由铝尖晶石构成的纳米粒子的制备方法 |
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| 申请号 | CN200780026387.6 | 申请日 | 2007-07-07 | 公开(公告)号 | CN101489934B | 公开(公告)日 | 2014-07-16 |
| 申请人 | 科莱恩金融(BVI)有限公司; | 发明人 | N·勒施; | ||||
| 摘要 | 本 发明 要求保护制备由 铝 尖晶石 构成的 纳米粒子 的方法。该方法在于向 水 合氯化铝的水溶液中掺混金属的盐，所述金属的 氧 化物可与氧化铝形成尖晶石晶格，随后干燥，在少于30分钟的时间内 煅烧 ，并 粉碎 这样获得的附聚物。 | ||||||
| 权利要求 | 1.制备由铝尖晶石构成的纳米粒子的方法，其特征在于，向水合氯化铝的水溶液中掺混金属的盐，所述金属的氧化物可与氧化铝形成尖晶石晶格，随后干燥，在少于30分钟的时间内煅烧，并粉碎这样获得的附聚物，其中作为水合氯化铝使用具有化学式A12(OH)xC1y的化合物，其中x为2.5-5.5的数且y为3.5-0.5的数，其中x+y的总和始终为6。 |
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| 说明书全文 | 由铝尖晶石构成的纳米粒子的制备方法技术领域[0001] 本发明涉及由铝尖晶石构成的纳米粒子的制备及其应用。 背景技术[0002] 铝尖晶石作为矿物天然存在，其中以纳米结晶形式的所述铝尖晶石的制备以及对于许多应用领域的使用已经有所记载。属于最熟悉的代表的是锌尖晶石ZnAl2O4，已知为Gahnit(锌尖晶石)，和镁尖晶石MgAl2O4。铝尖晶石用作陶瓷的原料(S.K.Sampath，J.F.Cordano，JAm.Ceram.Soc.81，649(1998))，用作氧化反应催化剂(T.Ohgushi，S.Umeno，Bull.Chem.Soc.Jpn.60(1987)4457)，并用作颜料(E.DeBie，P.Doyen，Cobalt 15(1962)3)。此外，锌尖晶石具有带隙并因此显示令人关注的光学性能，其使所述材料符合电致发光应用的要求(Hiroaki Matsui，Chao-Nan Xu，Yun Liu，Hiroshi Tateyama，Physical Review B 69，235109(2004)，如在LED和显示器中所要求的。 [0003] 在所述文献中已经描述了纳米粒状锌尖晶石的制备(J.ofSol-Gel Science and iTechnology，35，第221-224页，2005)。为了所述制备而使用特殊的铝醇化物Al(OOPr)3和* Zn(NO3)26H2O作为前体并在450℃-900℃的温度下煅烧。在“J.of Alloys andCompounds， 394(2005)，255-258”中从添加了脲的硝酸铝和硝酸锌出发并在350-450℃的温度下煅烧所述混合物。铜、锰和锌的铝酸盐的其它合成途径描述于“J.of Alloys and Compounds， 315(2001)，123-128”中。以该途径从金属乙酸盐、硝酸铝和燃料如六甲基四胺、脲、碳酰肼和甘氨酸出发。将所述混合物在500℃下在马弗炉中转化。 [0004] 根据已知现有技术的方法的缺点在于，使用昂贵的起始化合物， 或单位时间内的产率由于处理过程而是低的。因此，已知的方法不适于以工业规模经济地制备铝尖晶石。 发明内容 [0005] 因此，本发明的目的在于，提供制备纳米结晶的铝尖晶石的方法，其在短时间内在最小的能量输入的情况下提供高产率。在此产生的产物应可以简单的方式再分散并以此提供稳定的纳米悬浮液。该目的通过下文所述的方法得以实现，其特别的特征在于，在此低于30分钟的锻烧是足够的。 [0006] 本发明的主题是制备由铝尖晶石构成的纳米粒子的方法，其中向水合氯化铝的水溶液中掺混金属的盐，所述金属的氧化物可与氧化铝形成尖晶石晶格，然后干燥，在少于30分钟的时间内煅烧，并粉碎这样获得的附聚物。 [0007] 本发明方法的起点是水合氯化铝，其相应于式Al2(OH)xCly，其中x为2.5至5.5的数且y为3.5-0.5的数且x和y的总和始终为6。在此优选从50％的水合氯化铝水溶液出发，如商业上可获得的那样。 [0008] 向所述溶液中添加金属的盐，所述金属可与氧化铝形成尖晶石晶格。作为这类金属盐可考虑所有二价的金属盐，如例如二价的钴盐、锌盐、锰盐、铜盐、铁盐、镁盐、镉盐、镍盐。尖晶石具有总式Mal2O4，其中M为二价的金属。由该总式自动得出根据本发明必须添加到水合氯化铝溶液中的金属盐的量。因为尖晶石晶格还可能含有缺陷，所以在金属M的量或者金属盐的量方面，基于Al2O3基质计也可能偏离化学计量计算出的值。一般，金属盐的量为30至80，优选50mol％，基于Al2O3基质计。 [0009] 优选还向所述溶液中掺混晶核，其促进尖晶石晶格的形成。尤其是这样的晶核引起在随后的热处理时形成尖晶石晶格的温度的下降。作为晶核考虑极细分散的尖晶石，例如锌尖晶石，其具有小于0.1μm的平均粒度。一般2至3重量％的晶核是足够的，基于产生的尖晶石计。 [0010] 然后蒸发这些由水合氯化铝和金属盐以及任选的晶核组成的悬浮液直至干燥，例如通过喷雾干燥、冷冻干燥、造粒或通过滚筒干燥机，并进行热处理(煅烧)。所述煅烧在对此适合的设备中进行，例如在隧道窑( )、箱式炉、管式炉或微波炉中或在流化床反应器中。特别合适的是转筒炉，其使在短停留时间内的高通过量成为可能。 根据本发明方法的变化方案，还可如此进行，即将由水合氯化铝和金属盐形成的水悬浮液在未事先去除水的情况下直接喷射入煅烧设备中。 [0011] 煅烧温度应不超过1100℃。温度下限取决于所期望的铝尖晶石产率和所期望的残余氯含量。尖晶石形成视尖晶石类型而定从约400℃起就已经开始，但是为了保持低的氯含量和高的尖晶石产率，应用更高一些的温度。对于锌尖晶石，优选的温度例如为约850℃。 [0012] 煅烧时间一般为少于30分钟并可视尖晶石类型而定仅为数分钟。 [0013] 在煅烧时产生接近球状的初微晶形式的铝尖晶石的附聚物，其中术语“纳米”是指一般1至100nm的粒度。在随后的步骤中可将所述附聚物解附聚，其中所有在陶瓷中已知的解附聚方法均可使用，如例如研磨或输入超声能，因为在本发明的情况下涉及可相对容易破坏的软的附聚物。所述解附聚过程优选在20至100℃，特别优选在20至90℃的温度下进行。优选湿法研磨或干法研磨用于所述解附聚过程，其中湿法研磨优选在磨碎球磨机(Attritorkugelmühle)或搅拌式球磨机中进行，而干法研磨在空气射流式磨机中进行。因为在研磨时作为产物所力求实现的纳米粒子是极其活性的，所以优选在研磨前或在研磨期间加入添加剂，其防止纳米微粒重新附聚。因此特别有利的是，随后的解附聚过程以湿法研磨的形式进行。适于湿法研磨的是振动磨、磨碎磨机、球磨机、搅拌式球磨机或类似的设备。在此，搅拌式球磨机的使用已表明特别有利。研磨持续时间取决于附聚物的强度和所期望的细度，并在本发明的方法中通常为2-6小时。湿法研磨过程或解附聚过程有利地在含水介质中进行，但是还可使用醇类溶剂或其它有机溶剂。例如在水中六小时的研磨后获得具有约30nm的d90-值的纳 米结晶的铝尖晶石的水悬浮液。在所述湿法研磨过程后所获得的悬浮液可通过喷雾干燥、流化床干燥、造粒或冷冻干燥转化成特定的粉末。 [0014] 另一个可能性在于，改性所述纳米尖晶石的表面并以此获得对有机溶剂和涂料组合物的适应性。 [0015] 对于本发明的用涂层剂(如例如硅烷或硅氧烷)改性该纳米粒子表面的过程存在两种可能方案。根据第一种优选的变化方案，可在涂层剂的存在下进行所述解附聚过程，例如以在研磨期间将所述涂层剂加入到磨机中的方式。第二种可能方案在于，首先破坏纳米粒子的附聚物，并随后将纳米粒子(优选以在溶剂中的悬浮液的形式)用所述涂层剂处理。 [0016] 作为用于解附聚过程的溶剂，如已经在上文提到的，不仅考虑水而且考虑常用溶剂，优选也在涂料工业中采用的那些，如例如C1-C4-醇，尤其是甲醇、乙醇或异丙醇、丙酮、四氢呋喃、乙酸丁酯。如果所述解附聚过程在水中进行，则应添加无机酸或有机酸，例如HCl、HNO3、甲酸或乙酸，以便使在水悬浮液中产生的纳米粒子稳定化。酸的量可为0.1至5重量％，基于混合氧化物计。然后，从该经酸性改性的纳米粒子的水悬浮液中优选通过离心分离而分离出具有小于20nm粒径的颗粒级分。随后在升高的温度下，例如在约100℃下添加所述涂层剂，优选硅烷或硅氧烷。经如此处理的纳米粒子沉淀出来，并将所述纳米粒子分离出来并干燥成粉末，例如通过冷冻干燥。 [0017] 在此，作为合适的涂层剂优选考虑硅烷或硅氧烷或其混合物。 [0018] 此外，可在所述混合氧化物表面上物理地结合(吸附)或通过形成化学键而在所述混合氧化物表面上结合的所有材料均适合作为涂层剂。因为混合氧化物粒子的表面是亲水的并有游离的羟基可供使用，所以作为涂层剂考虑醇、具有氨基-、羟基-、羰基-、羧基-或巯基-官能团的化合物，硅烷或硅氧烷。这样的涂层剂的实例是聚乙烯醇，单-、二-和三-羧酸，氨基酸、胺、蜡、表面活性剂、羟基羧酸、有机硅烷和有机硅氧烷。 [0019] 作为硅烷或者硅氧烷考虑下式的化合物： [0020] a)R[-Si(R′R″)-O-]nSi(R′R″)-R″′或 [0021] 环-[-Si(R′R″)-O-]rSi(R′R″)-O- [0022] 其中 [0023] R、R′、R″、R″′-彼此相同或不同地代表具有1-18个碳原子的烷基或具有6-18个碳原子的苯基或烷基苯基或苯基烷基或通式-(CmH2m-O)p-CqH2q+1的基团或通式-CsH2sY的基团或通式-XZt-1的基团， [0024] n 为含义为1≤n≤1000，优选1≤n≤100的整数， [0025] m 为0≤m≤12的整数且 [0026] p 为0≤p≤60的整数且 [0027] q 为0≤q≤40的整数且 [0028] r 为2≤r≤10的整数且 [0029] s 为0≤s≤18的整数且 [0030] Y 为活性基团，例如α，β-烯属不饱和基团，如(甲基)丙烯酰基-、乙烯基或烯丙基基团，氨基-、酰氨基-、脲基-、羟基-、环氧基-、异氰酸基-、巯基-、磺酰基-、膦酰基-、三烷氧基甲硅烷基-、烷基二烷氧基甲硅烷基-、二烷基单烷氧基甲硅烷基-、酸酐-和/或羧基基团，酰亚氨基-、亚氨基-、亚硫酸根-、硫酸根-、磺酸根-、膦-、亚磷酸酯-、磷酸酯-、膦酸酯-基团且 [0031] X 为t-官能的低聚物，其中 [0032] t 为2≤t≤8的整数且 [0033] Z 为基团R[-Si(R′R″)-O-]nSi(R′R″)-R″′或 [0034] 环-[-Si(R′R″)-O-]rSi(R′R″)-O-，如上文限定的那样。 [0035] t-官能的低聚物X在此优选为： [0036] 低聚醚、低聚酯、低聚酰胺、低聚氨酯、低聚脲、低聚烯烃、低聚卤乙烯、低聚偏二卤乙烯、低聚亚胺、低聚乙烯醇、酯、低聚乙烯醇的缩醛或醚、马来酸酐的共低聚物、(甲基)丙烯酸的低聚物、(甲基)丙烯酸酯的低聚物、(甲基)丙烯酰胺低聚物、(甲基)丙烯酰 亚胺的低聚物、(甲基)丙烯腈的低聚物，特别优选低聚醚、低聚酯或低聚氨酯。 [0037] 低聚醚残基的实例为-(CaH2a-O)b-CaH2a-或者O-(CaH2a-O)b-CaH2a-O型化合物，其中2≤a≤12且1≤b≤60，例如二乙二醇-、三乙二醇-或四乙二醇-残基，二丙二醇-、三丙二醇-、四丙二醇-残基，二丁二醇-、三丁二醇-或四丁二醇-残基。低聚酯残基的实例为-CbH2b-(C(CO)CaH2a-(CO)O-CbH2b-)c-或者-O-CbH2b-(C(CO)CaH2a-(CO)O-CbH2b-)c-O-型化合物，其中a和b不同或相同，3≤a≤12，3≤b≤12且1≤c≤30，例如由己二醇和己二酸形成的低聚酯。 [0038] b)(RO)3Si(CH2)m-R′型有机硅烷 [0039] R＝烷基，如甲基-、乙基-、丙基- [0040] m＝0.1-20 [0041] R′＝甲基、苯基、 [0042] -C4F9；OCF2-CHF-CF3、-C6F13、-O-CF2-CHF2 [0043] -NH2、-N3、SCN、-CH＝CH2、-NH-CH2-CH2-NH2、 [0044] -N-(CH2-CH2-NH2)2 [0045] -OOC(CH3)C＝CH2 [0046] -OCH2-CH(O)CH2 [0047] -NH-CO-N-CO-(CH2)5 [0048] -NH-COO-CH3，-NH-COO-CH2-CH3，-NH-(CH2)3Si(OR)3 [0049] -Sx-(CH2)3)Si(OR)3 [0050] -SH [0051] -NR′R″R″′(R′＝烷基、苯基；R″＝烷基、苯基；R″′＝H、烷基、苯基、苄基， [0052] C2H4NR″″，其中R″″＝A、烷基；R″″′＝H、烷基)。 [0053] 上文限定类型的硅烷的实例为例如六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷，其它SinOn-1(CH3)2n+2系列的同系和同分异构的化合物，其中n 为2≤n≤1000的整数，例如聚二甲基硅氧烷 流体(20cSt)。 [0054] 六甲基-环-三硅氧烷、八甲基-环-四硅氧烷、其它(Si-O)r(CH3)2r系列的同系和同分异构的化合物，其中 [0055] r为3≤r≤12的整数， [0056] 二羟基四甲基二硅氧烷、二羟基六甲基三硅氧烷、二羟基八甲基四硅氧烷， 其 它 HO-[(Si-O)n(CH3)2n]-Si(CH3)2-OH 或 HO-[(Si-O)n(CH3)2n]-[Si-O)m(C6H5)2m]-Si(CH3)2-OH系列的同系和同分异构的化合物，其中m为2≤m≤1000的整数， [0057] 优选为α，ω-二羟基聚硅氧烷，例如聚二甲基硅氧烷(OH-端基，90-150cST)或聚二甲基硅氧烷-共-二苯基硅氧烷，(二羟基-端基，60cST)。 [0058] 二 氢 六 甲 基 三 硅 氧 烷、二 氢 八 甲 基 四 硅 氧 烷、其 它 H-[(Si-O)n(CH3)2n]-Si(CH3)2-H系列的同系和同分异构的化合物，其中 [0059] n为2≤n≤1000的整数，优选为α，ω-二氢聚硅氧烷，例如聚二甲基硅氧烷(氢化物-端基，Mn＝580)。 [0060] 二(羟丙基)六甲基三硅氧烷、二羟丙基)八甲基四硅氧烷、其它HO-(CH2)u[(Si-O)n(CH3)2(CH2)u-OH系列的同系和同分异构的化合物，优选为α，ω-二甲醇聚硅氧烷，其中3≤u≤18，3≤n≤1000或其经聚醚-改性的基于氧化乙烯(EO)和氧化丙烯(PO)的以均聚物或共聚物HO-(EO/PO)v-(CH2)u[(Si-O)t(CH3)2t]-Si(CH3)2(CH2)u-(EO/PO)v-OH形式的衍生化合物，优选为α，ω-二(甲醇聚醚)-聚硅氧烷，其中3≤n≤1000，3≤u≤18，1≤v≤50。 [0061] 代替α，ω-OH-基团同样可使用相应的具有环氧基、异氰酸基、乙烯基、烯丙基和二(甲基)丙烯酰基的双官能化合物，例如具有乙烯基端基的聚二甲基硅氧烷(850-1150cST)或Tego Chemie Service公司的TEGORAD 2500。 [0062] 还考虑乙氧基化/丙氧基化的三硅氧烷和更高级硅氧烷与丙烯酸共聚物和/或马来酸共聚物的酯化产物作为改性化合物，例如BykChemie公司的BYK Silclean 3700或Tego Chemie Service GmbH公 司的 Protect 5001。 [0063] 代替α，ω-OH-基团同样可使用具有-NHR″″的相应的双官能的化合物，其中R″″＝H或烷基，例如一般性已知的Wacker Dow Corning，Bayer，Rhodia等公司的氨基硅油，其带有统计地在聚硅氧烷链上分布的(环)-烷基氨基或在其聚合物链上带有(环)-烷基亚氨基。 [0064] c)(RO)3Si(CnH2n+1)和(RO)3Si(CnH2n+1)型有机硅烷，其中 [0065] R为烷基，如例如甲基、乙基-、正丙基-、异丙基-、丁基- [0066] n为1至20。 [0067] R′x(RO)ySi(CnH2n+1)和(RO)3Si(CnH2n+1)型有机硅烷，其中 [0068] R为烷基，如例如甲基、乙基-、正丙基-、异丙基-、丁基-， [0069] R′为烷基，如例如甲基、乙基-、正丙基-、异丙基-、丁基-， [0070] R′为环烷基 [0071] n为1-20的整数 [0072] x+y等于3 [0073] x为1或2 [0074] y为1或2 [0075] (RO)3Si(CH2)m-R′型有机硅烷，其中 [0076] R为烷基，如例如甲基、乙基-、丙基-， [0077] m为0.1-20的数 [0078] R′为甲基-、苯基、-C4F9；OCF2-CHF-CF3、-C6F13、-O-CF2-CHF2、 [0079] -NH2、 [0080] -N3， [0081] -SCN、-CH＝CH2、-NH-CH2-CH2-NH2、-N(CH2-CH2-NH2)2、 [0082] -OOC(CH3)C＝CH2、 [0083] -OCH2-CH(O)CH2、-NH-CO-N-CO-(CH2)5、-NH-COO-CH3、 [0084] -NH-COO-CH2-CH3、 [0085] -NH-(CH2)3Si(OR)3、-Sx-(CH2)3)Si(OR)3、-SH-NR′R″R″′(R′＝烷基、苯基； [0086] R″＝烷基、苯基；R″′＝H、烷基、苯基、苄基、C2H4NR″″R″″′， 其中R″″＝A、烷基且 [0087] R″″′＝H、烷基)。 [0088] 优选的硅烷为下文所列举的硅烷： [0089] 三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、 [0090] 甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-丙酯、丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-丙酯、 [0091] 甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-甲酯、丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-甲酯、 [0092] 甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-乙酯、丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-乙酯、 [0093] 甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-戊酯、丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-戊酯、 [0094] 甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-己酯、丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-己酯、 [0095] 甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-丁酯、丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-丁酯、 [0096] 甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-庚酯、丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-庚酯、 [0097] 甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-辛酯、丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)-辛酯、 [0098] 甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、十三氟-1，1，2，2-四氢辛基三乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、低聚四乙氧基硅烷( 40Degussa公司)，四-正丙氧基硅烷、3-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油氧丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、2-氨乙基 -3-氨丙基三甲氧基硅烷、三氨基官能的丙基三甲氧基硅烷( TRIAMINO Degussa公司)，N-(正丁基-3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷。 [0099] 涂层剂，在此尤其是将硅烷或硅氧烷，优选以1∶1至10∶1的铝尖晶石-纳米粒子与硅烷的摩尔比例添加。溶剂在解附聚时的用量一般为50至90重量％，基于铝尖晶石-纳米粒子和溶剂的总量计。 [0100] 所述解附聚过程通过研磨和同时用涂层剂的改性优选在20至150℃，特别优选在20至90℃的温度下进行。 [0101] 如果通过研磨进行解附聚，则随后将悬浮液与研磨珠分离。 [0102] 在解附聚后可为了使反应完全而将所述悬浮液仍加热最多30小时。最后蒸馏出溶剂并干燥残留的剩余物。还可能有利的是将经改性的铝尖晶石-纳米粒子保留在溶剂中并将该分散体用于其它应用。 [0103] 还可以使铝尖晶石-纳米粒子悬浮于相应的溶剂中并在解附聚之后在另外的步 |
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