一種納米氧化鋁溶膠和凝膠的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種納米氧化鋁溶膠和凝膠的制備方法，通過以納米氧化鋁顆粒為原料，乳酸為分散劑，通過高速攪拌與高能球磨機分散相結(jié)合，制備高固含量納米氧化鋁溶膠；將制得的納米氧化鋁溶膠，在攪拌下加入一定量的六亞甲基四胺水溶液，加熱一定時間進行凝膠化，得到納米氧化鋁凝膠。本發(fā)明簡單易行，分散制得的納米氧化鋁溶膠固含量≥30％，粒徑小，分布均勻，并能在水中長期穩(wěn)定存在。
【專利說明】一種納米氧化鋁溶膠和凝膠的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米氧化鋁溶膠和凝膠的制備方法，屬于化工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]納米氧化鋁溶膠有著優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，在生產(chǎn)生活中有著極其廣泛的用途，被用于制作催化劑及載體，精細陶瓷，纖維增強氧化鋁陶瓷復(fù)合材料，新型涂料。但是，由于納米氧化鋁粒徑小，比表面積和表面能都很大，很容易發(fā)生團聚，固含量很難提高。國內(nèi)外關(guān)于高固含量的納米氧化鋁溶膠、凝膠研究報道非常少，根據(jù)相關(guān)研究，主要原因是氧化鋁在水中的溶解度是非常有限的。
[0003]目前，國內(nèi)外一些關(guān)于納米氧化鋁溶膠的專利多是涉及在納米氧化鋁溶膠的制備技術(shù)。氧化鋁溶膠的制備方法中，通常以有機醇鹽或者無機鹽主為原料。如以異丙醇鋁為原料的有機鹽原料法，此種方法制備出的納米氧化鋁溶膠價格昂貴，使得溶膠凝膠法的應(yīng)用受到了一定限制；另一種方法是以無機鹽原料法，將金屬鋁溶解在鹽酸或氯化鋁中，得到無色透明的鋁溶膠?；蛘邔⑾跛徜X和檸檬酸銨按一定配比溶于水中，用濃硝酸或濃氨水調(diào)節(jié)溶液PH值，即可得到鋁溶膠。這兩種制備方法制備過程對環(huán)境危害大，成本高，并且最終制得納米氧化鋁溶膠固含量低，一般低于20wt%。中國專利CN201210120945.8公開了一種通過溶膠-凝膠法制備穩(wěn)定分散的納米氧化鋁漿料，氧化鋁溶膠的固含量最高為13wt%。中國專利CN201010274945.4公開了一種以薄水鋁石為原料，分散并調(diào)節(jié)溶液PH值至2_5制得納米氧化鋁溶膠，但納米氧化鋁的最高濃度不超過25wt%。目前，文獻和專利報道的方法中，制備的納米氧化鋁溶膠的固含量并不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在`于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種環(huán)境友好、納米氧化鋁粒徑小、粒徑分布均勻、固含量>30%【固含量=納米氧化鋁質(zhì)量/(納米氧化鋁與去離子水的總質(zhì)量)】的溶膠和凝膠的制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種納米氧化鋁溶膠的制備方法，通過以下步驟實現(xiàn):
[0006]第一步，制備納米氧化鋁懸浮液，
[0007]Al.1、按一定比例稱取納米氧化鋁顆粒和去離子水；
[0008]納米氧化鋁顆粒與去離子水的質(zhì)量比為3:7~1:1 ;氧化鋁無機納米顆粒的粒徑分布主要在5~500nm,平均粒徑為20~IOOnm,可選用價格便宜的勃姆石納米顆粒為原料，也可選用其他種類氧化鋁無機納米顆粒。
[0009]Al.2、將納米氧化鋁顆粒通過攪拌加入到去離子水中，得到納米氧化鋁混合液；
[0010]Al.3、在納米氧化鋁混合液中加入一定量的乳酸和適量助劑，攪拌均勻后得到納米氧化鋁懸浮液；
[0011]乳酸為分散劑，添加量為納米氧化鋁顆粒質(zhì)量的0.2~5 %，優(yōu)選添加量為2~
3%，添加量從0.2 %開始增加，納米氧化鋁懸浮液的粘度逐漸變小，其制備的納米氧化鋁溶膠固含量從30%逐漸增加，到添加量為2~3%時納米氧化鋁懸浮液的粘度達到波谷，制備的納米氧化鋁溶膠固含量能達到50%，之后隨著添加量的增加，納米氧化鋁懸浮液的粘度逐漸增大，其制備的納米氧化鋁溶膠固含量從50%逐漸減少；添加量為小于0.2%或大于5%時，納米氧化鋁懸浮液的粘度大，制備的納米氧化鋁溶膠固含量無法達到30%。
[0012]助劑包括流平劑、消泡劑和潤濕劑，采用為氟碳改性聚丙烯酸酯一種或幾種，其用量根據(jù)實際情況選擇，一般工程經(jīng)驗添加量為納米氧化鋁顆粒質(zhì)量的O~10%。
[0013]添加乳酸和助劑調(diào)節(jié)混合液PH值至2~5，高速攪拌2~5小時得到納米氧化鋁懸浮液。[0014]第二步，利用球磨機對第一步得到的納米氧化鋁懸浮液進行粉碎分散，得到納米氧化鋁溶膠。
[0015]采用高能球磨機，將納米氧化鋁懸浮液進一步粉碎分散，減小納米氧化鋁粒徑得到一種均勻分散高固含量的納米氧化鋁溶膠。其中球磨機的球料比一般選擇1:1~3:1，也可根據(jù)實際情況選擇合適的球料比；相同制備條件下，磨球的粒徑越小，其球磨后納米氧化鋁的粒徑越小，工程實際中磨球的粒徑選擇為0.5~5mm，也可根據(jù)需要選擇合適粒徑的磨球；球磨時轉(zhuǎn)速一般選擇100~450rmp，也可以根據(jù)實際情況減速或增速；球磨粉碎時間越長，球磨后納米氧化鋁的粒徑越小，固含量越高其相應(yīng)球磨粉碎時間也越長，工程實際中球磨粉碎時間一般選擇5~80小時，根據(jù)實際情況延長或縮短。
[0016]一種納米氧化鋁凝膠的制備方法，通過以下步驟實現(xiàn):
[0017]第一步，制備納米氧化鋁懸浮液，
[0018]Al.1、按一定比例稱取納米氧化鋁顆粒和去離子水；
[0019]Al.2、將納米氧化鋁顆粒通過攪拌加入到去離子水中，得到納米氧化鋁混合液；
[0020]Al.3、在納米氧化鋁混合液中加入一定量的乳酸和適量助劑，攪拌均勻后得到納米氧化鋁懸浮液；
[0021]第二步，利用球磨機對第一步得到的納米氧化鋁懸浮液進行粉碎分散，得到納米氧化鋁溶膠；
[0022]第三步，凝膠，
[0023]將第二步得到的納米氧化鋁溶膠，在攪拌下加入一定量的六亞甲基四胺水溶液，在一定溫度下凝膠一定時間，得到納米氧化鋁凝膠。
[0024](I)在高速攪拌(500~1000rpm)下,在加入濃度為20~50wt%的六亞甲基四胺水溶液，六亞甲基四胺用量為每100ml納米氧化鋁溶膠添加0.4~1.4g的六亞甲基四胺。
[0025]六亞甲基四胺配制成20~50wt%的水溶液，是為了工藝性考慮，其濃度變化對凝膠沒有太大影響，濃度不能太高，否則會造成瞬間凝固，影響凝膠質(zhì)量；凝膠速度和強度與六亞甲基四胺質(zhì)量相關(guān)，每100ml納米氧化鋁溶膠添加0.4~1.4g的六亞甲基四胺，六亞甲基四胺用量越多，其凝膠速度和強度越好。六亞甲基四胺添加量與納米氧化鋁溶膠的固含量相關(guān)，若要取得相同的凝膠強度(凝膠時間和溫度相同條件下)，納米氧化鋁溶膠的固含量越小，相應(yīng)六亞甲基四胺添加量越多；每100ml納米氧化鋁溶膠添加超出0.4~1.4g的范圍，若六亞甲基四胺添加量太少，低于0.4g，凝膠速度緩慢，若六亞甲基四胺添加量太多，高于1.4g，納米氧化鋁溶膠瞬間凝固，凝膠強度不高。
[0026](2)將納米氧化鋁溶膠密封并放入烘箱，在80~90°C下加熱48~96小時進行凝膠化，得到納米氧化鋁凝膠。
[0027]凝膠溫度選擇越高，在相同條件下，其凝膠程度就越高，凝膠時間越長，在相同條件下，其凝膠程度就越高；凝膠溫度和時間在工程中可以根據(jù)實際情況選擇。
[0028]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果:
[0029](I)本發(fā)明采用乳酸作為分散劑，利用乳酸特有結(jié)構(gòu)(含有羥基和羧基)，有效減少了納米氧化鋁的團聚，提高了納米氧化鋁在水中的溶解度；
[0030](2)本發(fā)明制備得到納米氧化鋁溶膠固含量高，能達到30%，最高到50%，且分散均勻、穩(wěn)定性良好、能在水中長期穩(wěn)定存在；
[0031](3)本發(fā)明工藝簡單、環(huán)保、環(huán)境友好，得到的納米氧化鋁溶膠粒徑小、純度高、粒徑分布均勻,適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；
[0032](4)本發(fā)明通過添加六亞甲基四胺水溶液，使具有高固含量的納米氧化鋁溶膠順利凝膠，制備得到具有高固含量的納米氧化鋁凝膠。
[0033]說明書附圖
[0034]圖1為本發(fā)明工藝流程圖；
[0035]圖2為納米氧化鋁懸浮液的SEM照片；
[0036]圖3為納米氧化鋁溶膠的SEM照片；
[0037]圖4為球磨處理 前后，納米氧化鋁的粒徑對比圖；
[0038]圖5為不同球磨時間后，固含量40wt%的溶膠中納米氧化鋁粒徑變化趨勢圖?！揪唧w實施方式】
[0039]以下結(jié)合附圖1和具體實例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0040]實施例1
[0041]制備工藝如圖1所示，
[0042](I)制備納米氧化鋁懸浮液
[0043]將3.5kg氧化鋁納米顆粒通過高速攪拌引入到6.5kg去離子水中，得到納米氧化鋁混合液，在納米氧化鋁混合液中加入氧化鋁納米顆粒質(zhì)量0.2 %的乳酸分散劑和適量助劑，攪拌5小時制得顆粒含量為35%的納米氧化鋁懸浮液。
[0044](2)粉碎分散，得到納米氧化鋁溶膠
[0045]將固含量為35%的納米氧化鋁懸浮液，按球料比為1:1加入3.5kg的瑪瑙球，磨球的粒徑為5mm,通過行星球磨進一步粉碎分散,在轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分條件下球磨24小時制得固含量為35%的納米氧化鋁溶膠。
[0046]采用掃描電子顯微鏡S-4800 (Hitachi C0., Japan)表征氧化招納米顆粒的形貌，如圖2、3所示,采用Malvern激光粒度儀(Zetasizer Nano ZS)表征納米氧化招懸浮液的粒度分布，如表一和圖4所不。
[0047]實施例2~8
[0048]納米氧化鋁混合液中分別加入氧化鋁納米顆粒質(zhì)量0.5%、0.7%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%和5.0的乳酸分散劑和適量助劑，其余同實施例1。
[0049]通過Malvern激光粒度儀Zetasizer Nano ZS測得納米氧化招分散液的粒徑結(jié)果，其測試結(jié)果見表一和圖4。[0050]表一
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種納米氧化鋁溶膠的制備方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn): 第一步，制備納米氧化鋁懸浮液， Al.1、按一定比例稱取納米氧化鋁顆粒和去離子水； Al.2、將納米氧化鋁顆粒通過攪拌加入到去離子水中，得到納米氧化鋁混合液； Al.3、在納米氧化鋁混合液中加入一定量的乳酸和適量助劑，攪拌均勻后得到納米氧化鋁懸浮液； 第二步，利用球磨機對第一步得到的納米氧化鋁懸浮液進行粉碎分散，得到納米氧化鋁溶膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米氧化鋁溶膠的制備方法，其特征在于:所述步驟Al.1中納米氧化鋁顆粒與去離子水的質(zhì)量比為3:7~1:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米氧化鋁溶膠的制備方法，其特征在于:所述步驟Al.2中乳酸添加量為納米氧化鋁顆粒質(zhì)量的0.2~5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種納米氧化鋁溶膠的制備方法，其特征在于:所述步驟Al.2中乳酸添加量為納米氧化鋁顆粒質(zhì)量的2~3%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米氧化鋁溶膠的制備方法，其特征在于:所述步驟Al.2中助劑為流平劑、消泡劑和潤濕劑。
6.一種納米氧化鋁凝膠的制備方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn): 第一步，制備納米氧化鋁懸浮液`，` Al.1、按一定比例稱取納米氧化鋁顆粒和去離子水； Al.2、將納米氧化鋁顆粒通過攪拌加入到去離子水中，得到納米氧化鋁混合液； Al.3、在納米氧化鋁混合液中加入一定量的乳酸和適量助劑，攪拌均勻后得到納米氧化鋁懸浮液； 第二步，利用球磨機對第一步得到的納米氧化鋁懸浮液進行粉碎分散，得到納米氧化鋁溶膠； 第三步,凝膠， 將第二步得到的納米氧化鋁溶膠，在攪拌下加入一定量的六亞甲基四胺水溶液，在一定溫度下凝膠一定時間，得到納米氧化鋁凝膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種納米氧化鋁凝膠的制備方法，其特征在于:所述第三步六亞甲基四胺水溶液中六亞甲基四胺用量為每100ml納米氧化鋁溶膠添加0.4~1.4g的六亞甲基四胺。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種納米氧化鋁凝膠的制備方法，其特征在于:所述步驟Al.1中納米氧化鋁顆粒與去離子水的質(zhì)量比為3:7~1:1。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種納米氧化鋁凝膠的制備方法，其特征在于:所述步驟Al.2中乳酸添加量為納米氧化鋁顆粒質(zhì)量的0.2~5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種納米氧化鋁凝膠的制備方法，其特征在于:所述步驟Al.2中乳酸添加量為納米氧化鋁顆粒質(zhì)量的2~3%。
【文檔編號】C01F7/02GK103496724SQ201310386089
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】張輝, 楊小波, 呂毅, 余悠然, 張?zhí)煜? 趙英民, 裴雨辰, 武建強 申請人:航天特種材料及工藝技術(shù)研究所