一种氧化铁超细纳米粉体的制备方法技术

本发明专利技术涉及氧化铁超细纳米粉体的制备方法，属于精细化工领域。本发明专利技术利用廉价的铁盐化工原料批量制备氧化铁（α－Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］，γ－Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］，Ｆｅ↓［３］Ｏ↓［４］）超细纳米粉体，粉体的晶粒尺寸接近单分散，其平均粒径分别为１０－２０纳米（α－Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］），３－１０纳米（γ－Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］）和５－１５纳米（Ｆｅ↓［３］Ｏ↓［４］）。本发明专利技术具有工艺简单、设备投入成本低、粉体超细以及产量高的优点，非常适合规模化生产。在催化剂、磁性材料、颜料和涂料、敏感器件、医用材料等诸多领域都有广阔的应用前景。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铁超细纳米粉体的制备方法
本专利技术涉及一种氧化铁超细纳米粉体的制备方法，具体地说，使用本专利技术制备氧化铁(α-Fe2O3，γ-Fe2O3，Fe3O4)超细纳米粉体不需要使用价格昂贵的化学原料和复杂的设备，也不需要添加分散剂，在室温下进行。通过控制原料浓度，可得到平均粒径为10-20纳米的α-Fe2O3粉体、3-10纳米的γ-Fe2O3粉体和5-15纳米的Fe3O4粉体，粉体粒径接近单分散状态。本专利技术属于精细化工领域。
技术介绍
氧化铁有多种晶体结构，其中常见的晶相有α-Fe2O3，γ-Fe2O3和Fe3O4三种，这三种氧化铁由于具备各种优异的性能，在工业生产中得到广泛的应用，如α-Fe2O3和γ-Fe2O3应用于磁记录材料、磁性流体、催化剂、敏感器件、颜料和涂料、生物材料等领域，Fe3O4也在医用核磁共振诊断的造影剂以及定向药物载体中有很好应用，尤其是当材料的颗粒尺度降低到纳米范围时，材料的各项物理性能都有显著的提高，国内目前已经出现了氧化铁纳米材料在一些纳米级透明颜料中应用的多种产品，如浙江神光材料科技有限公司、北京纳米阳光科技有限公司、苏州恒辉科技有限公司等单位。氧化铁纳米粉体的制备通常有沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、冷冻干燥法、气相蒸发法、电爆炸法等等。至今为止国内外有关纳米氧化铁的公开专利很少，中国专利CN1310206公开一种制备纳米级α-Fe2O3的方法，其技术特点是在Fe3+溶液中加入碱首先生成氢氧化铁凝胶，然后在90-100℃下加入少量催化剂一步转化直接制备α-Fe2O3纳米粉体，粉体晶粒的平均粒径在70纳米左右。中国专利CN1312224公开的一种液相合成α-Fe2O3纳米粉体也是先生成氢氧化铁凝胶，然后在催化剂存在的条件下，利用微波加热在105℃快速(3-4分钟)直接转化为α-Fe2O3纳米粉体，粉体晶粒的平均粒径在20-100纳米之间。除此之外，尚未发现公开的批量制备其他相氧化铁的工艺。就制备方法的经济性和规模化生产而言，沉淀法具有很大的优越-->性，但在制备过程中还需要加入分散剂控制颗粒粒径；由氢氧化铁凝胶煅烧得到氧化铁纳米粉体的过程中将伴随晶粒的明显长大；从α-Fe2O3得到γ-Fe2O3还需要经过氢气控制还原等工艺，所以沉淀法制备出的粉体粒径一般都比较大，在几十纳米左右，工艺步骤较复杂。最近Kang等人利用一种改进的液相制备方法，在PH值为11-12时直接制备出晶粒平均粒径仅为5纳米的Fe3O4纳米粉体。Tang等人对此制备工艺进行进一步改进，在碱性溶液中一步直接制备出晶粒平均粒径为10纳米左右的γ-Fe2O3纳米粉体。这两种方法的显著特点是不使用分散剂或其他催化剂就可以直接制备出γ-Fe2O3和Fe3O4超细纳米粉体，而且粉体的粒径分布非常均匀，近单分散状态。唯一的不足之处在于化学反应需要较长的时间(几个小时)，生产效率由此受到限制。本专利技术的目的是提供一种适合规模化工业生产的氧化铁超细纳米粉体制备方法，它是一种比现有生产工艺更经济、粉体粒径更细小的合成途径，而且设备投入少，可以在一台设备上采用不同工艺生产三种氧化铁超细纳米粉体。制备工艺简单，产品质量稳定，在室温或100℃以内就可以分别制备出接近单分散的α-Fe2O3、γ-Fe2O3和Fe3O4超细纳米粉体。其主要技术方案包括包括化学反应、沉淀、水洗和干燥等工艺过程，其特征在于：(1)、采用Fe2+和Fe3+盐为化学原料，原料浓度在0.01-1摩尔/升；(2)、Fe3+和Fe2+盐的摩尔浓度之比保持在2；(3)、采用强碱作为沉淀剂，强碱与铁盐的摩尔浓度之比控制在4-6之间；(4)、反应溶液加入少量的络合剂，其含量在0-5％之间；(5)、反应溶剂为去离子水；(6)、在制备氧化铁中的γ-Fe2O3与Fe3O4时，化学反应在室温下进行，在制备氧化铁中的(α-Fe2O3)，化学反应在70-100℃下进行。所述的铁盐为硫酸盐、氯化物、草酸盐或醋酸盐。所述的强碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。所加络合剂为焦磷酸纳、氯化铵、硫酸铵、草酸钠、柠檬酸钠、三乙醇胺中的一种或两种。所述的化学反应是在碱性溶液中进行的，溶液酸碱度PH值控制在9-12之间。-->制备氧化铁中的Fe3O4纳米粉体时所用的去离子水需要充入高纯度的氮气以去除水中溶解的氧，整个反应过程需要氮气氛保护。制备氧化铁中的α-Fe2O3纳米粉体是在70-100℃下进行。反应过程中需要对溶液进行强力机械搅拌，使反应充分均匀。纳米粉体的沉淀分离是利用离心分离或者磁场分离。氧化铁中的Fe3O4纳米粉体的干燥工艺是在真空中常温下完成；氧化铁中的γ-Fe2O3纳米粉体在空气中100-120℃之间干燥。下面将重要的工艺参数和工艺过程评述如下：1、化学原料的选择：铁盐包括Fe2+和Fe3+两种，可以为氯化物、硫酸盐、草酸盐、醋酸盐；强碱可以为氢氧化钠、氢氧化钾或浓氨水。2、化学原料的浓度：三价铁和二价铁的摩尔浓度比为2∶1，二价铁的摩尔浓度在0.01-1摩尔/升，强碱与二价铁的摩尔浓度比值在2-6之间。3、溶液PH值：PH值由强碱调节，控制在9-12之间。4、络合剂：主要作用是适当降低铁盐的浓度，以抑制氧化铁晶粒的生长，提高氧化铁成核率。它可以是焦磷酸纳、氯化铵、硫酸铵、草酸钠、柠檬酸钠、三乙醇胺中的一种或两种，含量在0-5％之间。5、反应容器及搅拌：为了使化学反应在稳定的环境中进行，反应容器最好为密闭容器，并且在反应过程中对溶液加以强力机械搅拌以使化学反应充分均匀。6、化学反应的气氛：α-Fe2O3和γ-Fe2O3的纳米粉体制备使用的是普通去离子水，反应过程是在空气中进行的；Fe3O4纳米粉体的制备则需要使用充氮去离子水以及高纯度氮气作为保护气氛。7、反应温度：γ-Fe2O3和Fe3O4纳米粉体是在室温下制备的；α-Fe2O3纳米粉体是在70-100℃之间制备的。8、悬浮液的沉淀及分离：悬浮液的沉淀可以通过高速离心分离或者施加磁场，使氧化铁颗粒沉淀，然后去除上层清液，开始下一道的清洗工序。9、粉体的清洗：除了Fe3O4纳米粉体的清洗需要使用冲氮气的去离子水之外，其他两种氧化铁纳米粉体的清洗都使用普通去离子水，每次清洗之后都要通过高速离心机将氧化铁超细纳米晶粒沉淀，固液分离之后重复清洗工序2-3次即可得到纯度高于99％的纳米粉体。10、粉体的干燥：为了防止粉体在空气中被氧化，Fe3O4纳米粉体的干-->燥是在真空下进行的；α-Fe2O3和γ-Fe2O3的纳米粉体可以在空气中100-120℃。干燥之后的粉体稍加碾磨即可得到疏松的粉体。作为选择，粉体还可以进一步过筛以进一步减轻晶粒间的软团聚程度。本专利技术具有以下几个方面的显著特点：1、制备工艺简单，工艺参数容易控制；不需要复杂的设备，适合规模化工业生产。2、由于三种氧化铁超细纳米粉体可以使用同一设备，大大提高设备的通用性，可以在不附加额外投入的情况下，生产出三种氧化铁超细纳米粉体。3、本专利技术使用的化学原料都为工业原料，从经济上考虑有利于在较短的时间内收回投资成本。4、由于在反应溶液中加入了少量络合剂，起到自动调节反应原料的浓度，由此可以大大提高铁盐溶液的加注速度，缩短反应时间，从而显著提高了生产效率。5、由于反应是在碱性条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化铁超细纳米粉体的制备方法，包括化学反应、沉淀、水洗和干燥等工艺步骤，其特征在于：（２）、采用Ｆｅ↑［２＋］和Ｆｅ↑［３＋］盐为化学原料，原料浓度在０．０１－１摩尔／升；（２）、Ｆｅ↑［３＋］和Ｆｅ↑［２＋］盐的摩尔浓度之比保 持在２；（３）、采用强碱作为沉淀剂，强碱与铁盐的摩尔浓度之比控制在４－６之间；（４）、反应溶液加入少量的络合剂，其含量在０－５％之间；（５）、反应溶剂为去离子水；（６）、在制备氧化铁中的γ－Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］与Ｆｅ↓［３ ］Ｏ↓［４］时，化学反应在室温下进行，在制备氧化铁中的α－Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］，化学反应在７０－１００℃下进行。

【技术特征摘要】
1、一种氧化铁超细纳米粉体的制备方法，包括化学反应、沉淀、水洗和干燥等工艺步骤，其特征在于：(2)、采用Fe2+和Fe3+盐为化学原料，原料浓度在0.01-1摩尔/升；(2)、Fe3+和Fe2+盐的摩尔浓度之比保持在2；(3)、采用强碱作为沉淀剂，强碱与铁盐的摩尔浓度之比控制在4-6之间；(4)、反应溶液加入少量的络合剂，其含量在0-5％之间；(5)、反应溶剂为去离子水；(6)、在制备氧化铁中的γ-Fe2O3与Fe3O4时，化学反应在室温下进行，在制备氧化铁中的α-Fe2O3，化学反应在70-100℃下进行。2、按权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的铁盐为硫酸盐、氯化物、草酸盐或醋酸盐。3、按权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的强碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。4、按权利要求1所述的制备方法，其特征在于所加络合剂为焦磷酸纳、氯化铵、硫酸铵、草酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢金山，杭胜伟，
申请(专利权)人：无锡威孚吉大新材料应用开发有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]