一种透明纳米氧化锆液相分散体及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种透明纳米氧化锆液相分散体及其制备方法与应用。所述分散体包括液相介质和纳米氧化锆颗粒，所述纳米氧化锆颗粒均匀地分散在液相介质中；所述分散体的固含量为1wt％～50wt％；所述纳米氧化锆颗粒的一维尺寸为1～12nm；所述液相介质是水、有机溶剂、与水互溶的有机溶剂和水的混合物或不同有机溶剂的混合物。产品中纳米氧化锆结晶度高，粒径小且分布均匀，不含任何表面活性剂，纯度高，分散效果好，静置≥6个月仍无沉降。所述方法制得产物不需经过任何处理，直接为透明的纳米氧化锆液相分散体，过程中不需添加任何物质辅助分散，即可解决纳米氧化锆颗粒易团聚、分散性差、复合材料光学性能差的问题，赋予产品更高的应用性能和更广泛的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料
更具体地，涉及一种透明纳米氧化锆液相分散体及其制备方法与应用。
技术介绍
纳米氧化锆具有高熔点、高沸点、导热系数小、热膨胀系数小、耐磨性好、折射率高、抗腐蚀性能优良的特点，可广泛应用于功能陶瓷、宝石业、催化剂产业、压电元件、离子交换器、固体电解质及环保等领域。作为电子陶瓷材料，纳米氧化锆可以用于制造滤波器、超声波振荡器、高温导体、压电元件和固体燃料电池等；作为功能陶瓷材料，纳米氧化锆是制造气体、温度、声音、压力、加速度以及湿度等方面的传感器的原料。氧化锆对有机膦酸化合物、腐殖酸具有很强的亲和力，利用这一特性，可以将纳米氧化锆复合在分离膜中，用于一些烷基膦酸的分离、萃取提纯，也可用于含有机质的污水的处理。利用纳米氧化锆可以调节材料的折光率，这对于光电元件、光学波导、非线性光学材料、光学传感器非常有价值。纳米氧化锆的远红外发射特性使之在杀菌、保健和热障涂层方面也有一定应用。众所周知，许多纳米材料的优良特性都是取决于纳米材料的粒度、分散程度、制备工艺等因素。对于在光学领域有广泛应用的纳米氧化锆，良好的分散性能、小而均一的粒径分布至关重要，可直接影响其本身及复合材料的光学性能。目前，国内外制备纳米氧化锆粉体的技术已经相对成熟，普遍制法为使用可溶性锆盐和碱源(如氨水、氢氧化钠、氢氧化钾等)制备出氢氧化锆，通过添加改性剂包覆所得颗粒，经煅烧或水热形成结晶的氧化锆。例如：中国专利申请号为201010218239.8的专利，其制备方法为使用添加羧甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素等作为表面改性剂的氧氯化锆与氢氧化钠反应，经搅拌陈化、过滤、喷雾干燥、煅烧制成纳米氧化锆粉体；中国专利申请号为200920188008.4的专利以季铵碱作为沉淀剂和改性剂，经沉淀、过滤、共沸干燥、煅烧、研磨制得产品。此类制备方法存在的共性缺陷是所制产品团聚严重，颗粒粒径较大，应用于复合材料时与其他材料相容性较差和透明性较差，严重限制了在光学等相关领域的应用。另外，在现有技术中也有公开关于氧化锆分散体的制备方法，例如：中国专利申请号为201180072212.5的专利和中国专利申请号为200980150498.7的专利。前者使用氧氯化锆和碱金属卤化物在高温条件下水热，制备得到白色氧化锆浆料，之后加强酸进行酸化胶溶得到单斜相氧化锆胶体悬浊液。众所周知，氧化锆非常稳定，晶化的氧化锆只能溶于热浓的氢氟酸、硝酸和硫酸；此方法通过加入盐酸等实现酸化，可见是溶解牺牲了未完全晶化的氧化锆、剩余晶化的氧化锆内核来缩小粒径、实现分散的，原料利用率低，污水含锆量大，既不经济也不环保。此外，由于过程中增加的强酸胶溶步骤、长时间的水热过程亦使制备过程繁琐而漫长。而后者使用乙酸氧锆作为锆源，原料价格昂贵，经济性差，且需额外添加柠檬酸等羧酸类物质以使颗粒稳定分散。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种透明纳米氧化锆液相分散体。该液相分散体固含量为1wt％～50wt％，氧化锆晶体粒径小，分布均匀，一维尺寸为1～12nm，平均粒径仅6nm；此外，该液相分散体不含任何表面活性剂即可达到稳定分散，产品纯度高，分散效果好，静置≥6个月仍无沉降，且液相分散体能够以水、有机溶剂或其混合物为分散介质，应用范围广。本专利技术的第二个目的在于提供一种透明纳米氧化锆液相分散体的制备方法。该方法采用水解无机锆盐的方法制备前驱体水合氧化锆，经过洗涤、水热，水热产物不需经过任何处理，直接为透明的氧化锆液相分散体，过程中不需添加任何物质辅助分散，即可解决纳米氧化锆颗粒易团聚、分散性差、复合材料光学性能差的问题，从而赋予产品更高的应用性能和更广泛的应用范围。本专利技术的第三个目的是提供一种透明纳米氧化锆液相分散体的应用。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种透明纳米氧化锆液相分散体，包括液相介质和纳米氧化锆颗粒，所述纳米氧化锆颗粒均匀地分散在液相介质中；所述分散体的固含量为1wt％～50wt％；所述纳米氧化锆颗粒的一维尺寸为1～12nm；所述液相介质是水、有机溶剂、与水互溶的有机溶剂和水的混合物或不同有机溶剂的混合物。优选地，所述有机溶剂选自下列物质中的一种或多种：甲醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙酸、乙腈、N-N二甲基甲酰胺、丙酮、苯胺、二甲亚砜、四氢呋喃、吡啶、乙酸乙酯、乙酸甲酯和乙酸丁酯。所述有机溶剂的极性较大、表面张力较低，有利于纳米氧化锆颗粒的稳定分散。现有技术中，要将纳米氧化锆的尺寸控制在较小的水平，并达到良好的氧化锆液相分散性，一般需要添加表面改性剂类物质，例如柠檬酸等羧酸、各种标号的硅烷偶联剂等，以确保在制备过程中(尤其是水热过程中)颗粒不发生团聚，这样无疑增加了表面改性和去除多余改性剂等一系列复杂的过程，并且改性剂的添加会一定程度上影响产品的使用性能，其固含量也达不到50wt％的水平。本专利技术不添加辅助分散的物质，依靠调节反应介质、水热介质、pH等多种反应条件，使纳米氧化锆颗粒带一定量的正电荷，从而使具有一定极性的分散介质分子极化，并形成双电层结构包围在颗粒表面，进而可以稳定地分散在水相、不同的有机相以及他们的混合相中，在不引入任何辅助物质的条件下，避免了传统水热过程中易引起纳米颗粒间团聚的问题。在对水热前驱体、水热介质、水热时间及水热温度等一系列参数进行大量的配合调变后，使得前驱体双电层很稳定，在高温高压的水热环境中依然可以稳定存在，因此确保了制备全过程颗粒不团聚，成功的将粒径控制在极小的范围内，有效地提高了分散体的透明性，进而极大地拓宽了其使用范围和应用性能。为达到上述第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种如上所述的透明纳米氧化锆液相分散体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)取水、有机溶剂、与水互溶的有机溶剂和水的混合物或不同有机溶剂的混合物作为溶剂，向其中加入锆盐，配制锆盐溶液；2)取水、有机溶剂、与水互溶的有机溶剂和水的混合物或不同有机溶剂的混合物作为溶剂，向其中加入水解促进剂，配制水解促进剂溶液；3)将锆盐溶液和水解促进剂溶液混合，得到酸性反应液；4)陈化处理上述酸性反应液，将陈化处理后的酸性反应液进行洗涤，得到前驱体分散体；5)将前驱体分散体进行水热处理，即得产物透明纳米氧化锆液相分散体。优选地，步骤1)中，所述锆盐选自下列物质中的一种或多种：硝酸锆、硝酸氧锆、氧氯化锆和氯化锆。优选地，步骤1)中，所述锆盐溶液的浓度为1wt％～30wt％。更优选地，步骤1)中，所述锆盐溶液的浓度为1wt％～15wt％；最优选地，步骤1)中，所述锆盐溶液的浓度为1wt％～5wt％。优选地，步骤1)中，所述有机溶剂选自下列物质中的一种或多种：甲醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙酸、乙腈、丙酮、二甲亚砜、四氢呋喃、吡啶、乙酸乙酯、乙酸甲酯和乙酸丁酯。由于本专利技术不采用任何辅助分散物质，不用考虑表面改性剂等类物质的的溶解和反应问题，进而极大地拓宽了溶剂的选择范围。优选地，步骤2)中，所述水解促进剂选自下列物质中的一种或多种：氢氧化钾、氢氧化钠、氨水、三乙醇胺和乙二胺。优选地，步骤2)中，所述水解促进剂的浓度为0.1wt％～20wt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明纳米氧化锆液相分散体，其特征在于：包括液相介质和纳米氧化锆颗粒，所述纳米氧化锆颗粒均匀地分散在液相介质中；所述分散体的固含量为1wt％～50wt％；所述纳米氧化锆颗粒的一维尺寸为1～12nm；所述液相介质是水、有机溶剂、与水互溶的有机溶剂和水的混合物或不同有机溶剂的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种透明纳米氧化锆液相分散体，其特征在于：包括液相介质和纳米氧化锆颗粒，所述纳米氧化锆颗粒均匀地分散在液相介质中；所述分散体的固含量为1wt％～50wt％；所述纳米氧化锆颗粒的一维尺寸为1～12nm；所述液相介质是水、有机溶剂、与水互溶的有机溶剂和水的混合物或不同有机溶剂的混合物。2.根据权利要求1所述的一种透明纳米氧化锆液相分散体，其特征在于：所述有机溶剂选自下列物质中的一种或多种：甲醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙酸、乙腈、N-N二甲基甲酰胺、丙酮、苯胺、二甲亚砜、四氢呋喃、吡啶、乙酸乙酯、乙酸甲酯和乙酸丁酯。3.一种如权利要求1或2任一所述的透明纳米氧化锆液相分散体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)取水、有机溶剂、与水互溶的有机溶剂和水的混合物或不同有机溶剂的混合物作为溶剂，向其中加入锆盐，配制锆盐溶液；2)取水、有机溶剂、与水互溶的有机溶剂和水的混合物或不同有机溶剂的混合物作为溶剂，向其中加入水解促进剂，配制水解促进剂溶液；3)将锆盐溶液和水解促进剂溶液混合，得到酸性反应液；4)陈化处理上述酸性反应液，将陈化处理后的酸性反应液进行洗涤，得到前驱体分散体；5)将前驱体分散体进行水热处理，即得产物透明纳米氧化锆液相分散体。4.根据权利要求3所述的一种透明纳米氧化锆液相分散体的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述锆盐选自下列物质中的一种或多种：硝酸锆、硝酸氧锆、氧氯化锆和氯化锆；所述锆盐溶液的浓度为1wt％～30wt％；所述有机溶剂选自下列物质中的一种或多种：甲醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙酸、乙腈、丙酮、二甲亚砜、四氢呋喃、吡啶、乙酸乙酯、乙酸甲酯和乙酸丁酯；优选地，所述锆盐溶液的浓度为1wt％～15wt％；更优选地，所述锆盐溶液的浓度为1wt％～5wt％。5.根据权利要求3所述的一种透明纳米氧化锆液相分散体的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述水解促进剂选自下列物质中的一种或多种：氢氧化钾、氢氧化钠、氨水、三乙醇胺和乙二胺；所述水解促进剂的浓度为0.1
\twt％～20wt％；所述溶剂选自下列物质中的一种或多种：水、甲醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙腈、N-N二甲基甲酰胺、丙酮、苯胺、二甲亚砜、四氢呋喃、吡啶、乙酸乙酯、乙酸甲酯和乙酸丁酯；优选地，所述水解促进剂的浓度为0.1wt％～10wt％；更优选地，所述水解促进剂的浓度为0.1wt％～5wt％。6.根据权利要求3所述的一种透明纳米氧化锆液相分散体的制备方法，其特征在于：步骤3)中，锆盐溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建峰，张聪，王洁欣，曾晓飞，刘皓天，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11