、污染少，无需复杂设备，工艺简洁，可重复性高，工业化生产前景好。
本发明是这样实现的：通过室温球磨固相化学反应法制备出氟掺杂的前驱体，将其抽滤、烘干、研磨，然后在马弗炉中焙烧得到球形纳米掺氟CeO2抛光粉，其工艺步骤为：
1、配料
称取一定量的铈盐、配体和氟化剂，铈盐与配体的摩尔比为1:2~5，铈盐与氟化剂的摩尔比为1:0.1~0. 6。
2、混料
将铈盐、配体和氟化剂按照比例混合直至均匀。
3、室温球磨固相化学反应法制备前驱体
将混合均匀的原料在室温常压下进行球磨，使其在磨料产生的机械剪切力、挤压力的作用下让铈盐与其配体发生化学反应生成前驱体，氟化剂同时参与反应进行掺杂，反应直至完全结束。球磨时加入一定润滑剂使得球磨体系保持分散为限。
4、前驱体除杂及干燥
将球磨后的前驱体进行抽滤，并用去离子水和乙醇分别洗涤三次；然后将其放入干燥箱在50-80℃烘干。
5、前驱体的热分解
前驱体进行热分解的温度为400~700℃，保温时间为1~2小时，得到球形纳米掺氟CeO2抛光粉。
所述铈盐为氯化铈、硝酸铈中的一种；
所述配体为草酸、草酸铵、碳酸氢铵中的一种；
所述氟化剂为氟化铵、氟化钠中的一种；
球磨时加入的润滑剂为乙醇、丙酮中的一种。
附图说明
图1为根据本发明所提供的用室温球磨固相化学反应法制备氟掺杂纳米CeO2粉抛光粉的工艺流程图。
图2为本发明实施例5得到的氟掺杂纳米CeO2抛光粉的X射线衍射（XRD）图，可以确定其为萤石结构CeO2，晶化程度高；同时有CeF3的特征峰，成功地进行了掺氟。
图3为本发明实施例5得到的氟掺杂纳米CeO2抛光粉的SEM图。从图3的扫描电子显微镜的图像可以看出：产物为球形，其平均粒径为30~60nm，分散性好。
图4为本发明实施例5得到的氟掺杂纳米CeO2抛光粉的TEM图。
具体实施方式
下面结合工艺步骤及实施例对本发明作进一步详细说明：
1、配料
称取一定量的铈盐、配体和氟化剂，铈盐与配体的摩尔比为1:2~5，铈盐与氟化剂的摩尔比为1:0.1~0. 6。
2、混料
将称取的硝酸铈、草酸、氟化铵混合直至均匀。
3、室温球磨固相化学反应法制备前驱体
将混合均匀的原料在室温常压下进行球磨，使其在磨料产生的机械剪切力、挤压力的作用下让铈盐与其配体发生化学反应生成前驱体，氟化剂同时参与反应进行掺杂，球磨机转速控制在250~400转/分钟，球磨时间为4~6小时，球磨时加入一定量乙醇或丙酮作为润滑剂，使球磨体系保持分散。
4、前驱体除杂及干燥
将球磨后的前驱体进行抽滤，并用去离子水和乙醇分别洗涤三次；然后将其放入干燥箱在50-80℃烘干，时间为4~8小时。
5、前驱体的热分解
将烘干后的前驱体置于马弗炉中，调节热分解温度为400~700℃，控制保温时间为1~2小时，可得到球形纳米掺氟CeO2抛光粉。
球形纳米掺氟CeO2抛光粉制备方法的具体实施例见下表：

Claims (1)

1.本发明涉及一种粒径均匀、分散性较好的球形纳米掺氟CeO2抛光粉的制备方法，其特征在于以铈盐与其配体、氟化剂为原料，工艺步骤为：
1）配料
称取一定量的铈盐、配体和氟化剂，铈盐与配体的摩尔比为1:2~5，铈盐与氟化剂的摩尔比为1:0.1~0. 6；
2）混料
将铈盐、配体和氟化剂按照比例混合直至均匀；
3）室温球磨固相化学反应法制备前驱体
将混合均匀的原料在室温常压下进行球磨4—6小时，使其在磨料产生的机械剪切力、挤压力的作用下让铈盐与其配体发生化学反应生成前驱体，氟化剂同时参与反应进行掺杂，反应直至完全结束，球磨时加入一定润滑剂使得球磨体系保持分散为限；
4）前驱体除杂及干燥
将球磨后的前驱体进行抽滤，并用去离子水和乙醇分别洗涤三次；然后将其放入干燥箱在50-80℃烘干4~8小时；
5）前驱体的热分解
前驱体进行热分解的温度为400~700℃，保温时间为1~2小时，得到球形纳米掺氟CeO2抛光粉；
所述铈盐为氯化铈、硝酸铈中的一种；
所述配体为草酸、草酸铵、碳酸氢铵中的一种；
所述氟化剂为氟化铵、氟化钠中的一种；
球磨时加入的润滑剂为乙醇、丙酮中的一种。
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