一种高分散纳米氧化锆粉末的制备方法技术

本发明专利技术属于陶瓷粉末制备技术领域，尤其涉及一种高分散纳米氧化锆的制备方法。本发明专利技术通过掺杂钇金属改性、采用共沉淀法制备前驱体与水热晶化相结合获得一种高纯度高分散的纳米氧化锆粉末，同时还通过超滤复合膜技术，去除前驱体中的杂质离子，更有效发挥矿化剂在水热反应中控制晶型以及颗粒分散的作用，提高氧化锆粉体在前驱体中的浓度，获得纯度高产率的纳米粉体。本发明专利技术方法所制备的钇稳定的纳米氧化锆粉体，其颗粒形状为球形、粒径分布窄、分散性好、纯度高、无团聚等优异性能，可广泛应用于高端生物陶瓷材料，解决了目前氧化锆材料在在晶型转变过程引起的材料脆性，使氧化锆陶瓷应用灵活、广泛。

Preparation of highly dispersed nano-zirconia powder

The invention belongs to the technical field of ceramic powder preparation, in particular to a preparation method of highly dispersed nano-zirconia. The nano-zirconia powder with high purity and high dispersion is prepared by doping yttrium metal and combining the precursor with hydrothermal crystallization by coprecipitation method. At the same time, the impurity ions in the precursor are removed by ultrafiltration composite membrane technology, which can effectively play the role of Mineralizer in controlling crystal form and particle dispersion in hydrothermal reaction and improve the zirconia powder in the precursor. The nano-powders with high purity and yield were obtained by concentration. The yttrium-stabilized nano-zirconia powder prepared by the method has excellent properties such as spherical shape, narrow particle size distribution, good dispersion, high purity, no agglomeration, etc. It can be widely used in high-end bioceramics materials, which solves the material brittleness caused by the current zirconia material in the crystalline transformation process, and makes zirconia ceramics flexible and widely used.

【技术实现步骤摘要】
一种高分散纳米氧化锆粉末的制备方法
本专利技术属于陶瓷粉末制备
，尤其涉及一种高纯高分散纳米氧化锆的制备方法。
技术介绍
二氧化锆陶瓷具有优异的物理和化学性能，能够抗腐、抗磨、抗冲击、隔热、隔瓷、抗高温以及隔电等特性，被广泛应用于催化、氧气敏感传感器、高温固态燃料电池、耐火材料化学惰性表面材料、外观装饰材料以及生物材料等方面，成为当今研究开发的热点之一。二氧化锆(ZrO2)有一种特殊的性质——马氏体相变，随着温度的变化，ZrO2结构能够发生改变，低温为单斜ZrO2(m-ZrO2)，高温至1170℃全部转变为四方ZrO2(t-ZrO2)，再升温至2370℃转变为立方ZrO2(c-ZrO2)，同时这又是一个可逆的相转变过程，且转变过程中伴随着剪切应变和体积变化，使氧化锆材料的抗热震性能大大降低而导致材料开裂，严重限制了二氧化锆陶瓷的应用。因此，为了减少相变的影响，可以通过添加氧化钇(Y2O3)使t-ZrO2在室温下稳定。自1975年，澳大利亚科学家Gavie等首先发现了掺钇型氧化锆相变增韧机制以来，目前，国内外先进的氧化锆粉体制造商，如日本东曹、国内的三环集团等，在专利CN102803180A、EP0140638B1、CN201510309285等均采用钇掺杂获得稳定的四方相氧化锆。同时，制备性能良好的二氧化锆，对于粉体要求还包括粉体的平均粒度小于100nm、形状为球形、无硬团聚、纯度高、化学组成均匀、粒度分布窄，因此高纯度高分散的陶瓷粉体是决定粉体性能的关键因素，若粉体团聚严重会影响陶瓷的烧结、增高了烧结温度等。目前，制备氧化锆粉体的方法有水解法、沉淀法、微乳液法、水热法、高温喷雾热解法、喷雾感应耦合等离子体法以及冷冻干燥法，其中共沉淀法工艺要求简单且容易添加其它氧化物作为稳定剂，但该法容易引入其它杂质元素造成纯度下降，形成的胶体状沉淀较难洗涤、过滤速度慢，且需要高温煅烧，在干燥过程中容易出现成块的团聚；而水热法可以直接从溶液中得到结晶氧化物，避免了传统的氢氧化物转变成氧化物的煅烧工艺，且其粒径和形貌可控，减少外界杂质的引入，减少产生硬聚体的可能，但是整个工艺成本较高，产量较低。因此，有必要提供一种有效的制备方法，获得高纯高分散高产率的纳米氧化锆粉体。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术通过掺杂钇金属改性、采用共沉淀法制备前驱体与水热晶化相结合获得一种高纯度高分散的纳米氧化锆粉末的制备方法，为了提高粉体的纯度以及产品的产率，本专利技术还通过超滤复合膜技术，去除前驱体中的杂质离子，提高氧化锆粉体在前驱体中的浓度以及最终粉体的产率；而在水热过程中添加矿化剂的方法，以达到提高纳米粒子在溶液中的分散性，避免颗粒的团聚。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高纯度高分散纳米氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：A.将无机锆盐与无机钇盐按摩尔百分比100:2～4置于容器中，添加去离子水，以配置锆离子浓度在0.2～1mol/L，均匀搅拌至澄清溶液；B.称取1～5％分散剂(以步骤A中称取的锆盐以及钇盐质量总和计)，并加入步骤A制备的澄清溶液中，在室温下搅拌；C.控制步骤B中的搅拌速度，在溶液中缓慢滴加沉淀剂，直至溶液pH值在8～14时反应结束；D.将步骤C制得的沉淀液在常温下，陈化12～72小时后，加入陶瓷复合膜分离设备中，对沉淀剂用去离子水进行超滤清洗，去除滤液中的杂质离子，直至使用0.1mol/L硝酸银溶液进行检验，滤液中不含氯离子，制得水合氢氧化锆前驱体，控制浓度在5～10％；E.取一定量的步骤D制得的前驱体溶液加入水热反应釜中，并加入的矿化剂在溶液中的浓度控制在0.1mol/L～0.5mol/L,水热温度为180～220℃，水热时间为6～18小时，然后在室温下冷却，完成水热反应；F.将步骤E冷却后的溶液倒出反应釜，在此加入陶瓷复合膜分离设备，用去离子水进行清洗1小时后脱水，再在室温下自然风干，最后70～120℃干燥3小时，即得到纳米氧化锆粉体；步骤(A)中的无机锆盐选自氧氯化锆、硝酸锆中的一种或两种；步骤(A)所述的无机钇盐选自硝酸钇、氯化钇中的一种或两种。步骤(B)中的分散剂选自聚乙二醇300、聚乙二醇400、聚乙二醇500、聚乙二醇600中的一种；步骤(C)中的沉淀剂可选自氨水、氢氧化钠、尿素、氢氧化钾、碳酸钠中的一种；步骤(E)中的矿化剂选自乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、丙三醇、乙二醇甲醚的一种或两种。本专利技术最后所获得的氧化锆纳米颗粒，其颗粒粒径在20～30nm且粒径分布窄、分散性好，掺钇氧化锆粉体的纯度达到99.0％以上，通过锆离子的质量百分比计算，最终90％以上的氧氯化锆制备得氧化锆粉体。且高浓度的锆离子前驱体，在添加矿化剂后，水热反应所获得的粉体分散性好，没有团聚现象。该性能良好的氧化锆粉体可以应用于高端生物陶瓷材料，成品涉及手机指纹识别片、无线充电穿戴手表外观件、发动机部件、生物科学部件(如牙齿修复、关节修复)等领域。本专利技术的有益效果如下：1)本专利技术在大量实验基础上，通过探讨前驱体容易pH值、有机矿化剂的浓度、水热温度、水热时间对粉体结晶性能的影响，从而获得最优实验条件，得到分散性佳、粒径分布窄的掺钇氧化锆纳米粉体；2)采用了陶瓷复合膜分离设备，有效去除前驱体溶液中的杂质离子，提高锆离子的纯度，更重要的是去除了杂质离子在水热反应中对于离子晶型的影响，获得四方相的氧化锆晶体；3)该制备提高纳米氧化锆的产率，同时高浓度条件下制备，水热反应仍能获得分散性好，没有团聚的氧化锆粉体。附图说明图1为本专利技术实施例1中所得产品的XRD图图2为本专利技术实施例1中所得产品的TEM图具体实施方式现将本专利技术的具体实施例叙述于后。实施例1一种高纯度高分散纳米氧化锆粉体的制备方法，该方法包括以下步骤：A.称取药品131gZrOCl2·8H2O以及3.88gYCl3·6H2O，置于容器中，添加去离子水至1L，以配置锆离子浓度在0.4mol/L，均匀搅拌至澄清溶液；B.称取2g聚乙二醇400，并加入步骤A制备的澄清溶液中，在室温下搅拌；C.控制步骤B中的搅拌速度，在溶液中缓慢滴加1mol/L的NaOH溶液，直至溶液pH值在10时反应结束；D.将步骤C制得的沉淀液在常温下，陈化24小时后，加入陶瓷复合膜分离设备中，对沉淀剂用去离子水进行超滤清洗，去除滤液中的杂质离子，直至使用0.1mol/L硝酸银溶液进行检验，滤液中不含氯离子，制得水合氢氧化锆前驱体，控制浓度在6％；E.取一定量的步骤D制得的前驱体溶液加入水热反应釜中，并加入的30g三乙醇胺在溶液中,水热温度为180℃，水热时间为18小时，然后在室温下冷却，完成水热反应；F.将步骤E冷却后的溶液倒出反应釜，在此加入陶瓷复合膜分离设备，用去离子水进行清洗1小时后脱水，再在室温下自然风干，最后70℃干燥3小时，即得到纳米氧化锆粉体；本实施例制备的样品，通过XRD图1可以看出获得的是四方相氧化锆晶体，粒径通过xrd半峰宽计算以及扫描透射电镜，均可计算获得一次粒径均值为25nm左右的氧化锆粉体。由TEM图2可观察到颗粒形状为球形、粒径分布窄、分散性好，无团聚现象，且最终掺钇氧化锆粉体纯度达到99％以上。实施例2一种高纯度高分散纳米氧化锆粉体的制备方法，该方法包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高分散纳米氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：A.将无机锆盐与无机钇盐按摩尔百分比100:2～4置于容器中，添加去离子水，以配置锆离子浓度在0.2～1mol/L，均匀搅拌至澄清溶液；B.称取1～5％分散剂(以步骤A中称取的锆盐以及钇盐质量总和计)，并加入步骤A制备的澄清溶液中，在室温下搅拌；C.控制步骤B中的搅拌速度，在溶液中缓慢滴加沉淀剂，直至溶液pH值在8～14时反应结束；D.将步骤C制得的沉淀液在常温下，陈化12～72小时后，加入陶瓷复合膜分离设备中，对沉淀剂用去离子水进行超滤清洗，去除滤液中的杂质离子，直至使用0.1mol/L硝酸银溶液进行检验，滤液中不含氯离子，制得水合氢氧化锆前驱体，控制浓度在5～10％；E.取一定量的步骤D制得的前驱体溶液加入水热反应釜中，加入的矿化剂在溶液中的浓度控制在0.1mol/L～0.5mol/L,水热温度为180～220℃，水热时间为6～18小时，然后在室温下冷却，完成水热反应；F.将步骤E冷却后的溶液倒出反应釜，在此加入陶瓷复合膜分离设备，用去离子水进行清洗1小时后脱水，最后70～120℃干燥3小时，即得到纳米氧化锆粉体；步骤(A)中的无机锆盐选自氧氯化锆、硝酸锆中的一种或两种；步骤(A)所述的无机钇盐选自硝酸钇、氯化钇中的一种或两种；步骤(B)中的分散剂选自聚乙二醇300、聚乙二醇400、聚乙二醇500、聚乙二醇600中的一种；步骤(C)中的沉淀剂可选自氨水、氢氧化钠、尿素、氢氧化钾、碳酸钠中的一种；步骤(E)中的矿化剂选自乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、丙三醇、乙二醇甲醚中的一种或两种。...

【技术特征摘要】
1.高分散纳米氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：A.将无机锆盐与无机钇盐按摩尔百分比100:2～4置于容器中，添加去离子水，以配置锆离子浓度在0.2～1mol/L，均匀搅拌至澄清溶液；B.称取1～5％分散剂(以步骤A中称取的锆盐以及钇盐质量总和计)，并加入步骤A制备的澄清溶液中，在室温下搅拌；C.控制步骤B中的搅拌速度，在溶液中缓慢滴加沉淀剂，直至溶液pH值在8～14时反应结束；D.将步骤C制得的沉淀液在常温下，陈化12～72小时后，加入陶瓷复合膜分离设备中，对沉淀剂用去离子水进行超滤清洗，去除滤液中的杂质离子，直至使用0.1mol/L硝酸银溶液进行检验，滤液中不含氯离子，制得水合氢氧化锆前驱体，控制浓度在5～10％；E.取一定量的步骤D制得的前驱体溶液加入水热反应釜中，加入的矿化剂在溶液中的浓度控制在0.1mol/L～0.5mol/L,水热温度为180～220℃，水热时间为6～18小时，然后在室温下冷却，完成水热反应；F.将步骤E冷却后的溶液倒出反应釜，在此加入陶瓷复合膜分离设备，用去离子水进行清洗1小时后脱水，最后70～120℃干燥3小时，即得到纳米氧化锆粉体；步骤(A)中的无机锆盐选自氧氯化锆、硝酸锆中的一种或两种；...

【专利技术属性】
技术研发人员：施利毅，王漪，袁帅，
申请(专利权)人：上海上惠纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31