本发明涉及金属氧化物纳米颗粒制备领域，确切的讲是一种单分散球形α-al2o3纳米颗粒的低成本制备方法。
背景技术：
α-al2o3是al2o3的多种同质异性相中最稳定的一种，由于其原料来源丰富、价格低廉且具有高强度、高硬度、高电阻率、抗腐蚀及耐高温等优异特性，而被广泛应用于航空航天、磨料、微电子、精细陶瓷和耐火材料等各个领域。
α-al2o3在超高的温度(1200~1400℃)下才能实现相转变，颗粒在高温下易长大烧结出现硬团聚，所以当前在制备α-al2o3的领域里最大的挑战是制备纳米级单分散球形α-al2o3。自从纳米材料概念提出以来，解决陶瓷材料脆性问题的一条重要途径就是利用纳米级α-al2o3制备纳米陶瓷。纳米级α-al2o3粒度很小，表面积很大，因此用它制取烧结材料时烧结温度低，烧结速度快，烧结体致密度高。球形α-al2o3表面能低，颗粒级配关系较好，填充份数特别大，其球形的外观对生产设备的磨耗较小，特别适用于生产各种导热工程材料。纳米级α-al2o3具有良好的尺寸分布效应和界面效应，是一种非常好的紫外光吸收剂，可与稀土荧光粉制备成本低、寿命长的复合发光材料。随着电子元器件朝着轻量化和微型化发展，纳米级、单一分散的α-al2o3可以用来制备集成电路的基板。随着led行业的发展，蓝宝石衬底的需求日益增长，而纳米级单分散球形α-al2o3对于硬底材料蓝宝石衬底显示了优良的去除速率。因此，近年来制备单一分散、颗粒均匀、流动性好的球形α-al2o3具有重要的学术和商业意义。
国内主要从韩国、日本采购单分散球形α-al2o3，进口的产品价格高，运输周期长。目前已报道的使颗粒球形化的方法主要有喷雾热分解法、等离子体加热法、气溶胶法、超声喷雾热分解法等。但是这些方法制备的颗粒仍然较大(粒径通常为60~200μm)且存在颗粒相变不完全和烧结现象。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述制备方法的不足，创新性的将共沉淀法、高温水热法和煅烧
法相结合，使用的ph调节剂在高温下可以缓慢释放出氢氧根，有利于制备出纳米级、单分散球形α-al2o3颗粒。该方法制备的纳米α-al2o3颗粒可以稳定的分散在水、甲醇、乙醇、异丙醇和n,n-二甲基甲酰胺等溶剂中，从而扩大了纳米α-al2o3的应用领域。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种纳米级单分散球形α-al2o3低成本制备方法，包括以下步骤：
(a)将一定比例的铝盐、表面改性剂和缓释碱性ph调节剂在水中溶解，在机械搅拌条件下升温至80~105℃并保持0.5~5h，溶液转移至高压反应釜，在200~300℃反应1~5h，即得前驱体的分散液；所述表面改性剂为聚乙二醇、聚乙烯醇聚丙烯酸、聚丙烯酰胺或柠檬酸中的任一种；所述缓释碱性ph调节剂为尿素、甲酰胺或n,n-二甲基甲酰胺中的任一种。所述铝盐的铝离子和缓释碱性ph调节剂的摩尔比例为1:15~40；所述表面改性剂的用量为理论α-al2o3产量的0.1~5wt%；
(b)将一定比例的铁盐溶解于上述前驱体分散液中，再次加入一定量缓释碱性ph调节剂，在机械搅拌条件下升温至80~105℃并保持0.5~5h；所述铁盐和缓释碱性ph调节剂的摩尔比例为1:20~90；上述的铝离子与铁离子的摩尔比例为1:1~4.5；
(c)将产物进行过滤、清洗、90~110℃烘干并在800~1000℃焙烧1~5h；
(d)80~95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；所述酸为硫酸、硝酸或盐酸中的任一种；所述酸的浓度为2~7mol/l；
(e)产物经离心洗涤或透析除去fe3+和其他杂质离子，干燥后即得到纳米级单分散球形α-al2o3颗粒。
所述步骤(a)中铝盐优选为硝酸铝、硫酸铝或三氯化铝中的任一种。
所述步骤(b)中铁盐优选为硫酸铁、硝酸铁或三氯化铁中的任一种。
纳米级单分散球形α-al2o3的应用方法：所述的产物在超声频率为20~100khz、功率为150w的超声波清洗器上超声分散于不同溶剂中即得相应分散液；所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇或n,n-二甲基甲酰胺中的任一种；分散液固含量为0.1~20wt%；纳米级单分散球形α-al2o3产品，包括纳米α-al2o3粉体、纳米α-al2o3水分散液、纳米α-al2o3甲醇分散液、纳米α-al2o3乙醇分散液、纳米α-al2o3异丙醇分散液、纳米α-al2o3n,n-二甲基甲酰胺分散液。
本发明方法的特点和优点如下所述：
(1)一种纳米级单分散球形α-al2o3产品中纳米α-al2o3具有单一的分散性，颗粒之间没有硬团聚，颗粒呈类球形且粒径为25~115nm。产物的分散液贮存半年不会出现明显分层。
(2)制备过程工艺简单，原料来源丰富，能量消耗少，生产成本低，可用于规模化生产。特别是制备的纳米α-al2o3呈球形，粒径可控，分散均一。制备的纳米α-al2o3粉体可以稳定的分散在水、甲醇、乙醇、异丙醇、n,n-二甲基甲酰胺等溶剂中，让纳米α-al2o3的应用变得更加广泛和灵活。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的纳米级单分散球形α-al2o3颗粒的xrd图；
图2是本发明实施例1制备的纳米级单分散球形α-al2o3颗粒的tem图；
图3是本发明实施例1制备的纳米级单分散球形α-al2o3颗粒的水分散液实物图(a)和丁达尔现象图(b)。（丁达尔现象说明α-al2o3颗粒为纳米级别）。
具体实施方式
本发明将通过下面具体的实施例进行更详细的叙述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
实施例1本实施例包括以下步骤：
(a)将0.004mol硝酸铝、0.00204g聚丙烯酰胺在室温和搅拌的条件下溶解于200ml去离子水中，然后称取4.535g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至90℃并保持2h。溶液转移至高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至250℃并保持3h，自然降温后制得前驱体的分散液；(b)称取0.01mol硝酸铁在室温和搅拌的条件下溶解于(a)中的前驱体分散液，然后称取25.706g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至90℃并保持3h；(c)停止搅拌，所得产物用去离子水和乙醇进行清洗和过滤、至于80℃的烘箱干燥24h，转入马弗炉中800℃焙烧处理3h；(d)产物加入足量4mol/l的硫酸，在95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；(e)产物经离心洗涤或透析除去fe3+和其他杂质离子，于烘箱80℃干燥后即得到α-al2o3颗粒。从xrd(图1)可知，得到了α-al2o3纯相。从tem(图2)看，颗粒呈球形，无明显烧结现象，完全分散。平均粒径为70nm，粒径分布为50~100nm；(f)将除去杂质离子的α-al2o3纳米颗粒加入一定量的去离子水中，在超声频率为20~100khz、功率为150w的超声波清洗器上超声分散2h即得相应固含量的纳米α-al2o3水分散液。
实施例2本实施例包括以下步骤：
(a)将0.002mol硫酸铝、0.00204gpeg在室温和搅拌的条件下溶解于200ml去离子水中，然后量取6ml甲酰胺加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至100℃并保持2h。溶液转移至高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至200℃并保持3h，自然降温后制得前驱体的分散液；(b)称取0.007mol硫酸铁在室温和搅拌的条件下溶解于(a)中的前驱体分散液，然后量取34ml甲酰胺加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至100℃并保持3h；(c)停止搅拌，所得产物用去离子水和乙醇进行清洗和过滤、至于80℃的烘箱干燥24h，转入马弗炉中800℃焙烧处理3h；(d)产物加入足量5mol/l的盐酸，在95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；(e)产物经离心洗涤或透析除去fe3+和其他杂质离子，于烘箱80℃干燥后即得到α-al2o3颗粒。平均粒径为60nm，粒径分布为35~80nm；(f)将除去杂质离子的α-al2o3纳米颗粒加入一定量的甲醇中，在超声频率为20~100khz、功率为150w的超声波清洗器上超声分散2h即得相应固含量的纳米α-al2o3甲醇分散液。
实施例3本实施例包括以下步骤：
(a)将0.004mol三氯化铝、0.00204g柠檬酸在室温和搅拌的条件下溶解于200ml去离子水中，然后量取12mln,n-二甲基甲酰胺加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至100℃并保持2h。溶液转移至高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至300℃并保持3h，自然降温后制得前驱体的分散液；(b)称取0.01mol三氯化铁在室温和搅拌的条件下溶解于(a)中的前驱体分散液，然后量取68mln,n-二甲基甲酰胺加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至100℃并保持3h；(c)停止搅拌，所得产物用去离子水和乙醇进行清洗和过滤、至于80℃的烘箱干燥24h，转入马弗炉中850℃焙烧处理3h；(d)产物加入足量6mol/l的硝酸，在95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；(e)产物经离心洗涤或透析除去fe3+和其他杂质离子，于烘箱80℃干燥后即得到α-al2o3颗粒。平均粒径为90nm，粒径分布为75~110nm；(f)将除去杂质离子的α-al2o3纳米颗粒加入一定量的乙醇中，在超声频率为20~100khz、功率为150w的超声波清洗器上超声分散2h即得相应固含量的纳米α-al2o3乙醇分散液。
实施例4本实施例包括以下步骤：
(a)将0.004mol硝酸铝、0.00204g聚丙烯酰胺在室温和搅拌的条件下溶解于200ml去离子水中，然后称取4.535g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至90℃并保持2h。溶液转移至高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至250℃并保持3h，自然降温后制得前驱体的分散液；(b)称取0.01mol硝酸铁在室温和搅拌的条件下溶解于(a)中的前驱体分散液，然后称取32.133g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至90℃并保持3h；(c)停止搅拌，所得产物用去离子水和乙醇进行清洗和过滤、至于80℃的烘箱干燥24h，转入马弗炉中800℃焙烧处理3h；(d)产物加入足量7mol/l的硫酸，在95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；(e)产物经离心洗涤或透析除去fe3+和其他杂质离子，于烘箱80℃干燥后即得到α-al2o3颗粒。平均粒径为100nm，粒径分布为80~115nm；(f)将除去杂质离子的α-al2o3纳米颗粒加入一定量的异丙醇中，在超声频率为20~100khz、功率为150w的超声波清洗器上超声分散2h即得相应固含量的纳米α-al2o3异丙醇分散液。
实施例5本实施例包括以下步骤：
(a)将0.004mol硝酸铝、0.00204g聚丙烯酰胺在室温和搅拌的条件下溶解于200ml去离子水中，然后称取4.535g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至90℃并保持2h。溶液转移至高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至250℃并保持3h，自然降温后制得前驱体的分散液；(b)称取0.018mol硝酸铁在室温和搅拌的条件下溶解于(a)中的前驱体分散液，然后称取25.706g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至100℃并保持3h；(c)停止搅拌，所得产物用去离子水和乙醇进行清洗和过滤、至于80℃的烘箱干燥24h，转入马弗炉中850℃焙烧处理3h；(d)产物加入足量4mol/l的硫酸，在95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；(e)产物经离心洗涤或透析除去fe3+和其他杂质离子，于烘箱80℃干燥后即得到α-al2o3颗粒。平均粒径为50nm，粒径分布为25~75nm；(f)将除去杂质离子的α-al2o3纳米颗粒加入一定量的去离子水中，在超声频率为20~100khz、功率为150w的超声波清洗器上超声分散2h即得相应固含量的纳米α-al2o3水分散液。
实施例6本实施例包括以下步骤：
(a)将0.004mol硝酸铝、0.00204g聚丙烯酰胺在室温和搅拌的条件下溶解于200ml去离子水中，然后称取4.535g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至100℃并保持2h。溶液转移至高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至250℃并保持3h，自然降温后制得前驱体的分散液；(b)称取0.01mol硝酸铁在室温和搅拌的条件下溶解于(a)中的前驱体分散液，然后称取25.706g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至100℃并保持3h；(c)停止搅拌，所得产物用去离子水和乙醇进行清洗和过滤、至于80℃的烘箱干燥24h，转入马弗炉中800℃焙烧处理10h；(d)产物加入足量4mol/l的硫酸，在95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；(e)产物经离心洗涤或透析除去fe3+和其他杂质离子，于烘箱80℃干燥后即得到α-al2o3颗粒。平均粒径为80nm，粒径分布为55~110nm；(f)将除去杂质离子的α-al2o3纳米颗粒加入一定量的n,n-二甲基甲酰胺中，在超声频率为20~100khz、功率为150w的超声波清洗器上超声分散2h即得相应固含量的纳米α-al2o3n,n-二甲基甲酰胺分散液。