本發(fā)明涉及一種納米材料的制備技術(shù)，具體涉及一種高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法。

背景技術(shù)：

鎂鋁尖晶石(MgAl₂O₄)是一類重要的混合金屬氧化物，在非金屬無機材料中占有極其重要的地位。由鎂鋁尖晶石納米顆粒制備的透明多晶陶瓷材料，不僅具有極好的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊、高硬度、高強度、良好的電絕緣性能和較小的線脹系數(shù)，而且具有藍寶石晶體、石英玻璃的光學性能，在紫外光、可見光和紅外光波段有良好的透過率。鎂鋁尖晶石陶瓷材料，可用于制造導彈頭罩、透明電子元器件的絕緣骨架、紅外波段的窗口材料、合金及金屬制品的陶瓷保護膜、耐火材料、精細陶瓷器皿、光纖及光纖傳感器材料，還可作為投影電視發(fā)光基片。獲取高純、超細、均勻、化學成分可控以及低溫燒結(jié)性的單晶鎂鋁尖晶石納米顆粒具有重要意義。

目前，人們開發(fā)了許多方法制備MgAl₂O₄納米顆粒，其中包括共沉淀法、溶膠-凝膠法、高分子網(wǎng)絡法、聚合鰲合物法以及高能球磨法，每種方法各有優(yōu)點，但也有不足的之處。

中國發(fā)明專利(公開號為CN102936022A)公開了一種高純納米級鎂鋁尖晶石的合成方法，該合成方法將納米晶級的輕燒氧化鎂與勃姆石按MgO與Al₂O₃的摩爾比1:1配料混合均勻，球磨，干燥成型，得到坯體樣片；將坯體樣片500℃預燒1h，再升溫到850-1500℃保溫2-3h，冷卻至室溫，得到高純納米級鎂鋁尖晶石。盡管該方法得到的鎂鋁尖晶石純度高，縮短了保溫時間，但是，這種方法對原料要求較高，并且預燒溫度及焙燒溫度較高，能耗較大，對設備的要求也很高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為解決上述問題而進行的，目的在于提供一種原料易得，焙燒溫度遠低于現(xiàn)有的制備方法的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供了一種高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法，具有這樣的特征，包括以下步驟：

步驟一，將鋁粉在惰性氣體的條件下研磨1～3h，得到一定粒度的鋁粉；

步驟二，將鎂粉和研磨后的鋁粉分別放入兩個裝有去離子水的燒杯中，并進行超聲水解反應1～5h，分別得到氫氧化鎂膠體溶液和氫氧化鋁膠體溶液；

步驟三，將氫氧化鎂膠體溶液和氫氧化鋁膠體溶液在預定干燥溫度下干燥4～8h后，分別得到氫氧化鎂干凝膠和氫氧化鋁干凝膠；

步驟四，將氫氧化鎂干凝膠和氫氧化鋁干凝膠研磨，分別得到氫氧化鎂粉末和氫氧化鋁粉末；

步驟五，將氫氧化鎂粉末和氫氧化鋁粉末按摩爾比為1:2混合均勻，放入裝有去離子水的燒杯中后，超聲活化3～8h，得到混合溶膠；

步驟六，將混合溶膠在預定焙燒溫度下焙燒2～6h，研磨后得到高純MgAl₂O₄納米顆粒。

在本發(fā)明提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟一中，惰性氣體為氬氣。

在本發(fā)明提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟一中，鋁粉在輥壓振動研磨機中研磨。

在本發(fā)明提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟一中，研磨后鋁粉的粒徑在0.5～0.8μm的范圍內(nèi)。

在本發(fā)明提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟二中，超聲水解反應是在超聲波清洗槽中進行，超聲波清洗槽超聲頻率為40kHz。

在本發(fā)明提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟三中，預定干燥溫度為60～120℃。

在本發(fā)明提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟六中，預定焙燒溫度為400～500℃。

發(fā)明作用與效果

本發(fā)明提供了一種高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法，該制備方法先將鋁粉研磨；然后將鎂粉與研磨后的鋁粉分別進行超聲水解反應；再將超聲水解反應后的氫氧化鎂膠體溶液與氫氧化鋁膠體溶液干燥；進一步對干燥后得到的氫氧化鎂干凝膠與氫氧化鋁干凝膠研磨；最后將研磨后的氫氧化鎂粉末與氫氧化鋁粉末按摩爾比1:2混勻，超聲活化后進行焙燒、研磨得到高純MgAl₂O₄納米顆粒。本發(fā)明的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法原料易得，制備方法簡單，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，由本發(fā)明的制備方法制得的MgAl₂O₄納米顆粒純度高，粒度分布均勻，無明顯團聚現(xiàn)象。

附圖說明

圖1a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中振動研磨后的鋁粉的透射電鏡圖；圖1b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中振動研磨后的鋁粉的高分辨率透射電鏡圖；圖1c是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中商業(yè)鋁粉與振動研磨2h后的鋁粉的X射線衍射圖；

圖2a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鎂顆粒的X射線衍射圖；圖2b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁顆粒的X射線衍射圖；

圖3a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鎂顆粒的掃描電鏡圖；圖3b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁顆粒的掃描電鏡圖；

圖4a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁與氫氧化鎂混合溶膠的X射線衍射圖；圖4b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁與氫氧化鎂混合溶膠的透射電鏡圖；

圖5是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁與氫氧化鎂混合溶膠的熱重(TG)和差熱(DSC)曲線；

圖6a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法制得的MgAl₂O₄納米顆粒的X射線衍射圖；圖6b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法制得的MgAl₂O₄納米顆粒的掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法進行進一步說明。

<實施例一>

一種高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法，包括以下步驟：

步驟一，取100g粒度為300μm商業(yè)鋁粉置于輥壓振動研磨機(電機功率0.12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm)的磨筒(容積2.5L)中，在氬氣的保護下振動研磨2h，得到粒度為0.7μm的鋁粉。

步驟二，取2g商業(yè)鎂粉和2g振動研磨后的鋁粉分別放入兩個裝有50ml去離子水的燒杯(容積100ml)中，將兩個燒杯放入超聲波清洗槽(超聲頻率為40kHz)中，進行超聲水解反應3h，在超聲空化產(chǎn)生的局部高溫、高壓環(huán)境中，分別生成氫氧化鎂顆粒與氫氧化鋁顆粒，氫氧化鎂顆粒與氫氧化鋁顆粒在溶液中形成氫氧化鎂膠體溶液和氫氧化鋁膠體溶液。

步驟三，取氫氧化鎂膠體溶液和氫氧化鋁膠體溶液在80℃的干燥溫度下干燥6h后，分別得到氫氧化鎂干凝膠和氫氧化鋁干凝膠。

步驟四，取氫氧化鎂干凝膠和氫氧化鋁干凝膠研磨，分別得到氫氧化鎂白色粉末和氫氧化鋁白色粉末。

步驟五，取1.16g氫氧化鎂白色粉末和3.12g氫氧化鋁白色粉末(摩爾比為1:2)，混合均勻后，放入裝有30ml去離子水的燒杯(容積為100ml)中，將燒杯置于超聲清洗槽中超聲活化5h，得到混合白色溶膠。

步驟六，將混合白色溶膠置于箱式電阻爐中在預定焙燒溫度為450℃的條件下焙燒4h，研磨后得到高純MgAl₂O₄納米顆粒。

圖1a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中振動研磨后的鋁粉的透射電鏡圖；圖1b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中振動研磨后的鋁粉的高分辨率透射電鏡圖；圖1c是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中商業(yè)鋁粉與振動研磨2h后的鋁粉的X射線衍射圖。

如圖1a、1b所示，研磨2h后鋁粉的顆粒尺寸分布在0.5～0.8μm范圍內(nèi)，顆粒內(nèi)部存在大量的位錯缺陷，有利于發(fā)生機械力化學反應。

如圖1c所示，商業(yè)鋁粉經(jīng)2h研磨后，晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，仍為面心立方晶格，但研磨后的鋁粉出現(xiàn)了少量的氫氧化鋁。

圖2a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鎂顆粒的X射線衍射圖；圖2b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁顆粒的X射線衍射圖。

如圖2a、2b所示，將圖2a、2b的超聲水解制備的氫氧化鎂顆粒和氫氧化鋁顆粒的X線衍射圖，分別與X射線標準衍射卡比較，氫氧化鎂顆粒和氫氧化鋁顆粒的衍射峰位置與氫氧化鎂和氫氧化鋁標準衍射卡數(shù)據(jù)完全吻合，水解產(chǎn)品為高純氫氧化鎂顆粒和氫氧化鋁顆粒，反應過程中沒有其它物質(zhì)產(chǎn)生。

圖3a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鎂顆粒的掃描電鏡圖，圖3b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁顆粒的掃描電鏡圖。

如圖3a所示，氫氧化鎂顆粒的形貌為圓片狀，直徑約為100nm，厚度在5nm左右。

如圖3b所示，氫氧化鋁顆粒為葉片狀結(jié)構(gòu)，長度分布在80-100nm范圍內(nèi)，厚度約為5nm。

圖4a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁與氫氧化鎂混合溶膠的X射線衍射圖；圖4b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁與氫氧化鎂混合溶膠的透射電鏡圖。

如圖4a所示，在混合體超聲活化5h后，樣品的化學成分已經(jīng)發(fā)生變化，與X射線標準衍射卡對照，主要元素為MgAl₂(OH)₈和MgAl₂(OH)₇⁺。

如圖4b所示，在超聲活化過程中，氫氧化鋁與氫氧化鎂混合物已形成溶膠，尺寸在50-500nm之間，粒度分布不均，形貌不規(guī)則。

圖5是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法中氫氧化鋁與氫氧化鎂混合溶膠的熱重(TG)和差熱(DSC)曲線。

如圖5所示，可以看到加熱溫度在50℃和200℃之間時，氫氧化鋁與氫氧化鎂的質(zhì)量損失約為20％，這主要是由于氫氧化鋁與氫氧化鎂表面的物理吸附水及殘留的少量水分揮發(fā)引起的。在200℃和450℃之間，質(zhì)量損失約為17％，對應的DSC曲線分別在280.3℃處有一個較大的吸熱峰，是混合溶膠脫水轉(zhuǎn)變成γ-Al₂O₃和MgO，而387.4℃的吸熱峰，則是γ-Al₂O₃與MgO開始反應生成無定形鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)尖晶石所致。當溫度升至450℃以后，化學反應趨于穩(wěn)定，質(zhì)量損失逐漸減小，晶粒開始長大。選擇450℃作為焙燒溫度，在馬弗爐中焙燒4h后得到高純MgAl₂O₄納米顆粒，由于樣品的均一化程度較高，反應溫度大大降低，反應時間縮短，其反應方程式為：MgAl₂(OH)₈+MgAl₂(OH)₇⁺+·OH＝2MgAl₂O₄+8H₂O。

圖6a是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法制得的MgAl₂O₄納米顆粒的X射線衍射圖；圖6b是本發(fā)明實施例一提供的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法制得的MgAl₂O₄納米顆粒的掃描電鏡圖。

如圖6a所示，從圖6a中可看到氫氧化鋁與氫氧化鎂混合溶膠的晶體結(jié)構(gòu)為鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)，與X射線標準衍射卡對比，衍射峰位置完全吻合。

如圖6b所示，圖6b的SEM圖像顯示顆粒的形貌是片狀的，長度在100nm左右，厚度約為5nm，粒度分布均勻，無明顯團聚現(xiàn)象，產(chǎn)品尚為無定形尖晶石結(jié)構(gòu)。

<實施例二>

一種高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法，包括以下步驟：

步驟一，取100g粒度為10μm商業(yè)鋁粉置于輥壓振動研磨機(電機功率0.12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm)的磨筒中，在氬氣的保護下振動研磨1h，得到粒度為0.8μm的鋁粉。

步驟二，取2g商業(yè)鎂粉和2g振動研磨后的鋁粉分別放入兩個裝有50ml去離子水的燒杯(容積100ml)中，將兩個燒杯放入超聲波清洗槽(超聲頻率為40kHz)中，進行超聲水解反應1h，在超聲空化產(chǎn)生的局部高溫、高壓環(huán)境中，分別生成氫氧化鎂顆粒與氫氧化鋁顆粒，氫氧化鎂顆粒與氫氧化鋁顆粒在溶液中形成氫氧化鎂膠體溶液和氫氧化鋁膠體溶液。

步驟三，取氫氧化鎂膠體溶液和氫氧化鋁膠體溶液在60℃的干燥溫度下干燥4h后，分別得到氫氧化鎂干凝膠和氫氧化鋁干凝膠。

步驟四，取氫氧化鎂干凝膠和氫氧化鋁干凝膠研磨，分別得到氫氧化鎂白色粉末和氫氧化鋁白色粉末。

步驟五，取1.16g氫氧化鎂白色粉末和3.12g氫氧化鋁白色粉末(摩爾比為1:2)，混合均勻后，放入裝有30ml去離子水的燒杯(容積為100ml)中，將燒杯置于超聲清洗槽中超聲活化3h，得到混合白色溶膠。

步驟六，將混合白色溶膠置于箱式電阻爐中在預定焙燒溫度為400℃的條件下焙燒2h，研磨后得到高純MgAl₂O₄納米顆粒。

<實施例三>

一種高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法，包括以下步驟：

步驟一，取100g粒度為100μm商業(yè)鋁粉置于輥壓振動研磨機(電機功率0.12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm)的磨筒(容積2.5L)中，在氬氣的保護下振動研磨3h，得到粒度為0.5μm的鋁粉。

步驟二，取2g商業(yè)鎂粉和2g振動研磨后的鋁粉分別放入兩個裝有50ml去離子水的燒杯(容積100ml)中，將兩個燒杯放入超聲波清洗槽(超聲頻率為40kHz)中，進行超聲水解反應5h，在超聲空化產(chǎn)生的局部高溫、高壓環(huán)境中，分別生成氫氧化鎂固體顆粒與氫氧化鋁顆粒，氫氧化鎂顆粒與氫氧化鋁顆粒在溶液中形成氫氧化鎂膠體溶液和氫氧化鋁膠體溶液。

步驟三，取氫氧化鎂膠體溶液和氫氧化鋁膠體溶液在120℃的干燥溫度下干燥8h后，分別得到氫氧化鎂干凝膠和氫氧化鋁干凝膠。

步驟四，取氫氧化鎂干凝膠和氫氧化鋁干凝膠研磨，分別得到氫氧化鎂白色粉末和氫氧化鋁白色粉末。

步驟五，取1.16g氫氧化鎂白色粉末和3.12g氫氧化鋁白色粉末(摩爾比為1:2)，混合均勻后，放入裝有30ml去離子水的燒杯(容積為100ml)中，將燒杯置于超聲清洗槽中超聲活化8h，得到混合白色溶膠。

步驟六，將混合白色溶膠置于箱式電阻爐中在預定焙燒溫度為500℃的條件下焙燒6h，研磨后得到高純MgAl₂O₄納米顆粒。

實施例作用與效果

實施例一至實施例三提供了一種高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法，該制備方法先將鋁粉在氬氣條件下振動研磨；然后將鎂粉與振動研磨后得到的鋁粉分別進行超聲水解反應；再將超聲水解反應后的氫氧化鎂膠體溶液與氫氧化鋁膠體溶液干燥；進一步對干燥后得到的氫氧化鎂干凝膠與氫氧化鋁干凝膠研磨；最后將研磨后的氫氧化鎂粉末與氫氧化鋁粉末按摩爾比1:2混勻，超聲活化后進行焙燒、研磨得到高純MgAl₂O₄納米顆粒。實施例一至實施例三的高純MgAl₂O₄納米顆粒的超聲制備方法原料易得，制備方法簡單，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，由本發(fā)明的制備方法制得的MgAl₂O₄納米顆粒純度高，粒度分布均勻，無明顯團聚現(xiàn)象。

以上實施例僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，不對本發(fā)明進行限制。而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等效變換，均屬于本發(fā)明的保護范圍。