CN108971508A - 一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂 - Google Patents

一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂 Download PDF

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Abstract

一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂，通过在铝材原料蒸发过程中，引入一定量的有机小分子，作为纳米铝粉结晶、成核及生长过程中的晶型控制剂，进而实现纳米铝粉材料形态的有效、精确调控。本发明得到的纳米铝粉粒度均匀且结构易于控制，形貌由球形到片状可控，生产过程消耗能量小，受外部污染小，可以实现生产过程的安全化与清洁化，可适用于其他类型金属粉末剂及复合金属超微粒子的形貌尺寸的连续控制。

Description

一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂
技术领域
本发明涉及一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂，属于纳米金属粉体的形貌尺寸控制技术领域。
背景技术
铝颜料是金属颜料中用量最大的颜料之一。它调入成膜物并涂装成膜时，像落叶铺地一样与被涂物平行，互相连接，互相遮掩，多层排列，形成屏障，阻断成膜物的微细孔，阻止外界有害气体或有害液体在涂膜中的渗透，保护涂膜及被涂装物品，而且当这种片状结构平行于底材排列于涂膜中时，外观可呈现平光、银白到像镀铬膜一样的高亮度。
物理气相沉积法（PVD），又称蒸发-冷凝法，1963年提出采用蒸发-冷凝法制备纳米铝粒子，其原理是在高真空下和低压惰性气体（Ar、He）中，通过蒸发源的加热作用，使铝块蒸发气化，然后在基片表面冷凝沉积形成薄膜，收集、粉碎得到纳米铝粉．该法的特点是设备简单，易于操作，制备的铝粉粒径分布范围窄，铝粉的径厚比大，铝片表面平整光滑，铝粉粒径易于控制，蒸发速度快，效率高，易于实现大规模、连续化的生产，但容易受加热源污染。
有机释放膜过渡法需先在基片上涂一层可溶性合成树脂，形成有机释放膜，再用物理气相沉积法使铝丝或铝块气化，沉积在合成树脂上形成铝膜，然后将铝膜放入有机溶剂中使树脂溶解，得到表面光滑的片状铝粉，最后对铝粉进行粉碎、净化、分级和改性操作，即得到厚度为纳米级的铝颜料。
在真空下充入纯净的惰性气体，高频感应加热使原料蒸发，产生原物质烟雾，惰性气体的流动驱动烟雾向下移动，并接近冷却装置。在蒸发过程中，原物质烟雾原子与气体原子碰撞失去能量而迅速冷却，这种有效的冷却过程在原物质蒸气中造成很高的局域过饱和而均匀成核，在接近冷却装置的过程中，原物质蒸气首先形成原子团簇，然后形成单个纳米微粒，纳米微粒随气流经分级进入收集区内而获得纳米粉末，在晶体生长过程中添加适宜的晶型控制剂，改变晶体各晶面间相对生长速度。当晶体在平衡的条件下形成时，其生长习惯决定于构成晶体的不同晶面的表面能，表面能高的晶面生长速度较快而表面能低的晶面生长速度较慢，随着晶体生长的进行，生长速度较快的晶面将逐渐减小直至消失，生长速度较慢的晶面则逐渐增大，最终形成由低表面能晶面形成的稳定晶体（Bravais定律）。若在晶体生长过程中添加适宜的晶型控制剂，晶体各晶面间表面能高低的相对顺序将被改变。由于吸附稳定性的各向异性，配位剂在特定晶面的吸附会比其他晶面要强，这种优先吸附将降低被吸附晶面的表面能，阻止垂直于该晶面方向的晶体生长，从而改变晶体的最终形态。
发明内容
本发明目的在于提供一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种控制纳米铝粉形貌和粒径的晶型控制剂，所述晶型控制剂为乙酸、乙二酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸、乙醇、乙二醇、三乙醇胺、聚乙二醇400中的至少一种。
优选的技术方案为：所述晶型控制剂为乙酸或乙二酸或两者构成的混合物，以控制生产球形纳米铝粉。
优选的技术方案为：所述晶型控制剂为乙二酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸、乙二醇、三乙醇胺、聚乙二醇400中的至少一种，以控制生产片状纳米铝粉。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法，将纯度在99.99％以上的铝材清洗去油，打磨去掉表面的氧化层，然后加入权利要求1~3任一权利要求所述的晶型控制剂在铝材表面分布均匀，接着送至蒸发舟；在将要沉积铝膜的基片表面涂上一层隔离剂以形成有机释放膜。
优选的技术方案为：所述晶型控制剂的添加量为铝材重量的1‰-10‰。
优选的技术方案为：所述隔离剂的原料配方由质量百分含量为60-80%的主要溶剂和质量百分含量为20-40%的树脂组成；所述主要溶剂的原料配方由丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚和乙酸乙酯按照30-40：20-30：10-20的质量比例构成；所述树脂的原料配方由酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲脂和聚酯丙烯酸树脂按照10-20：5-10：5-10的质量比例构成。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点是：
1、本发明的方法通过晶型控制剂的添加和添加量的不同就可以得到不同粒径、形貌的纳米铝粉，粒径分布窄，颗粒大小均一，分布均匀，具有工艺简单，绿色环保的优点。
2本发明的方法得到的纳米铝粉粒度均匀且结构易于控制，形貌由球形到片状可控，生产过程消耗能量小，受外部污染小，可以实现生产过程的安全化与清洁化。
附图说明
图1是控制合成的不同粒度的纳米铝粉。
图2是控制合成不同尺寸的片状纳米铝粉的SEM。
图3是不同粒径纳米铝粉的XRD。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1~图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一：一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂
第一步：原料准备：将纯度在99.99％以上的铝块清洗去油，打磨去掉表面的氧化层，加入铝块重量5‰的柠檬酸，即采用喷雾的方法向铝块表面均匀地喷柠檬酸。当真空度达到4×10-2Pa以上时，通入纯度为99.99％的惰性气体氩气，工作压力为8×104Pa，气体流速为0.5m/s，将蒸发舟升温至1300℃，然后再把加了晶型控制剂的铝块连续送至蒸发舟上，物理气相沉积法采用现有技术。
第二步：形成有机释放膜：在将要沉积铝膜的基片表面涂上一层平整的隔离剂以形成有机释放膜，从而防止铝膜粘结在基片上；纳米铝膜的形成：用蒸发-冷凝法使铝蒸气在有机膜上沉积成光滑的纳米铝膜；洗脱：把沉积了铝膜的基片放到有机试剂中进行洗脱，实现纳米铝膜与基片的分离；粉碎：将含有铝膜的洗脱液进行机械搅拌，把纳米铝膜粉碎到所需的粒径；收集：将粉碎后的洗脱液进行过滤、干燥、包覆和真空包装。
隔离剂具体如下：
按重量百分比配制：主要溶剂60kg，其中丙二醇甲醚醋酸酯30kg、丙二醇甲醚20kg、乙酸乙酯10kg；树脂40kg，其中酚醛树脂20kg、聚甲基丙烯酸甲脂10kg、聚酯丙烯酸树脂10kg。
称取丙二醇甲醚醋酸酯30kg、丙二醇甲醚20kg、乙酸乙酯10kg，并混合搅拌均匀；再称取酚醛树脂20kg、聚甲基丙烯酸甲脂10kg、聚酯丙烯酸树脂10kg，并混合搅拌均匀；最后将主要溶剂与树脂混合搅拌均匀。
洗脱时：打开洗脱槽的箱盖，将固定于从动电动机滚轴上的铝膜拉出一段，绕过洗脱槽内的滚轴粘结到主电动机的滚轴上，向洗脱槽中加入主要溶剂到2/3位置，盖上箱盖，开始洗脱铝膜，铝膜浸泡在洗脱槽中20s，用1kg的主要溶剂洗脱30m的铝膜。直至整个铝膜全部通过为止，得到表面光滑的片状铝粉，最后对铝粉进行粉碎、净化、分级和改性操作，即可得到纳米级的片状铝粉。
实施例二：一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂
第一步：原料准备：将纯度在99.99％以上的铝丝清洗去油，打磨去掉表面的氧化层，加入铝丝重量1‰的乙二酸。当真空度达到4×10-2Pa以上时，通入纯度为99.99％的氮气和氩气构成的混合气，工作压力为9×104Pa，气体流速为1m/s，将蒸发舟升温至1300℃，然后再把加了己二酸的铝丝连续送至蒸发舟上。
第二步：形成有机释放膜：在将要沉积铝膜的基片表面涂上一层平整的有机膜以防止铝膜粘结在基片上；纳米铝膜的形成：用蒸发-冷凝法使铝蒸气在有机膜上沉积成光滑的纳米铝膜；洗脱：把沉积了铝膜的基片放到有机试剂中进行洗脱，实现纳米铝膜与基片的分离；粉碎：将含有铝膜的洗脱液进行机械搅拌，把纳米铝膜粉碎到所需的粒径；收集：将粉碎后的洗脱液进行过滤、干燥、包覆和真空包装。
隔离剂具体如下：
按重量百分比配制：主要溶剂80kg，其中丙二醇甲醚醋酸酯40kg、丙二醇甲醚30kg、乙酸乙酯10kg；树脂20kg，其中酚醛树脂10kg、聚甲基丙烯酸甲脂5kg、聚酯丙烯酸树脂5kg。
称取丙二醇甲醚醋酸酯40kg、丙二醇甲醚30kg、乙酸乙酯10kg，并混合搅拌均匀；再称取酚醛树脂10kg、聚甲基丙烯酸甲脂5kg、聚酯丙烯酸树脂5kg，并混合搅拌均匀；最后将主要溶剂与树脂混合搅拌均匀。
洗脱时：打开洗脱槽的箱盖，将固定于从动电动机滚轴上的铝膜拉出一段，绕过洗脱槽内的滚轴粘结到主电动机的滚轴上，向洗脱槽中加入主要溶剂到2/3位置，盖上箱盖，开始洗脱铝膜，铝膜浸泡在洗脱槽中30s，1kg的主要溶剂洗脱30m的铝膜。直至整个铝膜全部通过为止，得到表面光滑的片状铝粉，最后对铝粉进行粉碎、净化、分级和改性操作，即可得到纳米级的片状铝粉。
实施例三：一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂
第一步：原料准备：将纯度在99.99％以上的铝丝和铝块清洗去油，打磨去掉表面的氧化层，加入铝丝和铝块重量8‰的聚乙二醇400。当真空度达到4×10-2Pa以上时，通入纯度为99.99％的氩气，工作压力为1×105Pa，气体流速为2m/s，将蒸发舟升温至1400℃，然后再把加了晶型控制剂的铝丝和铝块连续送至蒸发舟上。
第二步：形成有机释放膜：在将要沉积铝膜的基片表面涂上一层平整的有机膜以防止铝膜粘结在基片上；纳米铝膜的形成：用蒸发-冷凝法使铝蒸气在有机膜上沉积成光滑的纳米铝膜；洗脱：把沉积了铝膜的基片放到有机试剂中进行洗脱，实现纳米铝膜与基片的分离；粉碎：将含有铝膜的洗脱液进行机械搅拌，把纳米铝膜粉碎到所需的粒径；收集：将粉碎后的洗脱液进行过滤、干燥、包覆和真空包装。
隔离剂具体如下：
按重量百分比配制：主要溶剂70kg，其中丙二醇甲醚醋酸酯35kg、丙二醇甲醚20kg、乙酸乙酯15kg；树脂30kg，其中酚醛树脂20kg、聚甲基丙烯酸甲脂5kg、聚酯丙烯酸树脂5kg。
称取丙二醇甲醚醋酸酯35kg、丙二醇甲醚20kg、乙酸乙酯15kg，并混合搅拌均匀；再称取酚醛树脂20kg、聚甲基丙烯酸甲脂5kg、聚酯丙烯酸树脂5kg，并混合搅拌均匀；最后将主要溶剂与树脂混合搅拌均匀。
洗脱时：打开洗脱槽的箱盖，将固定于从动电动机滚轴上的铝膜拉出一段，绕过洗脱槽内的滚轴粘结到主电动机的滚轴上，向洗脱槽中加入主要溶剂到2/3位置，盖上箱盖，开始洗脱铝膜，铝膜浸泡在洗脱槽中20s，1kg的主要溶剂洗脱30m的铝膜。直至整个铝膜全部通过为止，得到表面光滑的片状铝粉，最后对铝粉进行粉碎、净化、分级和改性操作，即可得到纳米级的片状铝粉。
实施例四：一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂
第一步：原料准备：将纯度在99.99％以上的铝丝或铝块清洗去油，打磨去掉表面的氧化层，加入铝块重量1‰的三乙醇胺。当真空度达到4×10-2Pa以上时，通入纯度为99.99％的氮气，气体工作压力为9.5×104Pa，气体流速为1.5m/s，将蒸发舟升温至1400℃，然后再把加了晶型控制剂的铝丝或铝块连续送至蒸发舟上。
第二步：形成有机释放膜：在将要沉积铝膜的基片表面涂上一层平整的有机膜以防止铝膜粘结在基片上；纳米铝膜的形成：用蒸发-冷凝法使铝蒸气在有机膜上沉积成光滑的纳米铝膜；洗脱：把沉积了铝膜的基片放到有机试剂中进行洗脱，实现纳米铝膜与基片的分离；粉碎：将含有铝膜的洗脱液进行机械搅拌，把纳米铝膜粉碎到所需的粒径；收集：将粉碎后的洗脱液进行过滤、干燥、包覆和真空包装。
隔离剂具体如下：
按重量百分比配制：主要溶剂75kg，其中丙二醇甲醚醋酸酯30kg、丙二醇甲醚30kg、乙酸乙酯15kg；树脂25kg，其中酚醛树脂15kg、甲基丙烯酸树脂5kg、聚酯丙烯酸树脂5kg。
称取丙二醇甲醚醋酸酯30kg、丙二醇甲醚30kg、乙酸乙酯15kg，并混合搅拌均匀；再称取丙烯酸树脂15kg、甲基丙烯酸树脂5kg、聚酯丙烯酸树脂5kg，并混合搅拌均匀；最后将主要溶剂与树脂混合搅拌均匀。
洗脱时：打开洗脱槽的箱盖，将固定于从动电动机滚轴上的铝膜拉出一段，绕过洗脱槽内的滚轴粘结到主电动机的滚轴上，向洗脱槽中加入主要溶剂到2/3位置，盖上箱盖，开始洗脱铝膜，铝膜浸泡在洗脱槽中30s，1kg的主要溶剂洗脱30m的铝膜。直至整个铝膜全部通过为止，得到表面光滑的片状铝粉，最后对铝粉进行粉碎、净化、分级和改性操作，即可得到纳米级的片状铝粉。
该方法实验步骤是在原料准备阶段将铝丝或铝块清洗去油，打磨去掉表面的氧化层以备蒸发用，然后在铝丝或铝块中加入适量的不同种类的晶型控制剂，同时在氮气氛围中蒸发，采用羧基类和羟基类两种晶型控制，一羧基类和一羟基类晶型控制剂生成纳米铝粉为球形；而多羧基类和多羟基类晶型控制剂均有利于纳米铝粉颗粒沿片状分布；加入不同用量的晶型控制剂，可以控制铝粉的粒度。该方法得到的纳米铝粉粒度均匀且结构易于控制，形貌由球形到片状可控，生产过程消耗能量小，受外部污染小，可以实现生产过程的安全化与清洁化，可适用于其他类型金属粉末剂及复合金属超微粒子的形貌尺寸的连续控制。
实施例五：一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂
晶型控制剂为乙二酸和乙酸按照1：1的质量比例构成，使用量为铝块重量的6‰，其它部分同实施例一。
实施例六：一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法及其使用的晶型控制剂
晶型控制剂为三乙醇胺、乙二胺四乙酸和乙二醇按照1：2：1的质量比例构成，使用量为铝块重量的8‰，其它部分同实施例四。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种控制纳米铝粉形貌和粒径的晶型控制剂，其特征在于：所述晶型控制剂为乙酸、乙二酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸、乙醇、乙二醇、三乙醇胺、聚乙二醇400中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的控制纳米铝粉形貌和粒径的晶型控制剂，其特征在于：所述晶型控制剂为乙酸或乙二酸或两者构成的混合物，以控制生产球形纳米铝粉。
3.根据权利要求1所述的控制纳米铝粉形貌和粒径的晶型控制剂，其特征在于：所述晶型控制剂为乙二酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸、乙二醇、三乙醇胺、聚乙二醇400中的至少一种，以控制生产片状纳米铝粉。
4.一种控制纳米铝粉形貌和粒径的方法，其特征在于：将纯度在99.99％以上的铝材清洗去油，打磨去掉表面的氧化层，然后加入权利要求1~3任一权利要求所述的晶型控制剂在铝材表面分布均匀，接着送至蒸发舟；在将要沉积铝膜的基片表面涂上一层隔离剂以形成有机释放膜。
5.根据权利要求4所述的控制纳米铝粉形貌和粒径的方法，其特征在于：所述晶型控制剂的添加量为铝材重量的1‰-10‰。
6.根据权利要求4所述的控制纳米铝粉形貌和粒径的方法，其特征在于：所述隔离剂的原料配方由质量百分含量为60-80%的主要溶剂和质量百分含量为20-40%的树脂组成；所述主要溶剂的原料配方由丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚和乙酸乙酯按照30-40：20-30：10-20的质量比例构成；所述树脂的原料配方由酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲脂和聚酯丙烯酸树脂按照10-20：5-10：5-10的质量比例构成。
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