CN105733445B - 一种纳米CeO2抛光粉的制备方法 - Google Patents

一种纳米CeO2抛光粉的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种均匀、分散的纳米CeO2抛光粉的方法，其特征在于以铈盐、配体、氟化剂为原料，在球磨过程中加入硬脂酸或乙二醇作为络合剂，利用球磨过程中机械力的强剪切、碰撞、粉碎的作用，改善固体反应物之间的接触，实现反应物之间的高效混合，使其快速、高效反应，确保生成物的成核速率大于生长速率，提高了反应的效率，同时铈盐被均匀分散到络合剂中，既有利于均匀定量地掺入氟元素，又有利于获得粒径均匀的单分散产物，提高最终产物的分散性和均匀性，实现了溶胶—凝胶法与固相机械化学反应法的有机结合。

Description

一种纳米CeO2抛光粉的制备方法
技术领域
本发明属于纳米粉体制备领域，具体涉及一种均匀、分散的纳米CeO2抛光粉的制备方法。
背景技术
纳米CeO2是较为重要的轻稀土产品，在电子陶瓷、玻璃抛光、耐辐射玻璃、发光材料等方面都有广泛应用。近年来的研究表明，由于CeO2独特的储放氧功能及高温快速氧空位扩散能力，因此可以被应用于氧化还原反应中，成为极具应用前景的催化材料、高温氧敏材料、pH传感材料、燃料电池的中间材料以及化学机械抛光浆料。
被应用于化学机械抛光领域时，纳米CeO2粉末具有许多优点：1. CeO2粉末比较柔软，在精密抛光过程中不易刮伤被抛光面，被抛光产品具有很好的表面平整度；2.虽然CeO2粉末硬度较低，但是其具有强氧化作用，在抛光过程中与被抛光表面发生化学反应，提高抛光速率，且抛光效果好；3.选择性好。在实际应用中，制备出硬度小、粒径均匀、抛光精度高的纳米CeO2磨料尤其重要。抛光效果不仅与CeO2粉末的纯度有关，而且与其粒径大小、粒径分布、形貌、分散性等指标也有重要关系，且它们都会受到制备方法和工艺参数的严格影响，这就对纳米CeO2粉末制备过程的控制提出了很高的要求。
制备纳米CeO2粉末有多种方法，如沉淀法、溶胶—凝胶法、水热法、微乳液法等，但以上方法均不同程度的存在以下问题：颗粒团聚严重、粒径分布不均匀、单分散性能差、性能不稳定，从而严重影响CeO2粉末的抛光性能。
固相机械化学反应法是新兴的一种纳米粉末制备方法，目前已成为其中一个重要的分支。机械力化学的发展使得超细粉碎的过程不再仅仅是传统意义上的物质细化过程，而是伴随着能量转换的机械力化学过程。因此在球磨过程中给固体反应物施加机械能，其形态、晶体结构、物理化学性能等发生变化，并诱发物理化学反应，最终得到反应产物。专利CN201110190966.2报道了一种利用室温固相化学反应制备离子液体多金属氧酸盐纳米棒的方法，该方法简便、高效、不需加热、无需添加剂、绿色无污染，一步便可制得离子液体多金属氧酸盐纳米棒。专利CN201010586910.4公开了一种两步固相反应制备铁酸铋材料的方法。该方法第一步：原料发生室温固相反应，得到具有较大比表面积、较高的反应活性、粒径较小的反应物；第二步：通过相对较低的温度加热即可得到产物铁酸铋。
氟元素在稀土抛光粉中起到非常重要的作用，它能够直接影响晶体结构的形成并改变纳米CeO2粉末的形貌，从而影响抛光速度，因此在制备过程中需要添加氟元素，并控制产品粒度的初步形成。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种制备均匀、分散的纳米CeO2抛光粉的方法，兼具固相机械化学反应法和溶胶—凝胶法的优点，具体步骤如下：
（1）称取一定量的铈盐、配体、氟化剂及络合剂，配体的量为理论反应量的1-3倍，氟化剂添加量为0~10wt%（按氟离子计），络合剂添加量为10~20g或10~20mL。所述铈盐为六水硝酸铈或七水三氯化铈；所述配体为草酸、草酸铵；氟化剂为氟化钠或氟化铵，络合剂为硬脂酸或乙二醇。
（2）将铈盐、配体、氟化剂、络合剂按照比例在常温常压下进行球磨。一方面，铈盐被均匀分散到络合剂中，既有利于均匀定量地掺入氟元素，又有利于获得粒径均匀的单分散产物；同时，反应物在机械力的作用下发生固相反应生成前驱体。反应结束得到的溶胶中含有均匀分散的CeO2前驱体。当络合剂为硬脂酸时加入一定量的润滑剂乙醇使得球磨体系保持分散为限。
（3）前驱体的热分解。首先将球磨所得溶胶置入保温箱在50~60℃保温12~18小时并搅拌均匀，使得溶胶陈化。然后将其放入马弗炉在100℃预烧4~6小时，接着在400~600℃热分解1~2小时，最后在800℃煅烧1小时，以提高纳米CeO2粉体的硬度，（当氟化剂为氟化钠时，待冷却后用无水乙醇和蒸馏水分别清洗三次，干燥）最终得到均匀分散且硬度适合的纳米CeO2抛光粉。
与现有技术相比，本发明不仅具有固相机械化学反应法制备纳米粉末的优点：高选择性，高产率，工艺过程简单。利用球磨过程中机械力的强剪切、碰撞、粉碎的作用，改善固体反应物之间的接触，实现反应物之间的高效混合，使其快速、高效反应，确保生成物的成核速率大于生长速率，提高了反应的效率。而且本发明在球磨过程中加入硬脂酸或乙二醇，实现溶胶—凝胶法与固相机械化学反应法有机结合制备纳米CeO2抛光粉，使其兼具以下优点：1.反应物被高度均匀混合，能够实现氟元素的均匀掺杂；2.在球磨和热分解过程中起到阻碍团聚的作用，提高最终产物的分散性和均匀性。
四、附图说明
图1为根据本发明制备纳米CeO2抛光粉的工艺流程图。
图2为本发明制备所得纳米CeO2抛光粉的XRD图谱。
图3为本发明制备所得纳米CeO2抛光粉的SEM图谱。
五、具体实施方式
具体实施例1
（1）称取0.02mol硝酸铈、0.06mol草酸、10wt%氟化铵、20g硬脂酸。
（2）将铈盐、配体、氟化剂和络合剂在常温常压下进行球磨，球磨机转速控制在250转/分钟，时间为4小时。加入一定量的润滑剂乙醇使得球磨体系保持分散为限。
（3）前驱体的热分解。首先将球磨所得溶胶置入保温箱在50℃保温18小时并搅拌均匀，使得溶胶陈化。然后将其放入马弗炉在100℃预烧4小时，接着在400℃热分解2小时，最后在800℃进行煅烧1小时，得到纳米CeO2抛光粉。
具体实施例2
（1）称取0.02mol硝酸铈、0.03mol草酸铵、6wt%氟化钠、20mL乙二醇。
（2）将铈盐、配体、氟化剂和络合剂在常温常压下进行球磨，球磨机转速控制在250转/分钟，时间为4小时。
（3）前驱体的热分解。首先将球磨所得溶胶置入保温箱在60℃保温12小时并搅拌均匀，使得溶胶陈化。然后将其放入马弗炉在100℃预烧4小时，接着在600℃热分解1小时，最后在800℃进行煅烧1小时，待冷却后用无水乙醇和蒸馏水分别清洗三次，干燥后得到纳米CeO2抛光粉。
具体实施例3
（1）称取0.02mol硝酸铈、0.09mol草酸、4wt %氟化钠、10g硬脂酸。
（2）将铈盐、配体、氟化剂和络合剂在常温常压下进行球磨，球磨机转速控制在250转/分钟，时间为4小时。加入一定量的润滑剂乙醇使得球磨体系保持分散为限。
（3）前驱体的热分解。首先将球磨所得溶胶置入保温箱在50℃保温18小时并搅拌均匀，使得溶胶陈化。然后将其放入马弗炉在100℃预烧4小时，接着在400℃热分解2小时，最后在800℃进行煅烧1小时，待冷却后用无水乙醇和蒸馏水分别清洗三次，干燥后得到纳米CeO2抛光粉。
具体实施例4
（1）称取0.02mol三氯化铈、0.03mol草酸铵、2wt%氟化铵、10mL乙二醇。
（2）将铈盐、配体、氟化剂和络合剂在常温常压下进行球磨，球磨机转速控制在250转/分钟，时间为4小时。
（3）前驱体的热分解。首先将球磨所得溶胶置入保温箱在60℃保温12小时并搅拌均匀，使得溶胶陈化。然后将其放入马弗炉在100℃预烧4小时，接着在400℃热分解2小时，最后在800℃进行煅烧1小时，待冷却后用无水乙醇和蒸馏水分别清洗三次，干燥后得到纳米CeO2抛光粉。
具体实施例5
（1）称取0.02mol三氯化铈、0.09mol草酸、8wt%氟化铵、10g硬脂酸。
（2）将铈盐、配体、氟化剂和络合剂在常温常压下进行球磨，球磨机转速控制在250转/分钟，时间为4小时。加入一定量的润滑剂乙醇使得球磨体系保持分散为限。
（3）前驱体的热分解。首先将球磨所得溶胶置入保温箱在50℃保温18小时并搅拌均匀，使得溶胶陈化。然后将其放入马弗炉在100℃预烧4小时，接着在400℃热分解2小时，最后在800℃进行煅烧1小时，待冷却后用无水乙醇和蒸馏水分别清洗三次，干燥后得到纳米CeO2抛光粉。
具体实施例6
（1）称取0.02mol三氯化铈、0.06mol草酸铵、6wt%氟化钠、20mL乙二醇。
（2）将铈盐、配体、氟化剂和络合剂在常温常压下进行球磨，球磨机转速控制在250转/分钟，时间为4小时。加入一定量的润滑剂乙醇使得球磨体系保持分散为限。
（3）前驱体的热分解。首先将球磨所得溶胶置入保温箱在60℃保温12小时并搅拌均匀，使得溶胶陈化。然后将其放入马弗炉在100℃预烧4小时，接着在400℃热分解2小时，最后在800℃进行煅烧1小时，待冷却后用无水乙醇和蒸馏水分别清洗三次，干燥后得到纳米CeO2抛光粉。

Claims (1)

1.一种均匀、分散的纳米CeO2抛光粉的制备方法，其特征在于以铈盐及其配体、氟化剂、为原料，硬脂酸或乙二醇为络合剂，有机结合固相机械化学反应法和溶胶—凝胶法的优点，具体工艺步骤为：
1）按照设计含量称取铈盐、配体、氟化剂及络合剂，配体的量为理论反应量的1~3倍，氟化剂添加量为0~10wt%，按氟离子计为铈盐的重量百分比，络合剂添加量为10~20g或10~20mL；所述铈盐为六水硝酸铈或七水三氯化铈；所述配体为草酸、草酸铵；氟化剂为氟化钠或氟化铵，络合剂为硬脂酸或乙二醇；
2）将铈盐、配体、氟化剂、络合剂按照比例在常温常压下进行球磨；一方面，铈盐被均匀分散到络合剂中，既有利于均匀定量地掺入氟元素，又有利于获得粒径均匀的单分散产物；同时，反应物在机械力的作用下发生固相反应生成前驱体；反应结束得到的溶胶中含有均匀分散的CeO2前驱体；当络合剂为硬脂酸时加入一定量的润滑剂乙醇使得球磨体系保持分散为限；
3）前驱体的热分解：首先将球磨所得溶胶置入保温箱在50~60℃保温12~18小时并搅拌均匀，使得溶胶陈化；然后将其放入马弗炉在100℃预烧4~6小时，接着在400~600℃热分解1~2小时，最后在800℃煅烧1小时，以提高纳米CeO2粉体的硬度；当铈盐为七水三氯化铈或者氟化剂为氟化钠时，待冷却后用无水乙醇和蒸馏水分别清洗三次，干燥，最终得到均匀分散且硬度适合的纳米CeO2抛光粉。
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