Способ получения концентрированного гидрозоля диоксида циркония



Способ получения концентрированного гидрозоля диоксида циркония
C01P2004/62 - Неорганическая химия (обработка порошков неорганических соединений для производства керамики C04B 35/00; бродильные или ферментативные способы синтеза элементов или неорганических соединений, кроме диоксида углерода, C12P 3/00; получение соединений металлов из смесей, например из руд, в качестве промежуточных соединений в металлургическом процессе при получении свободных металлов C21B,C22B; производство неметаллических элементов или неорганических соединений электролитическими способами или электрофорезом C25B)

Владельцы патента RU 2652713:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано в производстве конструктивных и строительных элементов в машиностроении, функциональных теплозащитных покрытий, в медицине при производстве имплантатов в костные ткани, пломбировочного материала, при получении керамических топливных ячеек, пленок для получения миниатюрных электромеханических систем, электронных и оптических приборов, датчиков и преобразователей энергии, режущих инструментов, катализаторов. Для получения концентрированного гидрозоля диоксида циркония состава (1-х)ZrO2/xY2O3, где х=0,03-0,08 в качестве исходных веществ для проведения гидролиза используют отфильтрованные растворы оксихлорида циркония и нитрата иттрия. Гидролиз солей проводят водным раствором аммиака концентрацией 0,1224-2,0601 моль/л при комнатной температуре и интенсивном перемешивании при рН≤1,4. Изобретение позволяет получить гидрозоли, сохраняющие агрегативную и седиментационную устойчивость в течение 1 года, при исключении стадии пептизации геля. 1 табл., 14 пр.

 

Изобретение относится к области материаловедения, в частности, к способам получения агрегативно устойчивых и стабилизированных гидрозолей ZrO2/Y2O3, с высокой концентрацией, которые исключают традиционную стадию пептизации геля и могут найти применение при производстве конструктивных и строительных элементов в машиностроении, функциональных теплозащитных покрытий, в медицине при производстве имплантатов в костные ткани, пломбировочного материала, при получении керамических топливных ячеек, пленок для получения миниатюрных электромеханических систем, электронных и оптических приборов, датчиков и преобразователей энергии, режущих инструментов, катализаторов.

Агрегативная устойчивость и коагуляция зависит от различных причин: независимого или совместного проявления седиментационных и агрегативных факторов, действия электролитов и наличия примесей в сочетании с внешними факторами.

Наиболее привлекательным и распространенным методом получения золя диоксида циркония является золь-гель метод. В изученных работах представлены в основном золь-гель метод и его комбинированные вариации: с механохимическим синтезом, с ультразвуковой обработкой золей на стадии золеобразования, с гидротермальным получением агрегативно устойчивых концентрированных гидрозолей оксида циркония. В качестве параметра, характеризующего полученный золь, рассматривается только его концентрация, средний гидродинамический диаметр частиц и электрокинетический потенциал.

Известен золь-гель метод с ультразвуковой обработкой золей на стадии золеобразования (2 цикла, 520 Вт) и промывки (2 цикла, 600 Вт), который позволяет получать золи со средним гидродинамическим диаметром частиц до 10 нм [Li X., Chen L., Li В. Preparation of zirconia nanopowders in ultrasonic field by the sol-gel method // Key Eng. Mater. 2005. Vol. 280-283. P. 981-. DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.280-283.981]. Недостатком данного способа является отсутствие сведений: о концентрации, электрокинетическом потенциале, сроке хранения и дополнительной энергозатратности получения.

Известен комбинированный способ: гидротермальный и золь-гель синтезы в присутствии 3-метакрилоксипропил триметоксисилана с изобутанолом и пропионовой кислотой, а также со стабилизирующей добавкой 10 мол. % SiO2. Этот метод позволяет получать золи со средним гидродинамическим диаметром частиц до 5-12 нм [Schmidt Т., Mennig М., Schmidt Н. New method for the preparation and stabilization of Tanoparticulate t-ZrO2 by a combined sol-gel and solvothermal process. // J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90. N5. P. 1401-1405. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.01567]. Недостатком данного способа является отсутствие сведений: о концентрации, электрокинетическом потенциале, сроке хранения и присутствии органических растворителей.

Известен комбинированный способ формирования нанодисперсного диоксида циркония при золь-гель и механохимическом синтезах, которые позволяют получать золь со средним гидродинамическим диаметром 3-5 нм. При механической активации нецелевые продукты обменной реакции (например, хлорид натрия) могут выступать в качестве твердой матрицы, препятствующей агрегации наночастиц при последующей термообработке системы. Стабилизация происходит в присутствии Са(ОН)2 или Y2(СО3)3 [Каракчиев Л.Г., Аввакумов Е.Г., Винокурова О.Б., Гусев А.А., Ляхов Н.З. Формирование нанодисперсного диоксида циркония при золь-гель и механохимическом методах синтеза. // Ж. неорган. химии. 2003. Т. 48. №10. С. 1589-1595]. Недостатком данного способа является малый срок хранения агрегативно устойчивых золей ZrO2 (устойчивость золя ZrO2 сохранялась до 40 минут, который сопровождается процессом агломерации частиц от 2 нм до 200-1000 нм).

Известен способ получения концентрированных гидрозолей диоксида циркония гидролизом водорастворимой соли оксихлорида циркония с последующей промывкой и пептизацией свежеосажденного гидратированного диоксида циркония азотной кислотой при одновременной термообработке кипячением и непрерывном перемешивании в присутствии электролитов NaNO3, Na2SO4; органических стабилизаторов и растворителей: композиция с ПВС и глицерином. При этом уровень вязкости гидрозолей ZrO2 составляет 20-100 мПа⋅с; средний гидродинамический диаметр частиц - до 100 нм; электрокинетический потенциал составляет 4-20 мВ. Данная методика позволяет получить золь с концентрацией 6% масс. ZrO2 или 0,5 моль/л (при отсутствии упаривания в процессе термобработки) [Горохова Е. Золь-гель процесс получения ультрафильтрационных мембран на основе диоксида циркония. Автореф. дис. … канд. хим. наук. М., 1994. 16 с.]. Недостатком данного способа является то, что длительное хранение золя возможно лишь при введении органических стабилизаторов, растворителей, а также электролитов - солей натрия, использование которых загрязняет конечный продукт.

За прототип нами взят золь-гель метод получения агрегативно устойчивых концентрированных гидрозолей оксида циркония (гидролиз оксинитрата циркония и нитрата церия с последующей пептизацией гидратированного диоксида циркония) в присутствии стабилизирующей добавки - оксида церия при рН 2.1÷3.5 со средним гидродинамическим диаметром частиц - до 160 нм. [Гаврилова Н.Н., Назаров В.В. Синтез гидрозолей СеО2-ZrO2 с использованием пептизации при комнатной температуре. // Коллоид, журнал. 2010. Т. 72. №4. С. 465-472. / Gavrilova N.N., Nazarov V.V. Synthesis of CeO2-ZrO2 hydrosols via peptization at room temperature. // Colloid J. 2010 Vol. 72 N4 P. 471-477. DOI: 10.1134/S1061933X10040058]. Недостатками данного способа являются отсутствие данных об электрокинетическом потенциале и низкая концентрация гидрозолей ZrO2, при которой будет сохраняться агрегативная устойчивость (порядка 6 мас. % для CeO2/ZrO2 = 9/1, 4/1, 1/1, (в пересчете на [CeO2-ZrO2])). Для CeO2/ZrO2 = концентрация гидрозолей ZrO2 не превышает 3.5 мас. %, (что, вероятно, связано с тем, что при комнатной температуре полностью пептизировать осадок, содержащий 80% диоксида циркония, не удается).

Задачей изобретения является получение агрегативно устойчивого высококонцентрированного гидрозоля циркония гидролизом оксихлорида циркония, исключая традиционную стадию пептизации геля, со стабилизирующей добавкой - оксидом иттрия, имеющего характеристики после 1 года хранения: концентрация от 5.7 до 17.6 мас. % (в пересчете на [ZrO2]), средний гидродинамический диаметр частиц в интервале 11-60 нм и электрокинетический потенциал порядка 13-28 мВ в зависимости от значения рН среды в интервале 0.2÷1.4. Высокая концентрация и агрегативная устойчивость позволяют использовать гидрозоли ZrO2/Y2O3 для получения различных материалов золь-гель методом. В этом и состоит технический результат.

Технический результат достигается тем, что способ получения концентрированного гидрозоля диоксида циркония, состава (1-x)ZrO2/xY2O3, где х=0,03-0,08, включает гидролиз, в качестве исходных веществ для проведения гидролиза используют отфильтрованные растворы оксихлорида циркония и нитрата иттрия, гидролиз солей проводили водным раствором аммиака концентрацией 0.1224÷2.0601 моль/л при комнатной температуре и интенсивном перемешивании при рН≤1.4.

Способ осуществляется следующим образом.

В качестве исходных прекурсоров использовали оксихлорид циркония и нитрат иттрия марки «хч», растворы отфильтровывали и смешивали. Гидролиз солей проводили водным раствором аммиака при комнатной температуре и при интенсивном перемешивании. Процесс вели в присутствии стабилизирующего иттрийсодержащего компонента. Размеры частиц и электрокинетический потенциал в водных дисперсиях определяли методом динамического рассеяния света (ДРС) на приборе Malvern Zetasizer Nano ZS. Величины рН дисперсионной среды определяли на ионометре/кондуктометре АНИОН 4100 с использованием стеклянного электрода ЭСК-10601/17. Содержание дисперсной фазы золя определи весовым методом.

Пример 1

Исходные 1 М раствор оксихлорида циркония и 0.7 М раствор нитрата иттрия отфильтровали и смешали в стехиометрическом соотношении 0.97/0.03 в пересчете на [ZrO2/Y2O3]. Гидролиз солей проводили водным раствором аммиака концентрации 0.1224÷2.0601 моль/л при 25°С и интенсивном перемешивании. Характеристики полученного гидрозоля указаны в таблице 1 (образец №1).

Пример 2

Приготовление гидрозоля проводят, как указано в примере 1. Изменено стехиометрическое соотношение оксихлорида циркония и нитрата иттрия на 0.95/0.05 в пересчете на [ZrO2/Y2O3]. Характеристики гидрозоля указаны в таблице 1 (образец №2).

Пример 3

Приготовление гидрозоля проводят, как указано в примере 1. Изменено стехиометрическое соотношение оксихлорида циркония и нитрата иттрия на 0.98/0.02 в пересчете на [ZrO2/Y2O3]. Характеристики гидрозоля указаны в таблице 1 (образец №3).

Пример 4

Приготовление гидрозоля проводят, как указано в примере 1. Стехиометрическое соотношение оксихлорида циркония и нитрата иттрия соответствует 0.98/0.02 в пересчете на [ZrO2/Y2O3]. Изменена концентрация дисперсной фазы ω, при которой получен гидрозоль. Значение рН дисперсионной среды остается неизменным, как в примере 3. Характеристики гидрозоля указаны в таблице 1 (образец №4).

Пример 5-6

Как в примере 3. Изменены значения рН дисперсионной среды, при котором получен гидрозоль. Характеристики гидрозоля указаны в таблице 1 (образец №5-6).

Пример 7

Приготовление гидрозоля проводят, как указано в примере 1. Стехиометрическое соотношение оксихлорида циркония и нитрата иттрия соответствует 0.98/0.02 в пересчете на [ZrO2/Y2O3]. Изменена концентрация дисперсной фазы ω, при которой получен гидрозоль. Значение рН дисперсионной среды остается неизменным, как в примере 6. Характеристики гидрозоля указаны в таблице 1 (образец №7).

Пример 8

Приготовление гидрозоля проводят, как указано в примере 1. Стехиометрическое соотношение оксихлорида циркония и нитрата иттрия соответствует 0.98/0.02 в пересчете на [ZrO2/Y2O3]. Изменено значение рН дисперсионной среды, при котором получен гидрозоль. Характеристики гидрозоля указаны в таблице 1 (образец №8.)

Примеры 9-14

Как в примере 8. Изменены значения рН дисперсионной среды, при которых получены гидрозоли. Характеристики гидрозоля указаны в таблице 1 (образцы №9-14).

В отличие от аналогов предложенный способ позволяет получать гидрозоли с концентрацией от 5.7 до 17.6 мас. % (в пересчете на [ZrO2]) в одну стадию. При этом исключается традиционная стадия пептизации геля. Предложенный способ может быть адаптирован к промышленным условиям. Получаемые гидрозоли ZrO2/Y2O3 сохраняют как агрегативную, так и седиментационную устойчивость в течение 1 года.

Примечание: *мольное соотношение CeO2/ZrO2 в конечных продуктах составляло 9/1, 4/1, 1/1, , что соответствует x 0.9, 0.8, 0.5 и 0.2 соответственно.

Способ получения концентрированного гидрозоля диоксида циркония, отличающий тем, что получают гидрозоль состава (1-х)ZrO2/xY2O3, где х=0,03-0,08, в качестве исходных веществ для проведения гидролиза используют отфильтрованные растворы оксихлорида циркония и нитрата иттрия, гидролиз солей проводили водным раствором аммиака концентрацией 0,1224÷2,0601 моль/л при комнатной температуре и интенсивном перемешивании при рН≤1,4.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для кристаллизации периодического действия для получения кристаллов, предпочтительно перхлората аммония. Устройство содержит кристаллизатор 1, состоящий из металлического цилиндрического сосуда, внутренняя поверхность которого состоит из материала с твердостью по меньшей мере 120 НВ, предпочтительно по меньшей мере 200 НВ, цилиндрический сосуд имеет овальное или круглое поперечное сечение с коническим или вогнутым днищем 12, оборудованный вдоль его длины двойной рубашкой 4 для охлаждения раствора и/или суспензии раствора и кристаллов и высокоскоростным перемешивающим устройством 8 из материала с твердостью по меньшей мере 120 НВ, предпочтительно по меньшей мере 200 НВ, высокоскоростное перемешивающее устройство 8 оснащено приводом 9, обеспечивающим регулирование скорости и, следовательно, степени воздействия механического действия перемешивающего устройства на округлость кристаллов внутри сосуда вместе с внутренней поверхностью сосуда, содержащего по меньшей мере две перегородки 5 из материала с твердостью по меньшей мере 120 НВ, предпочтительно по меньшей мере 200 НВ, при этом сосуд оборудован по меньшей мере одним отверстием 10 сверху, соединенным по меньшей мере с одним независимым ответвлением контура циркуляции 11 снаружи для ввода нагретого раствора и/или нагретой суспензии раствора и кристаллов с помощью по меньшей мере одного циркуляционного насоса 2 через по меньшей мере один теплообменник 3 для обеспечения вместе с двойной рубашкой 4 регулируемых периодических изменений температур суспензии кристаллов вблизи кривой охлаждения, при этом соединительный трубопровод 13 соединен с днищем 12 сосуда кристаллизатора 1 и по меньшей мере с одним ответвлением контура циркуляции 11.

Изобретение относится к области получения наноматериалов, а именно нанопорошков кремния, и может быть использовано в стоматологии и биомедицине для получения фотолюминесцентных меток.

Изобретение может быть использовано в производстве бумажных и картонных изделий, косметических, пластмассовых изделий, герметизирующих материалов, красок, покрытий.
Изобретение может быть использовано в производстве бумаги, пластмасс, красок, продуктов питания, фармацевтических изделий. Способ изготовления водной суспензии включает подготовку минерального пигментного материала и деполимеризованной карбоксиметилцеллюлозы, имеющей степень карбоксилирования в интервале от 0,2 до 2,2, молекулярную массу в интервале от 5000 до 40000 г/моль и индекс полидисперсности в интервале от 2 до 10.

Изобретение относится к металлургии и может быть применено для комплексной переработки пиритсодержащего сырья. Осуществляют безокислительный обжиг, обработку огарка с растворением железа, цветных металлов, серебра и золота и получение их концентратов.

Изобретение относится к синтезу наноалмазов для использования в элементах оптической памяти для квантовых компьютеров высокой производительности. Способ включает подготовку углеродсодержащей смеси, ее размещение в камере высокого давления, инициирование в углеродсодержащей смеси интенсивной ударной волны, фильтрацию и сепарацию продуктов синтеза, при этом в качестве углеродсодержащей смеси выбирают смесь на основе предельных углеводородов гомологического ряда алканов с общей формулой CnH2n+2 с числом углеродных атомов 16 и выше, нагревают ее до температуры выше 300 K, пропускают через нее метан под давлением выше 0,1 МПа и формируют в углеродсодержащей смеси импульсный электрический разряд.

Изобретение может быть использовано в производстве лекарственных средств, изделий медицинского назначения, изделий для сельского хозяйства и садоводства, бытовых и промышленных товаров.

Изобретение может быть использовано в электронике, в производстве телекоммуникационного оборудования и электродвигателей. Способ получения субмикронных порошков феррита кобальта(II) включает приготовление исходных реакционных водных растворов, содержащих соли кобальта и железа.

Изобретение может быть использовано в лакокрасочной промышленности. Способ получения красных железоокисных пигментов включает получение раствора нитрата железа (II) и первого содержащего оксид азота потока путем реакции железа с азотной кислотой.

Изобретение может быть использовано в производстве бумаги, чернил, красок, пластмасс. Способ получения продукта осажденного карбоната кальция включает в себя получение водной суспензии осажденных затравок карбоната кальция путем карбонизации суспензии Са(ОН)2 в присутствии 0,005-0,030 моль Sr в форме Sr(OH)2 на моль Са(ОН)2.

Изобретение относится к способам изготовления высокопористых керамических изделий и может быть использовано в машиностроении, химической промышленности и медицине для получения носителей катализаторов, фильтрующих элементов, биоимплантатов.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ получения нанодисперсных оксидов металлов включает формирование реакционной смеси путем внесения нитратов металлов и карбамида в водную среду в стехиометрическом соотношении.

Изобретение может быть использовано для создания электролита твердооксидного топливного элемента. Жидкофазный синтез многокомпонентного керамического материала в системе ZrO2-Y2O3-Gd2O3-MgO осуществляют путем выбора в качестве исходных реагентов солей ZrO(NO3)2⋅2H2O, Y(NO3)3⋅5H2O, Gd(NO3)3⋅6H2O и Mg(NO3)2⋅6H2O.

Изобретение относится к композиции на основе оксидов церия, циркония и по меньшей мере одного редкоземельного металла, отличного от церия, к способу ее получения и ее применению в области катализа.
Изобретение может быть использовано в производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих высокое значение адгезии и когезии.

Изобретение относится к синтезу неорганических соединений, а именно к технологии получения стабилизированного оксида циркония, и может быть использовано для изготовления структурной керамики, твердотельных топливных элементов, кислородных сенсоров, катализаторов, а также в медицинской, электронной и ювелирной промышленности.

Изобретение относится к аэрогелям, кальцинированным изделиям и изделиям с кристаллической структурой, содержащим ZrO2, и может найти применение в стоматологии. Способ получения аэрогеля включает стадии, на которых обеспечивают первый золь диоксида циркония, содержащий частицы кристаллического оксида металла, характеризующиеся средним размером первичных частиц не более чем 50 нанометров, добавляют радикально реакционно-способный модификатор поверхности к золю диоксида циркония с получением радикально полимеризуемого поверхностно-модифицированного золя диоксида циркония, добавляют инициатор радикальной полимеризации, нагревают с образованием геля, экстрагируют спирт, если присутствует, из геля посредством сверхкритической экстракции с получением аэрогеля.

Изобретение относится к способам получения порошковых материалов на основе германатов тугоплавких металлов, а именно циркония и гафния, которые могут быть использованы в качестве компонентов термостойких керамических изделий и люминофоров.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования в разрядных источниках излучения. Защитное покрытие на внутренней поверхности разрядных оболочек источников излучения содержит оксид алюминия, оксид иттрия, оксид магния, оксид циркония и оксид тория.

Группа изобретений относится к сорбентам и их применению. Сорбент анионов сурьмы содержит частицы или гранулы оксида циркония и характеризуется коэффициентом распределения анионов сурьмы, по меньшей мере, 10000 мл/г при рН в диапазоне от 2 до 10, причем указанные частицы имеют средний размер от 10 нм до 100 мкм, для которых скорость потока составляет от 100 до 10000 объемов слоя в час и указанные гранулы имеют средний размер от 0,1 до 2 мм, для которых скорость потока составляет от 10 до 50 объемов слоя в час.

Изобретение может быть использовано в химической, металлургической, электронной промышленности. Для переработки жидких отходов производства диоксида титана проводят экстракцию скандия из гидролизной серной кислоты (ГСК) на экстрагенте, состоящем из смеси ди(2-этилгексил)фосфорной кислоты (Ди2ЭГФК) и трибутилфосфата (ТБФ), с получением насыщенного экстрагента и рафината экстракции.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано в производстве конструктивных и строительных элементов в машиностроении, функциональных теплозащитных покрытий, в медицине при производстве имплантатов в костные ткани, пломбировочного материала, при получении керамических топливных ячеек, пленок для получения миниатюрных электромеханических систем, электронных и оптических приборов, датчиков и преобразователей энергии, режущих инструментов, катализаторов. Для получения концентрированного гидрозоля диоксида циркония состава ZrO2xY2O3, где х0,03-0,08 в качестве исходных веществ для проведения гидролиза используют отфильтрованные растворы оксихлорида циркония и нитрата иттрия. Гидролиз солей проводят водным раствором аммиака концентрацией 0,1224-2,0601 мольл при комнатной температуре и интенсивном перемешивании при рН≤1,4. Изобретение позволяет получить гидрозоли, сохраняющие агрегативную и седиментационную устойчивость в течение 1 года, при исключении стадии пептизации геля. 1 табл., 14 пр.

Наверх