CN107010938B - 一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法，是以硝酸镁、硝酸铝、柠檬酸和碳素为原料，先用溶胶‑凝胶法制备镁铝尖晶石前驱体凝胶粉，然后在保护性气氛下在凝胶粉中添加碳素来制备镁铝尖晶石纳米颗粒并抑制其高温下长大；本发明制备镁铝尖晶石纳米颗粒以及抑制镁铝尖晶石纳米颗粒长大的方法简单易行，此方法制备的尖晶石纳米颗粒1500℃高温下不长大，颗粒尺寸在30‑50nm，而未采用此方法的尖晶石颗粒尺寸在微米级，且烧结严重；本发明还为镁铝尖晶石纳米颗粒在耐火材料中应用领域指明了方向，即可用于含碳材料中，在碳存在下其颗粒尺寸不长大，可发挥纳米颗粒小尺寸效益，进而提升含碳材料的性能。

Description

一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷材料和耐火材料领域，具体涉及到一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法。
技术背景：
镁铝尖晶石（MgAl2O4）具有较高的熔点，较低的热膨胀系数，较高的强度、优良的抗熔渣侵蚀、渗透性，广泛应用在陶瓷材料、耐火材料、传感器和催化剂等领域。镁铝尖晶石纳米颗粒具有粒度小、比表面积大、活性高等优点，用于耐火材料领域时，可促进耐火材料烧结致密化，提高耐火材料的抗侵蚀性；同时因其热膨胀系数较低、粒度小，具有较好的增韧作用，还可提高耐火材料的抗热震性。因此，镁铝尖晶石纳米颗粒在耐火材料中具有较好的应用前景。
目前，国内外研究镁铝尖晶石纳米颗粒的制备方法，主要集中在采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、高能球磨法、燃烧法等，但镁铝尖晶石纳米颗粒在高温氧化性气氛下易长大、烧结，从而使其小尺寸效应下降、甚至丧失，使其在耐火材料中活化烧结及增韧作用消失。因纳米颗粒价格昂贵，颗粒尺寸长大使其性价比大幅降低，进而使纳米颗粒在耐火材料中使用受限制。
发明内容：
为了解决镁铝尖晶石纳米颗粒在高温下长大影响其优良性能发挥的问题，本发明的目的是提供一种设备简单、工艺简便、节约能源、易于规模化生产镁铝尖晶石纳米颗粒、并抑制其在高温下长大、使其性价比提高，进而拓宽其应用范围的一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法。
本发明的技术方案是以下述方式实现的：
一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法，是以硝酸镁、硝酸铝、柠檬酸和碳素为原料，首先用溶胶-凝胶法制备镁铝尖晶石前驱体凝胶粉，然后在保护性气氛下在凝胶粉中添加不同碳素来制备镁铝尖晶石纳米颗粒并抑制其高温下长大；具体步骤如下：
（1）先以硝酸铝、硝酸镁和柠檬酸为原料，分别制取1mol/L的溶液，将硝酸铝、硝酸镁和柠檬酸的溶液按照1:2:1~5均匀混合，然后在80℃下保温48h，制备镁铝尖晶石前驱体溶胶，再将溶胶于150℃烘干，研磨得镁铝尖晶石前驱体凝胶粉；
（2）将（1）得到的凝胶粉与少量碳素混合均匀，然后于保护性气氛下，在700-1500℃保温3小时热处理，即可得到镁铝尖晶石纳米颗粒，镁铝尖晶石纳米颗粒尺寸约30-50nm。
所述的保护性气氛为氩气气氛、氮气气氛和CO+N2气氛的一种或几种。
所述的碳素为炭黑、活性炭、沥青粉、液态酚醛树脂和固态树脂粉中的一种或几种。
本发明采用溶胶-凝胶法，在镁铝尖晶石前驱体凝胶粉中引入不同碳素，碳形成空间位阻作用，抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大，且制备的镁铝尖晶石纳米颗粒团聚不严重、易分散。此种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法，可使镁铝尖晶石纳米颗粒在高温下仍保持小尺寸，使其在耐火材料领域具有较好的应用前景。
本发明的积极效果是：
本发明制备镁铝尖晶石纳米颗粒以及抑制镁铝尖晶石纳米颗粒长大的方法简单易行，此方法制备的尖晶石纳米颗粒1500℃高温下不长大，颗粒尺寸在30-50nm（见附图1），而未采用此方法的尖晶石颗粒尺寸在微米级，且烧结严重（见附图2）。本发明还为镁铝尖晶石纳米颗粒在耐火材料中应用领域指明了方向，即可用于含碳材料中，在碳存在下其颗粒尺寸不长大，可发挥纳米颗粒小尺寸效益，进而可提升含碳材料的性能。
附图说明
图1为引入少量碳素1500℃热处理后制备的镁铝尖晶石纳米颗粒用场发射电镜拍照图。
图2为未采用抑制方法1500℃热处理后制备的镁铝尖晶石颗粒用场发射电镜拍照图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限于下列实施例。
实施例1
将1mol/L的硝酸镁、硝酸铝、柠檬酸按摩尔比1:2:5制备出溶胶，80℃保温48h，再升温至150℃烘干，冷却后研磨得镁铝尖晶石前驱体凝胶粉，然后将凝胶粉、树脂粉粉按质量比1:0.5称量，均匀混合后置于坩埚中，然后在氩气气氛下于700℃保温3小时热处理即可制备出镁铝尖晶石纳米颗粒，颗粒尺寸为30-50nm；树脂粉分解形成的碳在氩气保护下得以残留，且分布在镁铝尖晶石纳米颗粒周围，抑制了尖晶石纳米颗粒的长大和烧结。
实施例2
将1mol/L的硝酸镁、硝酸铝、柠檬酸按摩尔比1:2:1制备出溶胶，80℃保温48h，再升温至150℃烘干，冷却后研磨得镁铝尖晶石前驱体凝胶粉，然后将凝胶粉、炭黑按质量比1:0.2称量，均匀混合后置于小坩埚中，在氮气气氛下于1000℃保温3小时热处理，即可制备出镁铝尖晶石纳米颗粒，颗粒尺寸为30-50nm；镁铝尖晶石颗粒不随温度升高而长大，仍保持在30-50nm，添加的炭黑分布在尖晶石纳米颗粒周围，抑制了尖晶石纳米颗粒的长大和烧结。
实施例3
将1mol/L的硝酸镁、硝酸铝、柠檬酸按摩尔比1:2:2制备出溶胶，80℃保温48h，再升温至150℃烘干，冷却后研磨得镁铝尖晶石前驱体凝胶粉，然后将凝胶粉、沥青粉按质量比1:0.4称量，均匀混合后置于小坩埚中，在氮气气氛下于1200℃保温3小时热处理，即可制备出镁铝尖晶石纳米颗粒，镁铝尖晶石颗粒不随温度升高而长大，仍保持在30-50nm，添加的沥青碳分布在尖晶石纳米颗粒周围，抑制了尖晶石纳米颗粒的长大和烧结。
实施例4
将1mol/L的硝酸镁、硝酸铝、柠檬酸按摩尔比1:2:3制备出溶胶，80℃保温48h，再升温至150℃烘干，冷却后研磨得镁铝尖晶石前驱体凝胶粉，然后将凝胶粉、活性炭按质量比1:0.2称量，均匀混合后置于小坩埚中，在氮气气氛下于1400℃保温3小时热处理，即可制备出镁铝尖晶石纳米颗粒，颗粒尺寸为30-50nm；镁铝尖晶石颗粒不随温度升高而长大，仍保持在30-50nm。添加的活性炭分布在尖晶石纳米颗粒周围，抑制了尖晶石纳米颗粒的长大和烧结。
实施例5
将1mol/L的硝酸镁、硝酸铝、柠檬酸按摩尔比1:2:4制备出溶胶，80℃保温48h，再升温至150℃烘干，冷却后研磨得镁铝尖晶石前驱体凝胶粉，然后将凝胶粉、液态酚醛树脂按质量比1:0.8称量，均匀混合后置于小坩埚中，然后将小坩埚置于含碳的大坩埚中（CO+N2气氛），然后在1500℃保温3小时热处理，即可制备出镁铝尖晶石纳米颗粒，颗粒尺寸为30-50nm；镁铝尖晶石颗粒不随温度升高而长大，仍保持在30-50nm。液态酚醛树脂分解残留的碳分布在尖晶石纳米颗粒周围，抑制了尖晶石纳米颗粒的长大和烧结。
由图1可以看出：引入少量碳素1500℃热处理后制备的镁铝尖晶石纳米颗粒在高温状况下仍保持较小尺寸，在30-50nm。
由图2可以看出：将凝胶粉在空气气氛下热处理，无碳素添加，1500℃热处理后尖晶石颗粒尺寸较大，在微米级别，且呈烧结状。

Claims (4)

1.一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法，是以硝酸镁、硝酸铝、柠檬酸和碳素为原料，先用溶胶-凝胶法制备镁铝尖晶石前驱体凝胶粉，然后在保护性气氛下在凝胶粉中添加碳素制备镁铝尖晶石纳米颗粒并抑制其高温下长大；具体步骤如下：
（1）先以硝酸铝、硝酸镁和柠檬酸为原料，分别制取1mol/L的溶液，将硝酸铝、硝酸镁和柠檬酸的溶液按照2 : 1:1~5均匀混合，然后在80℃ 下保温48h，制备镁铝尖晶石前驱体溶胶，再将溶胶于150℃ 烘干，研磨得镁铝尖晶石前驱体凝胶粉；
（2）将（1）得到的凝胶粉与碳素混合均匀，凝胶粉与碳素按1: 0.2～0.8质量比混合，然后于保护性气氛下，在1000、1200、1400或1500℃ 保温3小时热处理，即可得到镁铝尖晶石纳米颗粒；镁铝尖晶石纳米颗粒尺寸30-50nm。
2.根据权利要求1所述的一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法，其特征在于：所述的保护性气氛为氮气气氛或CO+N2气氛。
3.根据权利要求2所述的一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法，其特征在于：所述的碳素为炭黑、活性炭、沥青粉或液态酚醛树脂。
4.根据权利要求2所述的一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法，其特征在于：所述的碳素为固态树脂粉。
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