專利名稱：一種用于制備納米級(jí)球形釔鋁石榴石粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)粉體的制備領(lǐng)域，特別涉及一種用于制備納米級(jí)球形釔鋁石 榴石粉體的方法。
背景技術(shù)：
紀(jì)鋁石榴石(Y3A15012 ， yttrium aluminum garnet, YAG)是由Y力3和A1203 形成的一種復(fù)雜氧化物，屬立方晶系，具有石榴石結(jié)構(gòu)，具有光學(xué)均勻性，無(wú)雙 折射效應(yīng)，化學(xué)性能穩(wěn)定，高溫抗蠕變性能優(yōu)異，是廣泛使用的激光和發(fā)光基礎(chǔ) 材料，YAG微粉可用于制備大尺寸高功率固體激光器工作物質(zhì)所需的YAG透明陶 瓷，從而取代難于生產(chǎn)的YAG單晶材料，還可用于制備YAG高溫結(jié)構(gòu)材料。研究 證明，制備球形顆粒、粒徑分布窄、無(wú)團(tuán)聚的YAG納米微粉有利于透明陶瓷的燒 結(jié)，因此如何制備球形無(wú)團(tuán)聚顆粒分布均勻的YAG納米微粉已引起廣泛關(guān)注。目 前的制備方法有固相反應(yīng)法、溶膠一凝膠法、沉淀法、水熱法等(見文獻(xiàn)l:徐 國(guó)綱，張旭東，李紅，等.山東陶瓷，2005， 28(4):15-18.及文獻(xiàn)2:許鳳秀，李霞， 等.中國(guó)陶瓷工業(yè)，2004， 11 (3) :38-41.)。固相反應(yīng)法合成溫度高，合成粉體的 顆粒大，團(tuán)聚嚴(yán)重，并且生成物組成和結(jié)構(gòu)往往呈非計(jì)量性和非均勻性；溶膠一 凝膠法工藝復(fù)雜，反應(yīng)過(guò)程不易控制，最終制備的粉體的分散性差，基本都是團(tuán) 聚的；水熱法對(duì)設(shè)備等條件要求嚴(yán)格，生產(chǎn)成本高，不宜于批量生產(chǎn)；沉淀法粉 體分散性差，粉體團(tuán)聚問(wèn)題難以解決，顆粒粒徑難以控制，粒徑分布寬。
微乳液法是上個(gè)世紀(jì)80年代新發(fā)展起來(lái)的一種制備納米粒子的方法，該方 法是以微乳體系中的微乳液滴為微反應(yīng)器，通過(guò)人為控制微反應(yīng)器的大小及其它 反應(yīng)條件，以獲得粒徑分布均勻、分散性良好的球形粒子。目前還沒有人用該方 法制備YAG納米微粉。
為解決YAG粉體制備中存在的以上問(wèn)題，本發(fā)明采用油包水(W/0)型微乳體 系中的微乳液滴作為微反應(yīng)器，通過(guò)微反應(yīng)器中增溶的(鋁鹽+釔鹽)混合溶液 和沉淀劑發(fā)生反應(yīng)，在較低的合成溫度下，成功地制備出粉體分散性良好的純相的納米級(jí)球形YAG粉體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種制備納米級(jí)球形YAG粉體的方法，其特征在于該 方法采用油包水(W/0)結(jié)構(gòu)的微乳液體系，即將包括油相物質(zhì)、表面活性劑、助 表面活性劑的油相透明乳液和包括反應(yīng)物溶液和沉淀劑溶液兩種的水相液體按 體積比2 10: 1或按質(zhì)量比1 5: 1的比例增溶，反應(yīng)生成單顆粒的球形鋁和 釔均勻混合體的沉淀物；提取出沉淀物進(jìn)行洗滌、抽慮、干燥，經(jīng)煅燒，得到分 散性良好、純相的、燒結(jié)活性高的球形YAG粉體。
所述制備納米級(jí)球形YAG粉體按如下步驟進(jìn)行
(l)含Al和Y的原料溶于去離子水或酸中，按摩爾比，Al: Y二5: 3混合均
勻，制備得反應(yīng)物溶液A;(2) 將氨水、草酸、碳酸氫氨中的一種或兩種用去離子水稀釋或溶解，充 分混合均勻，制成濃度為0. 5 6摩爾/升的沉淀劑溶液B;
(3) 將油相物質(zhì)、表面活性劑、助表面活性劑按比例當(dāng)表面活性劑為Triton X-100時(shí)，將油相物質(zhì)的體積視為100，則按照體積比，油相物質(zhì)TritonX-100 : 助表面活性劑的比例范圍是100 : 47~82 : 13~76。當(dāng)表面活性劑為CTAB時(shí)，將 油相物質(zhì)的質(zhì)量視為100，則按照質(zhì)量比，油相物質(zhì)TritonX-100 :助表面活性 劑的比例范圍是100 : 20 36 : 17 29;充分混合獲得透明油相溶液C;
(4) 將油相和水相按體積比2 10: 1或按質(zhì)量比1 5: l的比例分別增溶反 應(yīng)物溶液A和沉淀劑溶液B，分別獲得穩(wěn)定的油包水(W/0)型微乳液D、 E;
(5) 將微乳液D、 E充分混合，反應(yīng)生成的沉淀是單顆粒的球形鋁和釔的沉淀 物的均勻混合體；
(6) 將上述沉淀物提取出來(lái)后，進(jìn)行洗滌、抽慮、干燥，經(jīng)400 1600 。C煅 燒，煅燒1 6小時(shí)得到分散性良好、純相的、燒結(jié)活性高的球形YAG粉體。
所述油相物質(zhì)為苯、正己烷、環(huán)己烷、正辛烷中的一種或兩種。 所述表面活性劑為聚氧乙烯醚Triton X-IOO、十六烷基三甲級(jí)溴化氨CTAB 中的一種。
所述助表面活性劑為正己醇、正丙醇或正丁醇中的一種或兩種。 所述水相分為反應(yīng)物溶液和沉淀劑溶液兩種。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用油包水(W/0)型微乳體系中的微乳液滴作為 微反應(yīng)器，通過(guò)微反應(yīng)器中增溶的(鋁鹽+釔鹽)混合溶液和沉淀劑發(fā)生反應(yīng)， 在較低的合成溫度下，成功地制備出粉體分散良好的純相的納米級(jí)球形YAG粉體。 該方法工藝簡(jiǎn)單，能耗低，成本低，無(wú)環(huán)境污染，適宜于工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法， 本發(fā)明生產(chǎn)過(guò)程中的有機(jī)廢液全部可以回收，將有機(jī)廢液回收后，可以分餾處理， 重復(fù)使用，避免造成環(huán)境污染，節(jié)省成本，降低能耗。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出一種制備納米級(jí)球形YAG粉體的方法。該方法采用油包水(W/0) 結(jié)構(gòu)的微乳液體系，即將包括油相物質(zhì)、表面活性劑、助表面活性劑的油相透明 乳液和包括反應(yīng)物溶液和沉淀劑溶液兩種的水相液體按體積比2 10: 1或按質(zhì)
量比1 5: l的比例增溶，得到微乳體系，以微乳體系中的微乳液滴作為納米微 反應(yīng)器，在微反應(yīng)器中反應(yīng)，生成單顆粒的球形鋁和釔均勻混合體的沉淀物；提
取出沉淀物進(jìn)行洗滌、抽慮、干燥，經(jīng)400 160(TC煅燒，煅燒1 6小時(shí)得到分 散性良好、純相的、燒結(jié)活性高的球形YAG粉體。 該方法依次按如下步驟進(jìn)行
(l)含Al和Y的原料溶于去離子水或酸中，按摩爾比，Al: Y=5: 3混合均
勻，制備得反應(yīng)物溶液A;
(2)將氨水、草酸、碳酸氫氨中的一種或兩種用去離子水稀釋，充分混合 均勻，制成濃度為0.5 6.0摩爾/升的沉淀劑溶液B;
(3) 將油相物質(zhì)、表面活性劑、助表面活性劑按比例當(dāng)表面活性劑為Triton X-100時(shí)，將油相物質(zhì)的體積視為100，則按照體積比，油相物質(zhì)TritonX-100 : 助表面活性劑的比例范圍是100:47 82: 13~76。當(dāng)表面活性劑為CTAB時(shí)，將 油相物質(zhì)的質(zhì)量視為100，則按照質(zhì)量比，油相物質(zhì)Triton X-100 :助表面活性 劑的比例范圍是100 : 20~36 : 17~29，充分混合獲得透明油相溶液C;
(4) 將油相和水相按體積比2 10: 1的比例分別增溶反應(yīng)物溶液A和沉淀劑
溶液B，分別獲得穩(wěn)定的油包水(W/0)型微乳液D、 E;將微乳液D、 E混合；在 混合過(guò)程中，導(dǎo)致微乳液滴間的碰撞，發(fā)生了水核內(nèi)物質(zhì)的相互交換，引起核內(nèi) 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；因反應(yīng)物完全被限制在分散的納米級(jí)水核中，均勻地分散于油相
中，液滴內(nèi)部增溶的水相是很好的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，液滴形狀為規(guī)則的球形，大小
可以人為控制；碰撞過(guò)程取決于水核在連續(xù)相(即油相)中的擴(kuò)散，而交換過(guò)程 取決于當(dāng)水核互相靠近時(shí)表面活性劑尾部的相互吸引作用以及界面的剛性。液滴 間的相互碰撞會(huì)形成瞬時(shí)二聚體G，瞬時(shí)二聚體為兩個(gè)液滴提供水池通道，水相 內(nèi)增溶的物質(zhì)在此時(shí)交換并發(fā)生反應(yīng)。二聚體的形成過(guò)程改變了表面活性劑膜的 形狀，所以二聚體處于高能狀態(tài)，很快會(huì)分離。在不斷的聚合、分離過(guò)程中，化 學(xué)反應(yīng)發(fā)生并生成產(chǎn)物分子，多個(gè)產(chǎn)物分子聚集在一起成核。生成的核作為催化 劑使反應(yīng)加快進(jìn)行，產(chǎn)物附著在核上，使核成長(zhǎng)，最終成為產(chǎn)物粒子。由于水核 的形狀和大小是固定的，晶核增長(zhǎng)局限在微乳液的水核內(nèi)部，形成粒子的大小和 形狀由水核的大小和形狀決定。反應(yīng)生成的沉淀幾乎是單顆粒的球形鋁和釔的沉 淀物的均勻混合體；
(5)將上述沉淀物提取出來(lái)后，進(jìn)行洗滌、抽慮、干燥，經(jīng)400 1600 r煅 燒，煅燒時(shí)間為1 6小時(shí)得到分散性良好、純相的、燒結(jié)活性高的球形YAG粉 體。
上述油相溶液由油相物質(zhì)、表面活性劑、助表面活性劑按照一定的比例混合 制成，其中，油相物質(zhì)為苯、正己垸、環(huán)己垸、正辛烷中的一種或兩種；表面活 性劑為Triton X-100(聚氧乙烯醚)、CTAB (十六烷基三甲級(jí)溴化氨)中的一種； 助表面活性劑為正己醇、正丙醇或正丁醇中的一種或兩種；
上述水相分為反應(yīng)物溶液和沉淀劑溶液兩種，其中，反應(yīng)物溶液(釔鹽和鋁 鹽溶液)由含A1和Y的碳酸鹽、醋酸鹽、氯酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物、 氧化物制得；沉淀劑溶液可以由氨水、碳酸氫氨、草酸中的一種或兩種制得。
本發(fā)明可以通過(guò)調(diào)節(jié)油相溶液及水相各組分的含量和濃度來(lái)對(duì)所得粉體的 特性進(jìn)行控制。所得粉體的粉體粒徑10 150nm ，粒徑可調(diào)；近似球形的顆粒 形貌；粒度分布為單峰分布；分散性良好、粉體晶相為100%YAG。
下面以實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1、在室溫下，將硝酸釔(Y(N0丄 6H20)和硝酸鋁(A1(N03)3 9H20) 按照3: 5的摩爾比的比例配制成陽(yáng)離子總濃度為1.0mol/L的前驅(qū)體溶液，由于 體系是均一的水溶液，鋁和釔能夠在分子水平上實(shí)現(xiàn)均勻混合；將氨水配制成 4.0mol/L的沉淀劑溶液。
以(正己垸+環(huán)己垸)為100按體積比(正己垸+環(huán)己垸)Triton X-100 :
正己醇二 (90+10) : 44 : 60的比例配制油相溶液，按照io : 2油水比例，向油
相溶液中分別加入等體積的(釔+鋁)鹽水溶液和氨水溶液，輕輕搖晃，獲得無(wú)
色透明的微乳液C、 D。分別取50ml C、 D微乳液，混合后在磁力攪拌下反應(yīng) 5min-24h。然后采用加熱(70 80°C)回流、真空抽濾、離心分離中的一種或兩 種方法提取沉淀物凝膠。凝膠用無(wú)水乙醇或丙酮反復(fù)洗滌；在4(TC一150'C鼓風(fēng) 干燥箱內(nèi)或者真空烘箱內(nèi)干燥3 — 48h，或者在冷凍干燥機(jī)中干燥24 — 48h，然后 經(jīng)40(TC — 160(TC煅燒l一6h，得到納米級(jí)YAG粉體。
將提取沉淀物凝膠后的微乳液及洗滌沉淀的有機(jī)溶劑回收，分餾處理，分離 提純，重復(fù)使用。
實(shí)施例2、將氧化釔溶于適量硝酸制成硝酸釔，然后和氯化鋁(A1C13 6H20) 按照3: 5摩爾比的比例配制成濃度分別為0.5mol/L的前驅(qū)體溶液，將草酸配制 成2.0mol/L的溶液，再向該溶液中添加其它助劑以調(diào)節(jié)溶液的性質(zhì)，配成沉淀 劑溶液。
在室溫下，以(正己烷+環(huán)己烷)為100按體積比(正己垸+環(huán)己垸)Triton
x-ioo :正己醇=(86+14) : 35 : 33的比例配制油相溶液。按照6 : i的油水比
例，向該溶液中分別加入等體積的(釔+鋁)鹽水溶液和沉淀劑溶液，余下制備 步驟同實(shí)施例1中所述。
實(shí)施例3、將氧化釔溶于適量硝酸制成硝酸釔，將氫氧化鋁溶于適量鹽酸制 成氯化鋁，然后按照釔鋁=3: 5摩爾比的比例配制成濃度分別為0.5mol/L的 前驅(qū)體溶液，將碳酸氫銨配制成2. 0mol/L的溶液，再向該溶液中添加其它助劑 以調(diào)節(jié)溶液的性質(zhì)，配成沉淀劑溶液。
在室溫下，將環(huán)己垸、Triton X-100、正己醇，按11 : 6 : 3的體積比例配
制油相溶液。按照io:i的油水比例，向該溶液中分別加入等體積的(釔+鋁)
鹽水溶液和沉淀劑溶液，以下制備步驟同實(shí)施例1中所述。
實(shí)施例4、本實(shí)施例與實(shí)施例i不同之處在于油相溶液以苯為ioo，按苯
Triton X-100 :正丙醇=100 : 54 : 27的體積比例配制而成，按照3: 1的油水比，
向該溶液中分別加入等體積的(釔+鋁)鹽水溶液和沉淀劑溶液。
實(shí)施例5、本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處在于油相溶液以正辛垸為100，
微乳體系按照正辛烷ctab (固體粉末)正丁醇水溶液二ioo : 28 : 23: 77
的質(zhì)量比例配制而成。
權(quán)利要求
1.一種制備納米級(jí)球形YAG粉體的方法，其特征在于該方法采用油包水(W/O)結(jié)構(gòu)的微乳液體系，即將包括油相物質(zhì)、表面活性劑、助表面活性劑的油相透明乳液和包括反應(yīng)物溶液和沉淀劑溶液兩種的水相液體按體積比2～10∶1的比例增溶，反應(yīng)生成單顆粒的球形鋁和釔均勻混合體的沉淀物；提取出沉淀物進(jìn)行洗滌、抽慮、干燥，經(jīng)煅燒，得到分散性良好、純相的、燒結(jié)活性高的球形YAG粉體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述制備納米級(jí)球形YAG粉體的方法，其特征在于所述 制備納米級(jí)球形YAG粉體按如下步驟進(jìn)行(l)含Al和Y的原料溶于去離子水或酸中，按摩爾比，Al: Y = 5: 3混合均勻，制備得反應(yīng)物溶液A;(2)將氨水、草酸、碳酸氫氨中的一種或兩種用去離子水稀釋，充分混合 均勻，制成濃度為0.5 6摩爾/升的沉淀劑溶液B;(3) 將油相物質(zhì)、表面活性劑、助表面活性劑按比例當(dāng)表面活性劑為Triton X-100時(shí)，將油相物質(zhì)的體積視為100，則按照體積比，油相物質(zhì)TritonX-lOO : 助表面活性劑的比例范圍是100 : 30~62 : 13 76，當(dāng)表面活性劑為CTAB時(shí)，將 油相物質(zhì)的質(zhì)量視為100，則按照質(zhì)量比，油相物質(zhì)TritonX-100:助表面活性 劑的比例范圍是100 : 20 36 : 17~29，充分混合獲得透明油相溶液C;(4) 將油相溶液和水相按體積比2 10: 1或按質(zhì)量比1 5: 1的比例分別增 溶反應(yīng)物溶液A和沉淀劑溶液B，分別獲得穩(wěn)定的油包水(W/0)型微乳液D、 E;(5) 將微乳液D、 E充分混合，反應(yīng)生成的沉淀是單顆粒的球形鋁和釔的沉淀 物的均勻混合體；(6) 將上述沉淀物提取出來(lái)后，進(jìn)行洗滌、抽慮、干燥，經(jīng)400 1600 r煅 燒，煅燒1 6小時(shí)得到分散性良好、純相的、燒結(jié)活性高的球形YAG粉體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述制備納米級(jí)球形YAG粉體的方法，其特征在于所述 油相物質(zhì)為苯、正己烷、環(huán)己烷、正辛垸中的一種或兩種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述制備納米級(jí)球形YAG粉體的方法，其特征在于所述表面活性劑為Triton X-100(聚氧乙烯醚)、CTAB (十六烷基三甲級(jí)溴化氨)中的一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述制備納米級(jí)球形YAG粉體的方法，其特征在于所述 助表面活性劑為正己醇、正丙醇或正丁醇中的一種或兩種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述制備納米級(jí)球形YAG粉體的方法，其特征在于所述 水相分為反應(yīng)物溶液和沉淀劑溶液兩種。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于無(wú)機(jī)粉體的制備領(lǐng)域的一種用于制備納米級(jí)球形釔鋁石榴石粉體的方法。該方法采用油包水(W/O)結(jié)構(gòu)的微乳液體系，即將包括油相物質(zhì)、表面活性劑、助表面活性劑的油相透明溶液和包括反應(yīng)物溶液和沉淀劑溶液兩種的水相液體按體積比2～10∶1或按質(zhì)量比1～5∶1的比例增溶，反應(yīng)生成單顆粒的球形鋁和釔均勻混合體的沉淀物；提取出沉淀物進(jìn)行洗滌、抽慮、干燥，經(jīng)煅燒，得到分散性良好、純相的、燒結(jié)活性高的球形YAG粉體。該方法工藝簡(jiǎn)單，能耗低，成本低，有機(jī)廢液全部可以回收，無(wú)環(huán)境污染，適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01F7/02GK101113011SQ20071011842
公開日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者音 吳, 曾人杰, 瑞 郭, 勇 黃 申請(qǐng)人:清華大學(xué)