CN115028152B - 一种光学级偏磷酸铝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学级偏磷酸铝的制备方法,包括以下步骤:(T1)制备聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球作为吸附剂;(T2)粗磷酸二氢铝的溶液依次经过活性炭和将步骤(T1)所得聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球吸附去除杂质,过滤,浓缩得磷酸二氢铝浓缩液;(T3)步骤(T2)所得磷酸二氢铝浓缩液在600‑750℃温度下煅烧得到偏磷酸铝中间体粉体;(T4)将偏磷酸铝中间体在800‑850℃继续煅烧,得到光学级偏磷酸铝。本发明通过聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒用于粗磷酸二氢铝溶液的吸附剂,可以充分吸附除去过渡金属离子杂质,最终煅烧制得偏磷酸铝纯度高,适合作为高端光学玻璃的原料,而且可以多次回收再生循环利用。

Description

一种光学级偏磷酸铝的制备方法
技术领域
本发明属于磷酸盐化工领域,具体涉及一种光学级偏磷酸铝的制备方法。
背景技术
偏磷酸铝由于具有优良的透光性能,而且具有很高的耐湿性,折射率低,阿贝数大,具有很好的化学稳定性和较高的力学强度,其是光学级磷酸盐中重要的一种。光学级偏磷酸铝的主要是用于高级光学器材比如各种光学镜头或者大功率激光器的光学玻璃的原料。作为光学级偏磷酸铝,最大的问题是在于如何获得高纯度的偏磷酸铝。对于其中Fe2O3含量<2ppm,Ni、Co、Mn等有色金属总量<1ppm,Cu<0.1ppm。这对高纯度偏磷酸铝的生产提出了很高的要求。特别是在军事工业和高精尖的光学仪器研究中,对偏磷酸铝的纯度要求非常高,如果存在铁、铜、锰金属离子的存在,会导致偏磷酸光学玻璃在近紫外到红外区有较强的吸收,导致偏磷酸盐光学玻璃光学性能不能满足这些高端领域的需求。
早期的偏磷酸铝制备方法是通过氢氧化铝和磷酸二氢铵反应得到,但是反应过程难以控制。目前制备高纯度偏磷酸铝主要是通过磷酸和含铝化合物制备得到磷酸二氢铝,再通过磷酸二氢铝加热反应制备得到偏磷酸铝。现有技术通过磷酸二氢铝反应液通过喷雾干燥的形式在高温下加热,但是一方面喷嘴存在引入杂质的风险,而且生产效率低,生产成本高。
CN109879262A公开了一种光学级偏磷酸铝的制备方法,其是利用可溶性铝盐沉淀纯化后,和磷酸反应制备磷酸二氢铝溶液,在经过活性炭除杂、调节P/Al比例、蒸发浓缩、喷雾干燥、微波加热、粉碎、焙烧,最终制备得到高纯度偏磷酸铝。
CN107500261A公开了一种光学级偏磷酸铝的制备方法,是采用溶胶-凝胶法制备得到前驱体,再通过高温聚合反应得到。但是该专利方法需要消耗大量有机溶剂,成本高,而且环境不友好,是通过螯合剂和金属杂质反应,降低杂质含量。但是对杂质的实际去除效率并不高,有色金属的含量不能降低至高品质光学级偏磷酸铝的要求。
CN102408103A公开了一种生产电子级偏磷酸铝的制备方法,其实磷酸和氢氧化铝反应后,得到的磷酸二氢铝进行加热,加热炉分为三步控温焙烧。但是三步控温焙烧只能调整优化偏磷酸铝的内部结构,并不会对杂质的去除产生作用。因此,该专利方法实际上无法得到高纯度的光学级偏磷酸铝。
CN110116998A公开了一种高纯度偏磷酸铝的制备方法,但是该专利需要使用电子级的磷源和铝源,存在原料的局限性。而且电子级原料价格昂贵,导致生产成本高昂。
CN111392704A公开了一种光学级偏磷酸铝的制备方法,其实在制备得到粗磷酸二氢铝溶液后,通过离子交换树脂去除有色金属和杂质离子,在经过两次煅烧得到光学级偏磷酸铝。该专利方法对初始运料的纯度要求不是很高,生产出的偏磷酸铝指标可以满足光学玻璃的要求。但是该专利需要使用数种阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的组合,操作反复而且成本较高,而且采用这些树脂对杂质离子进行吸附,要达到杂质含量能够满足高精尖光学仪器,需要大量树脂,而这部分树脂即使经过再生后,对磷酸二氢铝中的微量的过渡金属离子吸附能力会变差。因此,对于工业化的高纯度偏磷酸铝的生产采用该专利方法并不经济,而且对于杂原子,特别是影响光学玻璃的Fe,Cu离子的去除效果还不能令人满意。
发明内容
为解决现有技术中偏磷酸铝制备过程中影响光学性能的杂离子去除不够彻底,特别是Fe、Cu离子去除效果不够好,或者去除成本较高的缺陷,本发明提出了一种光学级偏磷酸铝的制备方法,是采用聚合物接枝改性的SiO2微球作为吸附剂,投入到磷酸二氢铝溶液中,通过接枝在表面的聚合物,以及SiO2表面的聚多巴胺共同作用下,吸附其中过渡金属离子,通过SiO2表面的聚多巴胺和接枝聚合物的上的冠醚和阴离子基团的共同吸附作用,可以使磷酸二氢铝溶液中过渡金属离子尽可能吸附,再进行偏磷酸铝的制备,所得偏磷酸铝纯度高,杂离子少,可以用于制备高端光学玻璃。
本发明通过以下技术方案实现上述目的:
一种光学级偏磷酸铝的制备方法,包括以下步骤:
(T1)制备聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球作为吸附剂:在介孔SiO2表面包覆聚多巴胺后,将含有冠醚基团的烯基单体,不饱和羧酸单体、温敏单体在紫外光照射条件下聚合反应接枝在聚多巴胺包覆SiO2微球表面;
(T2)粗磷酸二氢铝的溶液依次经过活性炭和将步骤(T1)所得聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球吸附去除杂质,过滤,浓缩得磷酸二氢铝浓缩液;
(T3)步骤(T2)所得磷酸二氢铝浓缩液在600-750℃温度下煅烧得到偏磷酸铝中间体粉体;
(T4)将偏磷酸铝中间体在800-850℃继续煅烧,得到光学级偏磷酸铝。
进一步地,所述粗磷酸二氢铝的溶液中Al3+离子浓度为0.25-0.4mol/L。所述粗磷酸二氢铝可以外购,也可以自制。若为自制,所述粗磷酸二氢铝是氧化铝和稀磷酸在105-120℃反应制得。所述稀磷酸质量浓度为50-60wt%。
进一步地,步骤(T3)中煅烧是在喷雾煅烧塔中进行,磷酸二氢铝浓缩液以5-15L/min进入喷雾煅烧塔,进风温度720-800℃,塔体上段温700-750℃,塔体中段温度660-720℃,塔体下端温度640-700℃,出风温度400-500℃,煅烧时间;和/或
步骤(T4)中煅烧是在马弗炉或电炉中进行,煅烧时间6-10h。
进一步地,所述光学级偏磷酸铝的制备方还包括步骤(T5):将进行吸附后的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球回收,再生重新利用。
更进一步地,所述再生是将进行吸附后的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球至于0.5-1M的盐酸溶液中,在40-50℃,超声或者搅拌条件下浸渍10-15h,取出后用无水乙醇和去离子水交替洗涤至洗涤后的去离子水电导率在1us/cm以下。
进一步地,所述聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微粒通过包括以下步骤的制备方法得到:介孔SiO2微粒表面包覆聚多巴胺后,分散在醇水溶液中,加入含有冠醚基团的烯基单体,不饱和羧酸单体、温敏单体,在紫外光照条件下引发聚合,接枝聚合反应结束后洗涤,干燥得到聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球。
所述洗涤是用无水醇和水交替洗涤,洗涤至洗涤后的水电导率在1us/cm以下。所述无水醇为无水乙醇,所述水为去离子水、超纯水、蒸馏水中的至少一种。
更进一步地,所述含有冠醚基团的烯基单体选自N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5,其制备方法为本领域所熟知。比如将单氮杂苯并15-冠-5和溴丙烯反应得到;所述不饱和羧酸单体选自丙烯酸,富马酸中的至少一种,所述温敏单体选自N-异丙基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、N,N-二乙基2丙烯酰胺中的至少一种。
优选地,所述含有冠醚基团的烯基单体,不饱和羧酸单体、温敏单体的质量比为3-5:15-20:5-7。
优选地,制备聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒时,介孔SiO2微粒和多巴胺的的质量比为1:0.2-0.3:制备聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微粒,聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒和单体总和的质量比为1:0.4-0.6。
优选地,所述介孔SiO2的尺寸为0.5-2μm,孔尺寸为10-30nm。介孔二氧化硅的制备方法为本领域所熟知,可以用硅酸钠在酸性条件下制备,也可以通过硅酸酯在碱性条件下制备。本发明优选采用使用硅酸酯在碱性条件下制备,所得介孔二氧化硅尺寸分散性好,比表面积大,对反应条件要求不是很严格。
优选地,所述介孔SiO2通过包括以下步骤的制备方法得到:硅酸酯在氨水存在下,搅拌反应,分离,除杂,洗涤,得到作为生长核的SiO2微粒;作为生长核的SiO2微粒和模板剂混合均匀后,加入硅酸酯,在30-35℃搅拌反应5-10h,室温静置24-36h,洗涤,500-600℃煅烧得到介孔二氧化硅。
更为优选地,制备介孔二氧化硅时,采用P123和聚多元醇按照质量比1-2:1的复配。所述聚多元醇选自分子量1000-2000的聚乙二醇、聚丙二醇中至少一种。聚发明人预料不到底发现,以P123和聚多元醇按照一定比例复配作为制备介孔二氧化硅的模板剂,制备得到介孔二氧化硅的比表面积大,且稳定性好,在经过一定水热条件处理后,孔径,比表面积基本没有变化,便于吸附剂再生重新利用,而且更适合作为本发明吸附剂的载体。
相对于现有技术,本发明取得了以下有益效果:
一、本发明通过聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒用于粗磷酸二氢铝溶液的吸附剂,可以充分吸附除去过渡金属离子杂质,最终煅烧制得偏磷酸铝纯度高,适合作为高端光学玻璃的原料。
二、本发明制备得到的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒可以多次回收再生循环利用,降低成本,具有产业化的优势。
附图说明
图1为制备例1所得聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒的SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明所述作进一步说明,但应该理解,本发明的保护范围并不限于以下实施例。
制备例1
(S1)10份正硅酸四乙酯加入到90%的乙醇水溶液中,分散均匀后,加入2份23.5%的氨水,在30℃搅拌条件下反应6h,通过高速冷冻离心机,在10000rpm分离出得到的二氧化硅微粒,旋涡震荡和超声除去杂质,用无水乙醇和去离子水交替洗涤3次,得到作为生长核的SiO2微粒。
(S2)在去离子水中加入0.3份步骤(S1)所得SiO2微粒作为生长核,1.2份P123和1.2份PEG2000作为模板剂,35℃恒温搅拌1h,加入6份正硅酸四乙酯,维持35℃继续搅拌6h,室温静置24h,倒出上清液,白色沉淀物用用无水乙醇和去离子水交替洗涤3次,洗涤后的沉淀物在600℃下煅烧6h除去模板剂,得到介孔SiO2微粒。经过测试,所得介孔SiO2微粒尺寸D90约0.62μm,孔径22nm,比表面积573m2/g。
(S3)将1份步骤(S2)所得介孔SiO2微粒加入到50份pH为8.5的Tris-HCl缓冲液中,超声分散,加入0.2份盐酸多巴胺,室温下搅拌反应24h,离心分离,无水乙醇和去离子水交替洗涤,在80℃,0.01Mpa下真空干燥得到聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒。
(S4)将步骤(S3)所得1份聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒分散在40份70%乙醇水溶液中,加入0.5份混合单体,混合单体是N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5、丙烯酸和N,N-二乙基2丙烯酰胺按照质量比1:3:1的混合物,吹入氮气排除体系中空气,25℃下在紫外光照射下进行接枝聚合反应,反应4h后,离心分离,用无水乙醇和去离子水交替洗涤,洗涤至去离子水电导率在1us/cm以下;洗涤后,在80℃和0.01Mpa条件下真空干燥得到聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒。经过测试,聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒接枝率为26.3%。
图1是制备例1得到的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒的SEM照片。
制备例2
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中模板剂为1.6份P123和0.8份PEG1000。
制备例3
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中模板剂为2.4份P123。
制备例4
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中模板剂为2.4份PEG1000,发现单独使用PEG1000作为模板剂,无法有效形成介孔二氧化硅微粒。
制备例5
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中步骤(S4)中,混合单体是N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5、丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺按照质量比5:20:7的混合物。
制备例6
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中步骤(S4)中,混合单体是N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5、丙烯酸和N,N-二乙基2丙烯酰胺按照质量比3:15:5的混合物。
制备例7
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中步骤(S4)中,混合单体是N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5、丙烯酸和N,N-二乙基2丙烯酰胺按照质量比2:15:5的混合物。
制备例8
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中步骤(S4)中,混合单体是N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5、丙烯酸和N,N-二乙基2丙烯酰胺按照质量比1:4:2的混合物。
对比制备例1
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中步骤(S4)中,混合单体是丙烯酸和N,N-二乙基2丙烯酰胺按照质量比3:1的混合物。即不加入N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5。
对比制备例2
其他条件和制备例1相同,区别在于步骤(S2)中步骤(S4)中,混合单体是N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5和N,N-二乙基2丙烯酰胺按照质量比1:1的混合物。即不加入丙烯酸。
实施例1
1)200kg含量96.2%的氧化铝逐步加入稀磷酸,所述稀磷酸是1300kg 85%工业磷酸和900kg水混合而成,在110-115℃的温度范围加热,充分反应得到粗磷酸二氢铝溶液,加入粗磷酸二氢铝溶液质量2wt%的活性炭进行吸附;滤液加入粗磷酸二氢铝溶液质量1wt%的制备例1制得的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒进行吸附,吸附条件是控制温度在20-25℃,120rpm的搅拌条件下吸附12h,脱除Fe、Cu、Mn、Co、Ni、Pb、Cr等有色金属。
2)经过步骤1)吸附后的精制磷酸二氢铝溶液蒸发浓缩至固含量41.5%,经过工业蠕动泵控制,以12L/min速度进入喷雾煅烧塔,控制煅烧塔进风温度740℃,塔体上段温度700℃,塔体中段温度670℃,塔体下段温度640℃,出风温度420℃,得到1019.2kg偏磷酸铝中间体粉末。
3)步骤2)偏磷酸铝封魔在内衬高纯刚玉材料电炉内,在830℃煅烧5h,得到光学级偏磷酸铝970.8kg,收率以氧化铝为基准,为97.5%。
实施例2-8,对比例1-2
其他条件和操作和实施例1相同,区别在于步骤1)中制备例1制得的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒替换为制备例2-8,对比制备例1-2制得的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒。
将实施例1-8,以及对比例1-2所得偏磷酸铝进行成分分析和收率测试,结果如下表1所示:
表1偏磷酸铝样品分析
Figure BDA0003641164310000061
Figure BDA0003641164310000071
注:由于制备例4采用单一的PEG1000作为模板剂,不能有效形成介孔二氧化硅。因此没有进行吸附试验和偏磷酸铝的制备。
本发明还对部分实施例中进行吸附后的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球进行再生后重新进行粗磷酸二氢铝溶液的除杂提纯,所述再生是将吸附后SiO2微球取出,在超声(80Hz),40℃条件下浸渍于1M的HCl中,浸渍12h,取出后用无水乙醇和去离子水交替洗涤,洗涤至洗涤后的去离子水电导率在1us/cm以下,完成再生,使用再生的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球对磷酸二氢铝溶液进行吸附后,按照实施例1相同的条件进行煅烧,最终得到偏磷酸铝成品。进行聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球再生5次后,测试所得偏磷酸铝成品成分,结果如下表2所示:
表2聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球再生后所得偏磷酸铝质量
Figure BDA0003641164310000072
通过表1和表2数据可知,本发明聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球对磷酸二氢铝溶液进行吸附除杂后制备偏磷酸铝,所得偏磷酸铝成品杂质少,制成光学玻璃光学性能好,特别是本发明聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球可以通过简单方法再生重新利用,再生5次后,除制备例3的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球外,对过渡金属,有色金属杂质离子的吸附仍保持了一个令人满意的程度,说明本发明偏磷酸铝的制备方法非常适合工业化的生产。制备例3采用单一的模板剂P123,没有加入聚乙二醇,再生后吸附能力下降较多。说明本发明制备聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球的介孔SiO2时,采用P123和聚多元醇的复配作为模板剂,制得介孔二氧化硅稳定性好(尺寸稳定性、水热稳定性、化学稳定性),再生后孔径,比表面积变化少,可以再次作为磷酸二氢铝溶液的吸附剂重新使用,至少能再生使用5次以上,能降低成本,体现出产业化的优势。

Claims (9)

1.一种光学级偏磷酸铝的制备方法,包括以下步骤:
(T1)制备聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球作为吸附剂:在介孔SiO2表面包覆聚多巴胺后,将含有冠醚基团的烯基单体,不饱和羧酸单体、温敏单体在紫外光照射条件下聚合反应接枝在聚多巴胺包覆SiO2微球表面;所述含有冠醚基团的烯基单体选自N-烯丙基单氮杂苯并15-冠-5;所述不饱和羧酸单体选自丙烯酸,富马酸中的至少一种,所述温敏单体选自N-异丙基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、N,N-二乙基2丙烯酰胺中的至少一种;所述含有冠醚基团的烯基单体,不饱和羧酸单体、温敏单体的质量比为3-5:15-20:5-7;制备聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒时,介孔SiO2微粒和多巴胺的的质量比为1:0.2-0.3:制备聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微粒,聚多巴胺包覆的介孔SiO2微粒和单体总和的质量比为1:0.4-0.6;
(T2)粗磷酸二氢铝的溶液依次经过活性炭和将步骤(T1)所得聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球吸附去除杂质,过滤,浓缩得磷酸二氢铝浓缩液;
(T3)步骤(T2)所得磷酸二氢铝浓缩液在600-750℃温度下煅烧得到偏磷酸铝中间体粉体;
(T4)将偏磷酸铝中间体在800-850℃继续煅烧,得到光学级偏磷酸铝。
2.根据权利要求1所述的光学级偏磷酸铝的制备方法,其特征在于,所述粗磷酸二氢铝的溶液中Al3+离子浓度为0.25-0.4mol/L。
3.根据权利要求1所述的光学级偏磷酸铝的制备方法,其特征在于,步骤(T3)中煅烧是在喷雾煅烧塔中进行,磷酸二氢铝浓缩液以5-15L/min进入喷雾煅烧塔,进风温度720-800℃,塔体上段温700-750℃,塔体中段温度660-720℃,塔体下端温度640-700℃,出风温度400-500℃,煅烧时间;和/或
步骤(T4)中煅烧是在马弗炉或电炉中进行,煅烧时间6-10h。
4.根据权利要求1所述的光学级偏磷酸铝的制备方法,其特征在于,所述光学级偏磷酸铝的制备方还包括步骤(T5):将进行吸附后的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球回收,再生重新利用。
5.根据权利要求4所述的光学级偏磷酸铝的制备方法,其特征在于,所述再生是将进行吸附后的聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球置于0.5-1M的盐酸溶液中,在40-50℃,超声或者搅拌条件下浸渍10-15h,取出后用无水乙醇和去离子水交替洗涤至洗涤后的去离子水电导率在1us/cm以下。
6.根据权利要求1所述的光学级偏磷酸铝的制备方法,其特征在于,所述聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微粒通过包括以下步骤的制备方法得到:介孔SiO2微粒表面包覆聚多巴胺后,分散在醇水溶液中,加入含有冠醚基团的烯基单体,不饱和羧酸单体、温敏单体,在紫外光照条件下引发聚合,接枝聚合反应结束后洗涤,干燥得到聚合物接枝改性的聚多巴胺包覆SiO2微球。
7.根据权利要求6所述的光学级偏磷酸铝的制备方法,其特征在于,所述介孔SiO2的尺寸为0.5-2μm,孔尺寸为10-30nm。
8.根据权利要求7所述的光学级偏磷酸铝的制备方法,其特征在于,所述介孔SiO2通过包括以下步骤的制备方法得到:硅酸酯在氨水存在下,搅拌反应,分离,除杂,洗涤,得到作为生长核的SiO2微粒;作为生长核的SiO2微粒和模板剂混合均匀后,加入硅酸酯,在30-35℃搅拌反应5-10h,室温静置24-36h,洗涤,500-600℃煅烧得到介孔二氧化硅。
9.根据权利要求7所述的光学级偏磷酸铝的制备方法,其特征在于,制备介孔二氧化硅时,采用P123和聚多元醇按照质量比1-2:1的复配;所述聚多元醇选自分子量1000-2000的聚乙二醇、聚丙二醇中至少一种。
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Assignee: Nantong Taiyang High Tech Materials Technology Co.,Ltd.

Assignor: Shanghai Taiyang Technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A preparation method of optical grade aluminum metaphosphate

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License type: Common License

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Denomination of invention: A preparation method for optical grade aluminum metaphosphate

Effective date of registration: 20231117

Granted publication date: 20230321

Pledgee: China Construction Bank Corporation Shanghai Hongkou Branch

Pledgor: Shanghai Taiyang Technology Co.,Ltd.

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