專利名稱：直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備納米ZnO粉體材料的新方法，具體涉及溶液中直接沉淀，快速合成多孔納米ZnO粉體材料的方法。
背景技術：
現(xiàn)今時代，納米材料已經(jīng)被廣泛的應用.納米粉體材料相較常規(guī)顆粒材料的優(yōu)異物理化學性質(zhì)已經(jīng)越來越多的被人們所認識和認可。ZnO材料的應用領域很廣泛，如催化、氣敏傳感器、電子器件、橡膠添加劑等。隨著納米時代的興起，人們的目光也被引向了對ZnO材料的納米化和多功能化上來。納米ZnO作為一種新型功能材料，在磁、光、電、敏感、抗菌消毒、紫外線屏蔽等方面具有優(yōu)于普通ZnO產(chǎn)品的特殊性能和用途。如1、具有高效的殺菌和紫外屏蔽功能，可作為抗菌除臭、消毒、抗紫外線產(chǎn)品。2、用于催化劑和光催化劑，具有更高的活性。3、作為氣體傳感器及壓電材料，具有高的靈敏性。4、用于熒光體和電容器，具有更好的光學和電學性能。5、用于隱身技術。6、用于橡膠工業(yè)和涂料工業(yè)，具有更好的力學性能和分散性。
制備納米ZnO的方法很多，如化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法、超臨界法、水熱法等。其中液相法由于制操作簡便，粒度可控等特點，而備受人們重視。直接沉淀法操作簡便易行，對設備、技術要求不高，不易引入雜質(zhì)，產(chǎn)品純度高，有良好的化學計量性，成本較低。原有的專利中(一種制備納米ZnO的生產(chǎn)方法及其裝置，00113078.1，中華人民共和國知識產(chǎn)權局，2000年06月27日；納米ZnO材料的制備方法，02109078.5，中華人民共和國知識產(chǎn)權局，2002年01月22日；一種納米ZnO的制備方法，02135112.0，中華人民共和國知識產(chǎn)權局，2002年06月13日；一種經(jīng)改進的沉淀法制備納米ZnO粉體的方法，03128992.4，中華人民共和國知識產(chǎn)權局，2003年05月30日；氨浸法生產(chǎn)低堆積密度納米ZnO的方法，03131516.X，中華人民共和國知識產(chǎn)權局，2003年05月19日；納米ZnO的制造方法，200410015790.7，中華人民共和國知識產(chǎn)權局，2004年01月13日；單分散無團聚及強紫外吸收的納米ZnO的制備方法，200410017850.9，中華人民共和國知識產(chǎn)權局，2004年04月22日；制備單分散納米ZnO顆粒的方法，200510049580.4，中華人民共和國知識產(chǎn)權局，2005年04月06日)，有的需要通過煅燒來實現(xiàn)從前驅(qū)體到ZnO轉(zhuǎn)變，有的需要使用有機物來控制粒徑。工藝復雜，反應周期長，能耗大，成本高，對環(huán)境有污染。
在本發(fā)明的方法中，突破了技術難關，不形成中間體，不采用任何粒度控制劑，直接沉淀得到粒度可控的多孔納米粉體材料。本方法制備條件溫和，操作簡單，反應條件易控，可連續(xù)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在水溶液中通過快速沉淀過程直接從鋅鹽合成多孔納米ZnO的方法。該方法不需要煅燒，工藝簡單，生產(chǎn)成本低，能耗少，效率高，可連續(xù)生產(chǎn)。生產(chǎn)的ZnO粒徑可控。
本發(fā)明采用的技術方案是將濃度0.02～3mol/L堿溶液和濃度0.02～3mol/L鋅鹽溶液預先加熱到60～95℃，按照鋅鹽與堿的物質(zhì)量比為1∶2～4，攪拌下注入溫度為60～95℃反應釜，反應停留2min～240min，從反應釜出口流出，經(jīng)脫水、水洗、干燥處理，得到多孔納米ZnO粉體材料。產(chǎn)品為分散性良好的白色粉末，其粒徑是10～200nm，帶有1～4nm的微孔。
本發(fā)明所述堿溶液可以是LiOH溶液、NaOH溶液、KOH溶液中的一種。所述堿溶液濃度為0.02～3mol/L，優(yōu)選的范圍為0.05～0.15mol/L。
本發(fā)明所述鋅鹽溶液可以是ZnSO4、Zn(NO3)2、ZnCl2、醋酸鋅中的一種。所述鋅鹽溶液濃度為0.02～3mol/L，優(yōu)選的范圍為0.05～0.15mol/L。
本發(fā)明所述兩種溶液的預熱溫度為60～95℃，優(yōu)選溫度為80～95℃。所述兩種原料物質(zhì)量比為1∶2～4。優(yōu)選的范圍為1∶2.01～1∶2.2。
本發(fā)明所述反應釜溫度為60～95℃，優(yōu)選溫度為80～95℃?；旌先芤涸诜磻獌?nèi)停留時間為2min～240min，優(yōu)選的時間范圍為5min～15min。
本發(fā)明所述的合成過程可以采用間歇式反應操作也可以采用連續(xù)式反應操作。間歇式操作適合于小規(guī)模間歇生產(chǎn)，連續(xù)式操作可適用于大規(guī)模的連續(xù)化生產(chǎn)。
在本發(fā)明中，將原料預熱到一定溫度后反應，提高了初始反應溫度，使成核和轉(zhuǎn)化過程速度大大加快，溶液中快速出現(xiàn)大量晶核，反應物濃度快速下降，顆粒的生長成功的被抑制。通過控制原料物質(zhì)量比來控制pH值，以此控制沉淀物的性質(zhì)，通過控制原料溶液濃度控制產(chǎn)物粒徑，最終得到了多孔納米ZnO。這個反應可以在很短的時間內(nèi)完成，非常適用于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)的周期提高設備利用率，節(jié)約成本。得到的ZnO粒度可控，具有多孔的性質(zhì)，可應用于化妝品、氣敏器件、太陽能電池、改性橡膠、防菌涂料、功能陶瓷等多種產(chǎn)品種。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點1.溶液法直接生產(chǎn)ZnO。用一步法從水溶液中直接制備納米級多孔ZnO，不需要經(jīng)過中間過程或再處理過程。
2.ZnO粒度可控。通過改變反應原料濃度，反映溫度，可以獲得10～200nm不同粒度的氧化鋅產(chǎn)品，滿足不同的應用要求。
3.方法簡單，反應快速。以往的方法多是先得到ZnO前驅(qū)體，然后煅燒，中間過程繁瑣。而本發(fā)明是直接將原料在反應溫度下混合，在比較短的時間內(nèi)完成反應，離心分離，水洗，干燥，得到產(chǎn)品。反應時間步驟少，反應時間短。
4.可應用于連續(xù)生產(chǎn)。以往方法大多只適用于一次進料，間歇生產(chǎn)的生產(chǎn)方式。而本發(fā)明中的方法可適用于持續(xù)進料，連續(xù)生產(chǎn)的生產(chǎn)方式。生產(chǎn)不間斷，縮短生產(chǎn)周期。
5.設備利用率高。本發(fā)明方法可用于連續(xù)生產(chǎn)，縮短了反應周期，提高了設備的利用率。
6.成本低。使用本發(fā)明方法生產(chǎn)多孔納米ZnO，不經(jīng)中間煅燒過程，不需后處理，可降低能耗，避免了高溫生產(chǎn)的危險；反應過程簡單，減少勞動力消耗；反應快速，縮短生產(chǎn)時間；可連續(xù)生產(chǎn)提高設備利用率。從多方面降低生產(chǎn)成本。
7.整個反應在水體系中完成，不會對人體健康和環(huán)境造成不良影響，具有重要的社會意義和廣闊的應用前景。


圖1多孔納米ZnO透射電鏡圖(實施例8)；圖2連續(xù)生產(chǎn)裝置示意圖具體實施方式
實施例1將0.02mol/L LiOH溶液和0.02mol/L ZnSO4溶液預先加熱到60℃，按照鋅鹽與堿的物質(zhì)量比為1∶2，攪拌下同時注入溫度為60℃反應釜中，反應停留2min，從反應釜出口流出，經(jīng)脫水、水洗、干燥處理。得到多孔納米ZnO粉體材料。產(chǎn)品為分散性良好的白色粉末，其平均粒徑是186nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例2
將0.02mol/L NaOH溶液和0.02mol/L ZnSO4溶液預先加熱到60℃。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是158nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例3將0.02mol/L KOH溶液和0.02mol/L ZnSO4溶液預先加熱到60℃。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是162nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例4將0.02mol/L NaOH溶液和0.02mol/L Zn(NO3)2溶液預先加熱到60℃。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是164nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例5將0.02mol/L NaOH溶液和0.02mol/L ZnCl2溶液預先加熱到60℃。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是168nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例6將0.02mol/L NaOH溶液和0.02mol/L醋酸鋅溶液預先加熱到60℃。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是155nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例7將3mol/L NaOH溶液和3mol/L ZnSO4溶液預先加熱到60℃。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是186nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例8將0.1mol/L NaOH溶液和0.1mol/L ZnSO4溶液預先加熱到95℃。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是33nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例9將預熱好的NaOH溶液先加入到反應釜中，再快速加入ZnSO4溶液。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是174nm，帶有平均孔徑2mm的微孔。
實施例10將預熱好的ZnSO4溶液先加入到反應釜中，再快速加入NaOH溶液。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是172nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例11將0.1mol/L NaOH溶液和0.1mol/L ZnSO4溶液預先加熱到80℃，連續(xù)注入反應釜中，按照鋅鹽與堿的溶液流速比為1∶2.01(實際的物質(zhì)量比為1∶2.01)，攪拌下注入溫度為80℃反應釜中，反應停留5min，從反應釜出口連續(xù)流出，經(jīng)脫水、水洗、干燥處理。最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是32nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例12將兩預熱的原料注入到95℃的反應釜中。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是55nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例13鋅鹽與堿的物質(zhì)量比為1∶4，其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是163nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
實施例14反應混合溶液在反應釜內(nèi)停留時間為240min。其它條件如實施例1，最終得到多孔納米ZnO，在透射電鏡下觀察，其顆粒分散性較好，平均粒徑是192nm，帶有平均孔徑2nm的微孔。
權利要求
1.直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其步驟為將濃度0.02～3mol/L堿溶液和濃度0.02～3mol/L鋅鹽溶液預先加熱到60～95℃，按照鋅鹽與堿的物質(zhì)量比為1∶2～4，攪拌下注入溫度為60～95℃反應釜，反應停留2min～240min，從反應釜出口流出，經(jīng)脫水、水洗、干燥處理，得到多孔納米ZnO粉體材料。
2.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于堿溶液是LiOH溶液或NaOH溶液、KOH溶液。
3.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于堿溶液的濃度是0.02～3mol/L。
4.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于鋅鹽溶液是ZnSO4溶液或Zn(NO3)2溶液、ZnCl2溶液、醋酸鋅溶液。
5.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于鋅鹽溶液的濃度是0.02～3mol/L。
6.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于兩種原料預熱的溫度是60～95℃。
7.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于鋅鹽與堿的物質(zhì)量比為1∶2～4。
8.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于兩種溶液注入反應釜的順序，可以為堿溶液先注入或鋅鹽溶液先注入，也可為同時注入。
9.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于合成過程可以采用間歇式反應操作，也可采用連續(xù)式反應操作。
10.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于反應釜溫度為60～95℃。
11.如權利要求1所述的直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法，其特征在于混合溶液在反應釜停留時間為2min～240min。
全文摘要
本發(fā)明涉及直接沉淀法快速合成多孔納米ZnO粉體材料的新方法。具體步驟為將濃度0.02～3mol/L堿溶液和濃度0.02～3mol/L鋅鹽溶液預先加熱到60～95℃，按照鋅鹽與堿的物質(zhì)量比為1∶2～4，攪拌下注入溫度為60～95℃反應釜，反應停留2min～240min，從反應釜出口流出，經(jīng)脫水、水洗、干燥處理，得到多孔納米ZnO粉體材料。產(chǎn)品為分散性良好的白色粉末，其粒徑是10～200nm，帶有1～4nm的微孔。本方法制備條件溫和，操作簡單，反應條件易控，可連續(xù)化生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中不需經(jīng)過高溫煅燒處理，直接在常壓低溫液相中原位制備出納米ZnO材料，具有很強的實用價值。
文檔編號B82B3/00GK101024510SQ20071005529
公開日2007年8月29日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權日2007年1月31日
發(fā)明者王子忱, 李明罡, 趙旭, 郭玉鵬, 周兵 申請人:吉林大學