专利名称：一种导电氧化锌粉体的制备方法
技术领域：
本发明属于无机化学领域，具体涉及一种导电氧化锌粉体的制备方法。
背景技术：
氧化锌是一种应用范围极广的半导体材料，其室温下带隙为3. 37eV，激子束缚能 高达60meV。掺铝氧化锌(ZA0)是氧化锌与氧化铝形成的置换型固溶体，具有颜色浅、可见 光透过率高、导电性好等特点。利用其所制备的导电ZA0粉体具有良好的导电性和分散性， 可广泛应用于抗静电地坪漆和防电晕涂料等诸多领域。目前，虽然导电ZA0粉体的制备方法已有共沉淀法(EP-A-404087)，超声模板法 (罗重霄，等。物理化学学报，2008，24 (6) 1007-1011)等；但在无机材料制备领域中被广 泛使用、获得产物分散性能较好的溶胶_凝胶法，却从未被应用于导电ZA0粉体的制备。溶 胶-凝胶法的最大优点是所用原料被分散到溶剂中形成低粘度的溶液，很容易均勻、定量 的掺入一些微量元素，实现分子水平上的均勻掺杂，这对提高导电ZA0粉体的导电性和分 散性将是十分有利的。但是，在利用溶胶-凝胶法，制备导电ZA0粉体的过程中，主要存在 使用较为昂贵的有机溶剂、反应时间过长、溶胶态到凝胶态的转变需要在苛刻的真空条件 下进行等诸多不足。这就造成在产业化导电ZA0粉体的过程中，溶胶-凝胶法难以被使用， 无法达到科学研究与实际应用相结合的目标。造成这些不足的主要原因是①已有的溶 胶-凝胶法普遍使用有机溶剂作为体系的介质，来保持溶胶体系的稳定；②必须通过长时 间的静置使得水解、缩合反应得以缓慢的进行，保证前驱物中铝源均勻的掺杂；③在溶胶转 变为凝胶的过程中，往往选择在真空条件下，对溶胶进行长时间的低温烘干，避免凝胶在形 成过程中，因体系受热不均勻而造成的凝胶骨架坍塌、收缩等情况的发生。因此，现阶段尚 无任何关于使用溶胶_凝胶法来制备导电ZA0粉体的报道出现。本发明针对现有导电ZA0粉体制备现状的不足，创造性地提出了一种新的导电 ZA0粉体的制备方法，即采用与超声波、微波相结合的溶胶_凝胶法。该方法着眼于提高导 电ZA0粉体的导电性和分散性，在保持溶胶_凝胶法自身优点的前提下，大大提高了反应效 率，避免了复杂的真空干燥设备的使用，使得导电ZA0粉体的产业化成为了可能；而且，反 应中不添加任何有机溶剂，在降低生产成本的同时符合绿色化学要求。本发明巧妙地通过 超声波形成的空化漩涡，加速界面间的传质过程，在保持溶胶体系稳定存在的同时，提高了 原料发生水解、缩合反应的速率；本发明还利用微波的分子内部快速加热特性，在溶胶转变 为凝胶的过程中，保证了凝胶的均勻、快速烘干，既可以避免凝胶骨架的坍塌，保持凝胶结 构的完整，又缩短了凝胶形成的时间，提高了整个反应的速率；分散剂的加入，进一步提高 了前驱物中铝源掺杂的均勻性，使体系能够更好的形成固溶体，在一定程度上减轻了粒子 间的团聚，达到提高产物分散性、控制产物粒径大小的作用。这种改进后的溶胶-凝胶法获 得的制备效果在反应速率、产物导电性、分散性及环境友好性等方面，是现有导电氧化锌粉 体制备方法所难以企及的。由于本发明采用的制备方法具有设备简单、合成效率高、生产成本低、产物分散性好、导电性佳和对环境友好等特点，因此，具有很强的工业可行性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种导电氧化锌纳米粉体的制备方法，获得粒径均勻、导 电性能良好的浅色导电纳米粉体，解决现有抗静电领域使用的导电粉体颜色深、不易调色 的不足，同时降低导电氧化锌纳米粉体的生产成本，更好地实现产物粒径大小及分布的均 勻可控。本发明提出新型的导电ZAO粉体的制备方法，采用改进的溶胶_凝胶法进行制备， 其具体步骤为将作为锌源、铝源和分散剂的原材料投入反应器中，以水为介质，充分搅拌 至原料全部溶解；在超声波存在的条件下，向体系中缓慢滴加滴加水合胼，获得溶胶态前驱 物；再将溶胶态前驱物洗涤、抽滤后转入微波反应器中，在微波环境中获得凝胶态前驱物； 然后再将其转入马弗炉中煅烧；自然冷却后，即可获得导电氧化锌粉体；具体制备条件为分散剂的加入质量锌源和铝源总质量的0. 5 10% ；水合胼的加入质量锌源和铝源总质量的1. 25-2. 0倍；
前驱物的煅烧温度500 800 V，煅烧时间1 5h。所属的表面活性剂为非离子表面活性剂或阴离子表面活性剂。本发明经过煅烧后得到的产物，颜色为很淡的黄色粉体，粒径达到纳米量级，并具 有良好的分散性。本发明具有如下优点1、首次提出利用改进的溶胶-凝胶法来制备导电ZAO粉体。该方法同普通溶 胶_凝胶法相比，在保持溶胶_凝胶法自身优点的条件下，巧妙地利用了超声波与微波的独 特效应，不但在制备过程中无任何有机试剂的添加，符合绿色化学要求，而且使反应效率得 以大幅提高，还避免了复杂的真空干燥设备的使用，大大节约了生产成本，具备很强的工业 可行性。2、分散剂的加入，进一步提高了前驱物中铝源掺杂的均勻性，使体系能够更好的 形成固溶体，在一定程度上减轻了粒子间的团聚，达到提高产物分散性、控制产物粒径大小 的作用。3、利用本发明制备的产物同共沉淀、超声-模板等其他方法相比，制备的导电ZAO 粉体具有纯度高、颜色浅、粒径小且均一、导电性佳、无团聚现象、易于分散等优点。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。实施例1 称取Al (NO3) 3 · 9H20 0. 37g, Zn (NO3) 2 · 6H20 14. 6g,曲拉通 χ-1000. 075g。将上述 原料全部投入反应器中，加入IOOmL去离子水作为反应介质，充分搅拌至原料全部溶解；在 超声波存在的条件下，向体系中缓慢滴加水合胼29mL(密度为1. 03g/mL，折算质量为30g)， 至体系充分反应，得到溶胶态前驱物后，停止超声波的使用，将溶胶洗涤、抽滤；再将所得溶 胶置于微波反应器中，使用微波烘干的办法，得到凝胶态前驱物；再将凝胶态前驱物放入马弗炉，煅烧温度设置为700°C，煅烧2h后，自然冷却至室温，得到浅黄色导电氧化锌纳米粉 体，产物具有很好的导电性和分散性，通过透射电子显微镜观察产物的粒径约为35nm。实施例2称取Al2 (SO4) 3 · 18H20 0. 66g，ZnSO4 · 7H20 14. lg，曲拉通 χ-1001. 5g。将上述原 料全部投入反应器中，加入IOOmL去离子水作为反应介质，充分搅拌至原料全部溶解；在超 声波存在的条件下，向体系中缓慢滴加水合胼14mL(密度为1. 03g/mL，折算质量为15g)，至 体系充分反应，得到溶胶态前驱物后，停止超声波的使用，将溶胶洗涤、抽滤；再将所得溶胶 置于微波反应器中，使用微波烘干的办法，得到凝胶态前驱物；再将凝胶态前驱物放入马弗 炉，煅烧温度设为500°C，煅烧3h后，自然冷却至室温，得到浅黄色导电氧化锌纳米粉体，产 物具有很好的导电性和分散性，通过透射电子显微镜观察产物的粒径约为30nm。实施例3 称取AlCl3 ·6Η20 0. 46g, ZnCl2 13. 4g，聚乙二醇0. 075g。将上述原料全部投入反 应器中，加入IOOmL去离子水作为反应介质，充分搅拌至原料全部溶解；在超声波存在的条 件下，向体系中缓慢滴加水合胼19mL(密度为1. 03g/mL，折算质量为20g)，至体系充分反 应，得到溶胶态前驱物后，停止超声波的使用，将溶胶洗涤、抽滤；再将所得溶胶置于微波反 应器中，使用微波烘干的办法，得到凝胶态前驱物；再将凝胶态前驱物放入马弗炉，煅烧温 度设为800°C，煅烧5h后，自然冷却至室温，得到浅黄色导电氧化锌纳米粉体，产物具有很 好的导电性和分散性，通过透射电子显微镜观察产物的粒径约为45nm。实施例4称取六1(而3)3*9!1200. 37g，Zn (NO3) 2 ·6Η20 14. 6g，十二烷基苯磺酸钠 0. 075g。将 上述原料全部投入反应器中，加入IOOmL去离子水作为反应介质，充分搅拌至原料全部溶 解；在超声波存在的条件下，向体系中缓慢滴加水合胼19mL(密度为1. 03g/mL，折算质量为 20g)，至体系充分反应，得到溶胶态前驱物后，停止超声波的使用，将溶胶洗涤、抽滤；再将 所得溶胶置于微波反应器中，使用微波烘干的办法，得到凝胶态前驱物；再将凝胶态前驱物 放入马弗炉，煅烧温度设为60(TC，煅烧2h后，自然冷却至室温，得到浅黄色导电氧化锌纳 米粉体，产物具有很好的导电性和分散性，通过透射电子显微镜观察产物的粒径约为15nm。实施例5称取Al (NO3) 3 · 9H20 0. 37g，Zn (NO3) 2 · 6H20 14. 6g，十二烷基苯磺酸钠 1. 5g。将 上述原料全部投入反应器中，加入IOOmL去离子水作为反应介质，充分搅拌至原料全部溶 解；在超声波存在的条件下，向体系中缓慢滴加水合胼29mL(密度为1. 03g/mL，折算质量为 30g)，至体系充分反应，得到溶胶态前驱物后，停止超声波的使用，将溶胶洗涤、抽滤；再将 所得溶胶置于微波反应器中，使用微波烘干的办法，得到凝胶态前驱物；再将凝胶态前驱物 放入马弗炉，煅烧温度设为60(TC，煅烧5h后，自然冷却至室温，得到浅黄色导电氧化锌纳 米粉体，产物具有很好的导电性和分散性，通过透射电子显微镜观察产物的粒径约为20nm。
权利要求
一种导电氧化锌粉体的制备方法，其特征在于采用与超声波、微波相结合的溶胶-凝胶法进行制备，具体步骤为将作为锌源、铝源和分散剂的原材料投入反应器中，以水为介质，充分搅拌至原料全部溶解；在超声波存在的条件下，向体系中缓慢滴加水合肼，获得溶胶态前驱物；再将溶胶态前驱物洗涤、抽滤后转入微波反应器中，在微波环境中获得凝胶态前驱物；然后再将其转入马弗炉中煅烧；自然冷却后，即可获得导电氧化锌粉体；具体制备条件为分散剂的加入质量锌源和铝源总质量的0.5～10％；水合肼的加入质量锌源和铝源总质量的1.0-2.0倍；前驱物的煅烧温度500～800℃，煅烧时间1～5h。
2.根据权利要求1所述的导电氧化锌粉体的制备方法，其特征在于锌原子和铝原子物 质的量之比为100 2。
3.根据权利要求1所述的导电氧化锌粉体的制备方法，其特征在于锌源为硫酸锌、硝酸锌、氯化锌。
4.根据权利要求1所述的导电氧化锌粉体的制备方法，其特征在于铝源为硫酸铝、硝 酸铝、氯化铝，所述的表面活性剂为非离子表面活性剂或阴离子表面活性剂。
5.如权利要求1所述的导电氧化锌粉体的制备方法，其特在于，所述的非离子表面活 性剂为脂肪醇类、聚乙二醇类、聚乙烯醇类、醇酰胺类、烷基胺类、烷基苯酚类。
6.如权利要求1所述的导电氧化锌粉体的制备方法，其特在于，所述的阴离子表面活 性剂为羧酸盐、磷酸盐、硫酸盐、磺酸盐。
全文摘要
本发明属于无机化学技术领域，具体涉及一种导电氧化锌粉体材料的制备方法。本发明采用与超声波、微波相结合的溶胶-凝胶法进行制备，将相应的锌源、铝源和分散剂投入反应器中，以水为介质，通过超声波和微波独特作用，高效的获得掺杂均匀、性质稳定的凝胶态前驱物，再在一定的温度下煅烧后，制备出掺杂氧化铝的导电氧化锌纳米粉体。制得的粉体具有分散性好，粒径小且大小分布均匀，导电性能优良，化学稳定性高等优点，可广泛应用于抗静电地坪漆和防电晕涂料等诸多领域。
文档编号C04B35/453GK101857428SQ20101018226
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者刘金库, 施浩威, 洪丹菁, 王建栋, 罗重霄 申请人:华东理工大学