粉體工程論文

1、粉體工程導(dǎo)論論文題 目醇-水溶液加熱法制備納米ZrO2粉體學(xué)院名稱 化學(xué)化工學(xué)院 指導(dǎo)老師_職 稱 教授 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 2015年11月26日目錄醇-水溶液加熱法制備ZrO2的研究討論3一、醇-水溶液加熱法簡(jiǎn)介31.工藝流程（如圖2）42.反應(yīng)機(jī)理4二、醇-水溶液加熱法制備ZrO2粉體的特點(diǎn)4三、不同條件對(duì)制備ZrO2粉體的影響61.加熱溫度對(duì)反應(yīng)的影響62.加熱時(shí)間對(duì)反應(yīng)過程和粉體的影響63.醇-水比對(duì)粉體的影響74.表面活性劑對(duì)粉體的影響75.ZrOCl2濃度對(duì)粉體的影響86.醇的種類的影響8結(jié)論10參考文獻(xiàn)11醇-水溶液加熱法制備ZrO2的研究討論一、醇-水溶液加熱法簡(jiǎn)介醇-

2、水溶液加熱法是近些年發(fā)展起來的一種制備納米ZrO2粉體的方法。 ZrOCl2的醇-水溶液在加熱時(shí)，由于溶液的介電常數(shù)下降，使得ZrOCl2的溶解度下降而產(chǎn)生沉淀。這一特性最早被用于制備單分散球形ZrO2粉體。同樣，可以利用這一特性制備納米ZrO2（3Y）粉體。如圖1所示為醇-水溶液加熱法制備的納米ZrO2（3Y）粉體的TEM（透射電子顯微鏡）照片。圖2所示為醇-水溶液加熱法制備納米ZrO2（3Y）的工藝流程。采用ZrOCl2·8H2O和Y（NO3）3·6H2O為反應(yīng)物，按Y2O3含量為3%的組成配制成一定濃度的混合溶液，按醇：水的比例為5:1加入無水乙醇，同時(shí)加入適量的PE

3、G為分散劑。將配好的醇-水溶液置于恒溫水浴中緩慢加熱至75，溶液很快變?yōu)椴煌该鳌１匾欢芜m當(dāng)時(shí)間后，溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨z狀沉淀。將沉淀取出，在機(jī)械攪拌的同時(shí)加入氨水到PH>9后陳化12小時(shí)，然后用蒸餾水反復(fù)洗滌凝膠至無氯離子（用硝酸銀溶液檢驗(yàn)），再用無水乙醇洗3次后烘干，最后煅燒得到ZrO2（3Y）粉體。1.工藝流程（如圖2）2.反應(yīng)機(jī)理第一步，水解反應(yīng)：主要反應(yīng)機(jī)理為4 ZrOCl2+6H2O= Zr4O2（OH）8Cl4+4HCl 第二步，沉淀反應(yīng)：以氨水作為沉淀劑進(jìn)行沉淀反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理為Zr4O2（OH）8Cl4+4NH3·H2O+2H2O=4Zr（OH）4+4NH4Cl

4、第三步，焙燒：焙燒過程即氧化鋯前軀體的高溫分解，反應(yīng)機(jī)理為Zr（OH）4=ZrO2+2H2O二、醇-水溶液加熱法制備ZrO2粉體的特點(diǎn)每種方法都有其特點(diǎn)，醇-水溶液加熱法的特點(diǎn)可從粉體的XRD（X射線衍射圖）反映出來。圖3所示為不同溫度下煅燒ZrO2（3Y）粉體的XRD（X射線衍射圖），由圖可知，用醇水溶液加熱法所得粉體在600度煅燒后主要是四方相，另有少量單斜相。隨著煅燒溫度提高，粉體中的單斜相逐漸減少，在900時(shí)基本上去全部為四方相。這是由于共沉淀法制備納米ZrO2（3Y）粉體時(shí)，常常由于過程控制不嚴(yán)，Y2O3在ZrO2中分布不均勻，導(dǎo)致單斜相含量往往隨煅燒溫度提高而明顯增加。 而醇-水溶

5、液加熱法不同。由ZrOCl2生成沉淀是在加熱過程中均勻進(jìn)行的。而滴加氨水時(shí)，Y（OH）3時(shí)均勻沉淀在Zr(OH)4凝膠中的，這樣，當(dāng)粉體煅燒時(shí)，Y2O3均勻的滲入晶粒中，使單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，煅燒溫度越高，Y2O3滲入越多，最后全部單斜相都轉(zhuǎn)變成為四方相。當(dāng)分體在更高溫度煅燒時(shí)，所有單斜相都要轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗖⒁鹋唧w的收縮。如果粉體中的單斜相含量因煅燒溫度的升高而增多，在煅燒過程中要轉(zhuǎn)變的單斜相量就越多，收縮量也就越大。這一過程不利于煅燒。因此，常需要采用一些措施來控制單斜相的形成和增加。而利用醇-水溶液加熱法，可有效的避免煅燒階段單斜相的增加。三、不同條件對(duì)制備ZrO2粉體的影響1.加熱溫度對(duì)

6、反應(yīng)的影響不同加熱溫度條件下，0.2mol/L的ZrOCl2·8H2O醇-水溶液（醇-水比為5:1）產(chǎn)生沉淀物所需時(shí)間見表1。表 1 不同加熱溫度下沉淀產(chǎn)生所需時(shí)間溫度（）5060707580時(shí)間（min）不產(chǎn)生953596 由表1數(shù)據(jù)可見，加熱溫度對(duì)納米ZrO2粉體合成存在明顯的影響，當(dāng)加熱溫度為50時(shí)，即使經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間保溫，醇-水溶液也沒有白色凝膠狀沉淀出現(xiàn)。當(dāng)加熱溫度逐漸從60升高至80時(shí)，凝膠狀沉淀產(chǎn)生時(shí)間逐漸減少，從95min減少至6min。這一現(xiàn)象可從溶液介電常數(shù)的變化得到解釋。隨著溫度逐漸升高，溶液的介電常數(shù)迅速減小，由于介電常數(shù)的減小，導(dǎo)致溶劑的溶解能力下降，溶液出現(xiàn)過

7、飽和現(xiàn)象而產(chǎn)生沉淀。從表1中結(jié)果還發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱反應(yīng)溫度從75提高到80時(shí)，白色凝膠狀沉淀形成的時(shí)間變化不大。但通過TEM分析觀察卻發(fā)現(xiàn)，加熱溫度為80時(shí)合成的納米ZrO2粉體團(tuán)聚程度明顯增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，醇-水溶液反應(yīng)溫度調(diào)至75時(shí)反應(yīng)效果最佳。2.加熱時(shí)間對(duì)反應(yīng)過程和粉體的影響反應(yīng)時(shí)間決定反應(yīng)程度，同時(shí)也決定產(chǎn)品的產(chǎn)率及性能、隨著第一步反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的PH值發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)測(cè)得體系的PH與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系如圖4，講所得PH值結(jié)合反應(yīng)式，計(jì)算出ZrOCl2結(jié)果見圖4.固定條件：醇水比例為5:1，反應(yīng)溫度為75，Zr離子濃度為0.1mol/L，分散劑PEG用量為10%。從圖4中可以看出，ZrOCl

8、2反應(yīng)率在1.5h已經(jīng)達(dá)到95%，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)率變化不是很大，但生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)使得產(chǎn)品顆粒尺寸變大，因此選擇反應(yīng)時(shí)間為2h。3.醇-水比對(duì)粉體的影響采用無水乙醇配制醇-水溶液，加熱溫度為75燒成溫度為900時(shí)，不同醇-水比（2.5:1、5:1、10:1）對(duì)納米ZrO2粉體合成所得粉體粒徑及比表面積如圖3所示?？梢钥闯龃?水比為2.5:1時(shí)，溶液即使經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間放置，也未見明顯沉淀物生成，表明此時(shí)溶液反應(yīng)率低。當(dāng)醇-水比為5:1和10:1時(shí)，產(chǎn)生大量沉淀，這主要是因?yàn)榇嫉募尤爰铀倭朔磻?yīng)產(chǎn)物的沉淀過程的完成。實(shí)驗(yàn)分析表明，醇-水溶液比為5:1時(shí)，所得ZrO2粉體的粒徑主要分布在20nm30n

9、m，在上述采用TEM測(cè)定的粒徑相近，在比表面積達(dá)到52m2/g，合成的納米粉體分散性較好。4.表面活性劑對(duì)粉體的影響為了進(jìn)一步改善合成的納米粉體的分散性，實(shí)驗(yàn)中還研究了分散劑PEG200加入對(duì)粉體比表面積的影響。結(jié)果表明，無水乙醇-水比為5:1，通過加入40wt%PEG200可使粉體的比表面積從52m2/g提高至64m2/g.可見，適量的分散劑的加入可明顯改善合成的ZrO2納米粉體的分散性。這是由于在沉淀的過程中，PEG大分子吸附在沉淀粒子的表面，削弱了粒子間的吸引力，從而減小了粉體的團(tuán)聚。5.ZrOCl2濃度對(duì)粉體的影響圖5所示為ZrOCl2濃度為0.4mol/L時(shí)ZrO2（3Y）粉體的TE

10、M照片。比較圖1和圖5可知，當(dāng)ZrOCl2溶液初始濃度較高時(shí)，所得粉體的粒徑也較大。這是因?yàn)楫?dāng)ZrOCl2濃度高時(shí)，ZrOCl2分子間碰撞更多，顆粒容易長(zhǎng)大的結(jié)果。因初始濃度造成的粒徑差別并不大，顆粒都在1020nm之間，說明ZrOCl2濃度對(duì)粉體粒徑的影響不大。6.醇的種類的影響圖1和圖6（a）分別為醇-水溶液比為5:1，燒成溫度為900時(shí)，采用乙醇和異丙醇配制醇-水溶液時(shí)制備的ZrO2粉體的TEM照片。 從圖1可見，當(dāng)選擇乙醇為溶劑時(shí)，合成的ZrO2粉體顆粒形狀近似球形，粒徑分布均勻，平均粒徑約為25nm。而選擇異丙醇為溶劑時(shí)，從圖6可知，制備的ZrO2粉體主要由較規(guī)則的球形顆粒組成，球形

11、顆粒粒徑接近0.5m，而且存在明顯的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。從圖6（b）可知，采用異丙醇配制的醇-水溶液合成的ZrO2球形顆粒時(shí)很多粒徑約為十幾納米的小顆粒的聚集頭，這說明每一個(gè)球形顆粒實(shí)際是一種團(tuán)聚體，這種團(tuán)聚體近似于球形，說明沉淀是很均勻的進(jìn)行，但這些球形團(tuán)聚體同樣因靜電斥力不夠大而黏在一起。乙醇-水溶液和異丙醇-水溶液的沸點(diǎn)和介電常數(shù)見表2。乙醇-水溶液即使在沸點(diǎn)時(shí)介電常數(shù)也很高，因此沉淀產(chǎn)生的初始顆粒間的靜電排斥力也大，顆粒不容易發(fā)生聚集。而異丙醇-水溶液的介電常數(shù)卻較前者少了很多，因此當(dāng)沉淀產(chǎn)生時(shí)，初始顆粒間的經(jīng)典排斥力不夠大而聚集成大的二次顆粒。綜上所述，采用無水乙醇為溶劑配制醇水溶液，有利

12、于形成分散性較好、粒徑均勻的納米ZrO2粉體。 結(jié)論采用醇-水加熱的方法可成功制備ZrO2粉體。醇-水溶液加熱溫度，醇的種類。醇-水比和煅燒溫度等都對(duì)納米ZrO2粉體合成有著重要的影響。通過選擇乙醇作為醇溶劑，醇-水加熱溫度為75，醇-水比為5:1，并加入4.0wt%PEG200作為分散劑時(shí)，可制備出顆粒分散性好，顆粒平均約為25nm的ZrO2粉體。合成粉體在900煅燒后為純的四方相ZrO2。參考文獻(xiàn)1. 鄭水林超細(xì)粉體，北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，19992. 盧壽慈主編粉體加工技術(shù)，北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，19993. 丁延偉，范崇政現(xiàn)代化工，20014. 艾得生，李慶豐，戴遐明中國(guó)粉體技術(shù)，20015. 李蔚，高濂，郭景坤醇-水溶液加熱法制備納米氧化鋯：無機(jī)材料學(xué)報(bào)，19996. 李燕，蘇永納米ZrO2超細(xì)粉的制備及表面改性，安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，19997. 石贊，蔣昌霖煅燒溫度和時(shí)