Способ получения полировальных порошков на основе оксидов редких земель с регулируемой дисперсностью
Изобретение может быть использовано при изготовлении полировочных материалов. Карбонаты редких земель осаждают раствором соли угольной кислоты, фильтруют, сушат и обжигают до оксидов. Осаждение карбонатов проводят, регулируя степень осаждения редких земель в диапазоне 75-100% и температуру в диапазоне 20-60°С. Изобретение позволяет без классификации получать порошки оксидов разного размера, в частности 0,4-0,8 мкм, 0,8-1,2 мкм, 1,2-1,5 мкм. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к химической технологии получения соединений редкоземельных элементов, в частности к способам получения оксидов редких земель, используемых при приготовлении полировальных материалов для оптических стекол.
Для целей полирования наиболее пригодны оксиды редких земель, содержащие не менее 50% диоксида церия и имеющие частицы размером 0,4-1,5 мкм. Оксиды классифицируют на фракции с более узким гранулометрическим составом и используют для полирования конкретных типов стекол и оптических изделий. Например, для полирования высокоточной оптики и изделий из химически нестойких стекол используют оксиды крупностью 0,4-0,8 мкм. Для полирования точной оптики из химически нестойких и нейтральных стекол предпочтительны оксиды крупностью 0,8-1,2 мкм. Для полирования оптики из твердых материалов типа ситалла и кристаллического кварца в большей степени подходят оксиды крупностью 1,2-1,5 мкм.
Известен способ получения полировальных порошков на основе оксидов редких земель с частицами размером 0,5-20 мкм, включающий осаждение основных карбонатов редких земель путем приливания раствора редких земель с концентрацией 200 г/л к раствору карбоната натрия с концентрацией 60-70 г/л при температуре 80°С, кипячение пульпы карбонатов в течение 0,5-1,5 часа, фильтрование, промывку, сушку и обжиг карбонатов до оксидов, обработку оксидов раствором минеральной кислоты, измельчение оксидов [Патент 3573886, США]. Недостатком способа является многооперационность процесса, колебание размера частиц в широком интервале, необходимость классификации порошков на более узкие фракции.
Наиболее близким к заявленному является способ получения полировального материала на основе двуокиси церия с частицами размером 0,2-1,2 мкм, включающий осаждение карбонатов редких земель путем смешивания раствора соли редких земель с концентрацией 30-200 г/л и рН 3-4 с раствором карбоната аммония с концентрацией 75-100 г/л, фильтрование, промывку, сушку и обжиг карбонатов до оксидов [Авторское свидетельство 715473, СССР]. Недостатком способа является необходимость тонкой корректировки кислотности исходного редкоземельного раствора до рН 3-4, колебание размера частиц в широком интервале, необходимость классификации порошков на более узкие фракции.
Предлагается способ получения полировальных порошков на основе оксидов редких земель, позволяющий без корректировки кислотности исходного редкоземельного раствора и без классификации получать оксиды любой дисперсности в диапазоне 0,4-1,5 мкм. Для этого в способе, включающем осаждение карбонатов редких земель раствором соли угольной кислоты, фильтрование, промывку, сушку и обжиг карбонатов, степень осаждения редких земель регулируют в диапазоне 75-100%, а температуру в диапазоне 20-60°С. Для получения оксидов дисперсностью 0,4-0,8 мкм осаждение редких земель проводят на 85-100% при 20-25°С. Для получения оксидов дисперсностью 0,8-1,2 мкм осаждение редких земель проводят на 80-85% при 20-25°С. Для получения оксидов дисперсностью 1,2-1,5 мкм осаждение редких земель проводят на 75-80% при 50-60°С. Степень осаждения редких земель регулируют расходом осадителя, взятым с учетом нейтрализации избыточной кислотности в исходном редкоземельном растворе.
Сущность способа заключается в том, что степень осаждения редких земель и температура являются главными факторами, влияющими на размер частиц карбонатов и, как следствие, на размер частиц оксидов редких земель. Уменьшение степени осаждения редких земель и увеличение температуры до 40-45°С способствует росту частиц карбонатов и оксидов, что обусловлено интенсификацией процесса ориентированного срастания первичных кристаллов карбонатов во вторичные частицы. Увеличение температуры более 40-45°С способствует уменьшению частиц карбонатов и оксидов, что обусловлено гидролизом карбонатов. Изменение степени осаждения редких земель и температуры в заявленных режимах позволяет регулировать дисперсность оксидов в интервале 0,4-1,5 мкм.
Увеличение степени осаждения редких земель более 100% приводит к уменьшению размера частиц оксидов менее 0,3 мкм. Такие мелкие оксиды характеризуются низкой полирующей способностью.
Уменьшение степени осаждения редких земель менее 75% приводит к значительным потерям редких земель с маточным раствором.
Увеличение температуры более 60°С приводит к резкому увеличению дисперсности и гранулометрической неоднородности оксидов. Такие мелкие неоднородные порошки характеризуются низкими скоростью и качеством полирования.
Уменьшение температуры ниже 20°С приводит к неоправданным затратам энергии, которые не компенсируются достигаемым результатом.
Осадок карбонатов редких земель промывают от маточного раствора, сушат и прокаливают до оксидов при температуре 1050°С в течение 1 часа. Оксиды представляют собой мягкий сыпучий порошок со средним размером частиц от 0,4 до 1,5 мкм в зависимости от режима осаждения. Оксиды используют в качестве полировальных материалов для оптического стекла.
Пример.
Осаждение карбонатов редких земель проводят путем одновременного смешивания хлоридного раствора редких земель, имеющего объем 1 литр и содержащего 100 г/л оксидов редких земель и 3,5 г/л соляной кислоты (рН 1), и раствора карбоната натрия с концентрацией 100 г/л. Состав редких земель в исходном растворе следующий: 50% оксида церия, 25% оксида лантана, 12,5% оксида неодима, 6% оксида празеодима, 3,5% оксида европия, 3% оксида гадолиния. При этом средний молекулярный вес оксидов редких земель вышеуказанного состава равен 166.
Процесс осаждения карбонатов редких земель проводят в разных режимах, изменяя (при постоянном значении в каждом конкретном случае) температуру в диапазоне 20-60°С и степень осаждения редких земель в диапазоне 75-100% (см. таблицу). Степень осаждения редких земель регулируют расходом осадителя, который рассчитывают на основании данных о концентрации кислоты и редких земель в исходном растворе и требуемой степени осаждения редких земель. Расчет количества осадителя (в литрах) проводят по формуле:
Voc=[Ск./Мк.·nк·V+Срз/Мрз.·nрз.·V·(k/100)]/(Сос./Мос.·nос.),
где Voc. - количество осадителя (в литрах); Ск. - концентрация кислоты в редкоземельном растворе (в граммах на литр); Мк. - молекулярный вес кислоты; nк - количество валентных связей в кислоте; V - количество редкоземельного раствора (в литрах); Срз - концентрация редких земель в растворе (в граммах на литр); Мрз. - молекулярный вес редких земель, nрз. - число валентных связей в соли редких земель; k - степень осаждения редких земель (в процентах); Coc. - концентрация осадителя (в граммах на литр). Мк. - молекулярный вес осадителя; nос. - количество валентных связей в осадителе.
Полученные карбонаты выдерживают под маточным раствором при перемешивании в течение 2 часов в изотермических условиях для завершения процесса кристаллизации. После завершения процесса кристаллизации карбонаты фильтруют, промывают от маточного раствора водой, сушат и прокаливают до оксидов при температуре 1050°С в течение 1 часа. Размер частиц оксидов измеряют методом воздухопроницаемости уплотненного слоя продукта.
| Таблица Дисперсность оксидов редких земель при разных режимах осаждения карбонатов |
|||
| Режим осаждения карбонатов редких земель | Средний размер частиц оксидов редких земель, мкм | ||
| Температу- ра, °С |
Требуемая степень осаждения редких земель, % | Расход осадителя, л | |
| 100 | 1,01 | 0,4 | |
| 90 | 0,91 | 0,5 | |
| 85 | 0,87 | 0,8 | |
| 22±2 | 82 | 0,84 | 1,0 |
| 80 | 0,82 | 1,2 | |
| 78 | 0,80 | 1,6 | |
| 75 | 0,77 | 2,4 | |
| 42±2 | 80 | 0,82 | 1,5 |
| 75 | 0,77 | 2,6 | |
| 55±2 | 80 | 0,82 | 1,2 |
| 75 | 0,77 | 1,5 | |
| 73±2 | 80 | 0,82 | 0,4 |
| 75 | 0,77 | 0,5 |
Из данных таблицы следует, что проводя осаждение предложенным способом, контролируя температуру в пределах 20-60°С и степень осаждения редких земель в пределах 75-100%, можно плавно изменять размер частиц порошков оксидов от 0,4 до 1,5 мкм. Порошки с размером частиц 0,4-0,8 мкм получаются при температуре 20-25°С и степени осаждения 85-100%, порошки с размером частиц 0,8-1,2 мкм - при температуре 20-25°С и степени осаждения 80-85%, порошки с размером частиц 1,2-1,5 мкм - при температуре 50-60°С и степени осаждения 75-80%.
Таким образом, предложенный способ позволяет получать порошки оксидов редких земель с заранее заданным размером частиц в узких интервалах 0,4-0,8 мкм, 0,8-1,2 мкм и 1,2-1,5 мкм, в то время как при использовании известного способа получаются порошки оксидов с размером частиц 0,2-1,2 мкм. Предложенный способ позволяет упростить процесс получения полировальных порошков благодаря исключению операций предварительной корректировки кислотности исходного редкоземельного раствора и классификации порошков оксидов на более узкие фракции.
1. Способ получения полировальных порошков на основе оксидов редких земель с регулируемой дисперсностью, включающий осаждение карбонатов редких земель из растворов их солей, фильтрование осадка, сушку и прокаливание карбонатов до оксидов, отличающийся тем, что для осаждения используют исходные растворы редких земель, осаждение производят путем одновременного сливания раствора редких земель и раствора соли угольной кислоты в изотермических условиях в диапазоне температур 20-60°С до степени осаждения 75-100%.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полировальные порошки с размером частиц 0,4-0,8 мкм получают при проведении осаждения при температуре 20-25°С и степени осаждения 85-100%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полировальные порошки с размером частиц 0,8-1,2 мкм получают при проведении осаждения при температуре 20-25°С и степени осаждения 85-100%.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полировальные порошки с размером частиц 1,2-1,5 мкм получают при проведении осаждения при температуре 50-60°С и степени осаждения 75-80%.
