纳米粉体制备方法

纳米粉体制备方法

纳米技术是当今世界各国争先发展的热点技术，纳米技术和材料的生产及其应用在中国已起步，可以产业化的只有为数不多的几个品种，纳米二氧化钛（ＴｉＯ2）、纳米氧化锌（ＺｎＯ）、纳米碳酸钙（ＣａＣＯ3）便是其中较具代表性的几个品种。纳米粉体的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。以下是对各种方法的分别阐述并举例。

1. 物理方法

(1)真空冷凝法

用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。1。金属烟粒子结晶法是早期研究的一种实验室方法。将金属原料置于真空室电极处，真空室抽空（真空度1P a）导入102到103 P a压力的氩气或不活泼性气体，然后像通常的真空蒸发那样，用钨丝蓝蒸发金属。在气体中，通过蒸发、凝聚产生的金属蒸气形成金属烟粒子，像煤烟粒子一样沉积于真空室内壁上。在钨丝篮上方或下方位置可以预先放置格网收集金属烟粒子样品，以备各类测试所用。2。流动油面上的真空蒸发沉积法（VEROS），VEROS法是将物质在真空中连续的蒸发到流动着的油面上，然后把含有纳米粒子的油回收到贮存器内，再经过真空蒸馏、浓缩，从而实现在短时间制备大量纳米粉体。

(2)物理粉碎法

通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。例，有一种制备纳米粉体材料新方法，最适用于碳化物、氮化物及部分金属粉体的制备。其方法是先对反应器抽真空，然后充入保护气体或反应气体，在反应器中设置石墨电极，在石墨电极与反应器坩埚中的金属之间通电，使之产生高温碳电弧，由高温电弧产生金属蒸汽。采用保护气体可以生产出由石墨原子包覆的纳米镍粉、铜粉、铝粉等不易团聚的金属纳米粉末；采用反应气体可以生产碳化物、氮化物纳米粉末。与现有技术相比，生产的纳米粉末不易团聚，具有成本低，电弧功率大，可以实现规模化生产，具有广泛的实用性。用冲击波处理共沉淀法制备的氧化铁与氧化锌混合物合成了铁酸锌，用XRD、TEM 和电子衍射法对这种产品进行了鉴定．与传统的高温焙烧法相比，这种产品的特点是其颗粒尺寸为纳米级．主要原因可能在于冲击波的作用时间极短，因此生成的铁酸锌不会生长成为完整的晶粒．由此可以认为，冲击波处理可能是一种制备复合金属氧化物的纳米粉体的新方法．

(3)机械球磨法

采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。例，一种钛合金纳米粉体制备方法，原料包括钛合金粗粉、助磨键合剂、分散剂、表面活性剂；制备方法是，将所述原料按配比投入反应釜，反应釜转速２００－３００ｍｐｒ、温度５０℃－６０℃，反应釜旋转时间１５－３０分钟；反应釜转速升高至达１０００ｍｐｒ以上，维持该转速１．５－２．５小时，温度为１８０℃以上；反应釜转速降到３００ｍｒｐ以下，在０．５－１．０小时内降低温度至４０℃－５０℃，停机，即完成纳米粉体的制备。它稳定地对钛合金实现了纳米化加工；由此为利用纳米粉体的小尺寸效应、表面积效应而使它的耐蚀优点得到提升得以实现，使之可作为一种活性添加剂与各种优良树脂结合成一种新型复合材料。

2. 化学方法

(1)气相沉积法

利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。例，TiCl4气相氧化法，其基本化学反应式为：TiCl4(g)+O2(g)=TiO2(s)+Cl2(g) 施利毅、李春忠等利用

N2

携带TiCl4蒸气，经预热到435ＯC后经套管喷嘴的内管进入高温管式反应器，Ｏ２经预热到870ＯC后经套管喷嘴的外管也进入反应器，TiCl4和O2在900ＯC到1400ＯC下反应，反应生成的纳米TiO2微粒经粒子捕集系统，实现气固分离，这种工艺目前还处于实验室小试阶段，该工艺的关键是要解决喷嘴和反应器的结构设计及TiO2粒子遇冷壁结疤的问题。

(2)沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。四氧化三钴纳米粉体的制备方法,属于化学工业技术领域。包括原料的提纯、钴盐沉淀、固液分离、固体焙烧。在加热条件下将钴片溶于的硝酸,加入高纯水调节溶液的密度和pH,最终得到密度为1.5～1.65g/cm3、pH值为4～5的硝酸钴溶液,化学沉淀剂NH4HCO3,加水制成浓度为14～30％重量百分比的碳酸氢铵悬浊液；向碳酸氢铵悬浊液中缓慢加入硝酸钴溶液,使物质的重量之比：CO32-/Co2+＝2.4～2.6,将上述碳酸钴湿料在300～450℃并保温3～6小时,得到黑色粉末。本发明制备的Co3O4纳米粉体颗粒度均匀,具有工艺操作简单。用化学沉淀热解法制备Co3O4纳米粉体的方法,主要包括原料的提纯、钴盐沉淀、固液分离、固体焙烧,其特征在于,(1)原料的提纯首先,在加热条件下将钴片溶于体积比(1～2)∶(1～2)的硝酸,溶解过程中不断加入高纯水调节溶液的密度和pH,最终得到密度为1.30～1.40g/cm3、pH值为4～5的硝酸钴溶液,静置一天,过滤除去固体沉淀物；再以适量硝酸调节溶液的pH＝1～2,小心地蒸发溶剂,得到密度为1.50g/cm3～1.65g/cm3的硝酸钴溶液,静置,冷却,析出硝酸钴晶体；将上述硝酸钴晶体溶于高纯水中,制成密度为 1.50g/cm3～1.65g/cm3的硝酸钴溶液待用；化学沉淀剂采用食品级NH4HCO3,加水制成浓度为14～30％重量百分比的碳酸氢铵悬浊液待用；(2)制取钴盐沉淀在搅拌条件下,向碳酸氢铵悬浊液中缓慢加入已经提纯的密度为1.50～1.65g/cm3的硝酸钴溶液,使物质的重量之比：CO32-/Co2+＝2.4～2.6,并调节反应后清液的pH＝6.5～7.0,加料完成后,继续搅拌2～2.5小时,静置,离心分离,分离得到的清液回收利用；(3)Co3O4纳米粉体的制备将上步得到的碳酸钴湿料置于适当容器中,加料量为容器的1/2～2/3,升温至300～450℃并保温3～6小时,得到黑色粉末。(3)水热合成法

高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。二氧化钒纳米粉体材料的制备方法，工艺步骤依次为前驱体的制备和前驱体的热分解，其特征在于：(1)前驱体的制备以V2O5和草酸为原料，V2O5与草酸的重量比为1∶1～3，将所述配比的V2O5和草酸放入反应容器并加水在常压、40～70℃进行搅拌，直到V2O5和草酸的还原反应完成为止，水的加入量以V2O5和草酸被淹过为宜，还原反应完成后，将所获溶液蒸干即得到固体草酸氧钒前驱体；(2)前驱体的热分解将所获草酸氧钒前驱体粉碎后放入加热炉，在常压下以3～10℃/min的速度加热到250℃～300℃时开始抽真空，并在真空条件下继续以3～10℃/min的速度加热到350℃～500℃，保温20～40分钟后关闭加热炉电源，保持炉内的真空度，让分解产物冷却至室温而获得二氧化钒纳米粉体材料；或将所获草酸氧钒前驱体粉碎后在加热炉中加热到150℃～250℃保温20～30分钟，然后抽真空，在真空条件下以3～10℃/min的速度加热到350℃～500℃，保温20～40分钟后关闭加热炉电源，保持炉内的真空度，让分解产物冷却至室温而获得二氧化钒纳米粉体材料；或将所获前驱体草酸氧钒粉碎后放入加热炉，在真空条件下以3～10℃/min的速度加热到350℃～500℃，保温20～40分钟后关闭加热炉电源，保持炉内的真空度，让分解产物冷却至室温而获得二氧化钒纳米粉体材料。