專利名稱：合金氣體可控蒸發(fā)法合成微米和納米氧化鋅纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氧化鋅微米和納米纖維的合成方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅纖維廣泛的用作為復(fù)合材料的增強(qiáng)、增韌劑，減震、抗沖及隔音材料，耐磨及防滑材料，涂料，抗靜電材料，吸波材料。在國(guó)防、電子、化工、交通等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。目前，用來(lái)大量合成微米、納米氧化鋅纖維的方法主要有兩種鋅粉機(jī)械化預(yù)氧化(氧化焙燒法)和金屬鋅粉直接氧化焙燒法。
前者是日本松下電器公司于80年代末開(kāi)發(fā)，原則工藝為先將原料鋅粉與去離子水按一定的比例混合，在沖壓或旋渦切割磨機(jī)中活化處理，然后將活化物料置于一定溫度的水中″陳化處理后使鋅粉表面形成一層致密氧化膜，鋅粉表面氧化膜太薄時(shí)得不到針狀氧化鋅晶須，這種預(yù)氧化鋅粉干燥后即作為氣化氧化的原料，它在特定設(shè)備中高溫下氣化氧化一定時(shí)間(熱處理時(shí)間與溫度有關(guān))并經(jīng)過(guò)后處理，即得到氧化鋅晶須產(chǎn)品。其中鋅粉機(jī)械化學(xué)預(yù)氧化與預(yù)氧化鋅粉的氣化氧化設(shè)備是工藝實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，松下公司又先后實(shí)現(xiàn)了焙燒氣化氧化過(guò)程的自動(dòng)控制、晶須的連續(xù)生產(chǎn)、晶須產(chǎn)品大尺寸化和非晶須氧化鋅產(chǎn)品的直接回收利用提高了產(chǎn)品產(chǎn)率，工藝制得的晶須外觀松散，密度較小，針狀氧化鋅晶須產(chǎn)率較高為初始鋅粉質(zhì)量的40％以上，較好時(shí)可達(dá)80％-86％，制得的氧化鋅纖維有不同規(guī)格，可采用分級(jí)的方法分離。不足之處是鋅粉機(jī)械化學(xué)預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，工藝條件較復(fù)雜。
后者是由西南交通大學(xué)和清華大學(xué)開(kāi)發(fā)。原則工藝為以金屬鋅粉為原料，焦炭粉為固體還原劑，兩者按比例混合在開(kāi)口電阻爐內(nèi)，高溫下經(jīng)焙燒氧化制得氧化鋅晶須。此后″研究者針對(duì)其氣氛難控制，產(chǎn)率低等缺點(diǎn)作了不少改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了氧化鋅晶須的連續(xù)生產(chǎn)。該工藝簡(jiǎn)單易行，但產(chǎn)品質(zhì)量與日本松下電器公司的產(chǎn)品存在一定差距，且產(chǎn)率偏低，生產(chǎn)難以形成規(guī)模。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述生產(chǎn)氧化鋅纖維中存在的長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)處理、工藝復(fù)雜、產(chǎn)率低、難成規(guī)模的不足。提供一種簡(jiǎn)單，快速大量可控合成高純度微米、納米氧化鋅纖維的方法。該方法無(wú)須復(fù)雜的機(jī)械化學(xué)預(yù)處理，工藝條件簡(jiǎn)單。生產(chǎn)過(guò)程快速、連續(xù)、容易形成規(guī)?；a(chǎn)。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，我們提出合金氣體可控蒸發(fā)法合成氧化鋅微米和納米纖維的方法，本發(fā)明的原理研究表明在高溫下直接氧化金屬鋅蒸氣能得到氧化鋅微米、納米纖維。其形態(tài)可以由反應(yīng)氣體中的氧氣偏壓或者金屬鋅蒸氣所控制。通常對(duì)反應(yīng)氣體中的氧氣偏壓比較難實(shí)現(xiàn)，并且使得反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜化，并延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間，不易實(shí)現(xiàn)合成過(guò)程的連續(xù)性，而金屬鋅蒸氣偏壓的控制目前也沒(méi)有好的解決方案。然而，這里我們提出的合金氣體可控蒸發(fā)方法實(shí)現(xiàn)了金屬鋅蒸氣偏壓的控制。合金氣體可控蒸發(fā)方法主要是通過(guò)高熔點(diǎn)的金屬和低熔點(diǎn)的金屬形成一定比例的金屬合金。使得低熔點(diǎn)的金屬的液化溫度提高到合金的熔化溫度，從而能夠緩慢釋放得到的蒸氣偏壓。這里的合金是一個(gè)廣泛的概念，這個(gè)方法同樣適用于非金屬的蒸氣偏壓的控制上。具體在本發(fā)明中根據(jù)銅鋅二元合金相圖(參見(jiàn)圖1)，銅鋅合金的熔點(diǎn)隨著銅成分的增加而增大，合金中的鋅蒸氣的釋放溫度也提高，并且由于和銅形成合金，其在高溫下能夠緩慢釋放，并且蒸氣偏壓可以通過(guò)合金的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。在合適的高溫下，從熔融的合金中緩慢穩(wěn)定釋放的鋅蒸氣，在空氣中聚集形成鋅微米、納米多孿晶顆粒。多孿晶顆粒在空氣中氧化并同時(shí)吸收氣氛中的鋅成分，每一個(gè)孿晶顆粒向外生長(zhǎng)形成一個(gè)獨(dú)立的針狀結(jié)構(gòu)，最后整個(gè)多孿晶顆粒發(fā)展成為多針的氧化鋅纖維結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖2，圖中顯示了多孿晶發(fā)展成為多針的纖維結(jié)構(gòu)過(guò)程)。氧化鋅纖維的尺寸可以通過(guò)形成的多孿晶顆粒的大小調(diào)節(jié)，多孿晶顆粒的大小由反應(yīng)氣氛中的鋅蒸氣偏壓控制，最終由開(kāi)始反應(yīng)物的銅鋅比例所決定。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的方案為一種合金氣體可控蒸發(fā)法合成氧化鋅微米和納米纖維的方法，該方法的步驟是(1)以銅鋅混合粉術(shù)或者直接用商業(yè)純度的黃銅塊作為反應(yīng)物原料，反應(yīng)物原料中銅含量為10wt％-95wt％；(2)將反應(yīng)物置于開(kāi)口高溫硅鉬棒程序控溫反應(yīng)爐中在1100℃-1450℃反應(yīng)溫度下，使其自己氧化熔融釋放金屬鋅蒸氣，反應(yīng)時(shí)間為5-15min；
(3)直接在氣流的下風(fēng)向和反應(yīng)物附近直接收集反應(yīng)合成的產(chǎn)物氧化鋅，所收集合成的氧化鋅微米纖維為合成的氧化鋅微米纖維，其維度在0.1μm-0.6μm，單針長(zhǎng)度1μm-3μm，所收集合成的氧化鋅納米線纖維，為合成的氧化鋅微米纖維，其維度在10-150nm，長(zhǎng)度在3-8μm。
上述反應(yīng)中，作為反應(yīng)物的銅鋅混合粉末或黃銅中銅含量比較好的為40wt％-70wt％。
上述反應(yīng)中，較好的反應(yīng)溫度為1200℃-1300℃。
上述反應(yīng)中，反應(yīng)物的遺留產(chǎn)物為低含量的黃銅可以回收再用。
本發(fā)明的有益效果是，產(chǎn)物形貌、維度可控，生產(chǎn)過(guò)程快速、簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；B續(xù)生產(chǎn)。


圖1是銅鋅合金的二元相圖。
圖2是氧化鋅多攣晶向多針狀纖維的生長(zhǎng)過(guò)程的透射電鏡圖片。
圖3是銅鋅重量比為50％的混合粉末作為反應(yīng)物合成的氧化鋅的纖維掃描電鏡圖片。
圖4是用商業(yè)級(jí)黃銅塊作為反應(yīng)物合成的氧化鋅納米纖維掃描和透射電鏡圖片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1在開(kāi)口高溫硅鉬棒程序控溫反應(yīng)爐(GWDL-1KY，洛陽(yáng)威達(dá)高溫儀器有限公司)中，在1250℃下，在空氣中將銅鋅重量比50％的銅鋅混合粉術(shù)置于反應(yīng)溫區(qū)，反應(yīng)10分鐘結(jié)束。在下風(fēng)向可以收到大量的白色絮狀產(chǎn)物。
用XRD衍射分析表明白色絮狀產(chǎn)物為晶化程度極好的氧化鋅，沒(méi)有其它銅或者氧化銅的相出現(xiàn)。用掃描電鏡(SEM)觀察所得的氧化鋅為均勻的三針或者四針狀的纖維(見(jiàn)圖3)。單針維度在100nm，長(zhǎng)度在1.5um。
實(shí)施例2在開(kāi)口高溫硅鉬棒程序控溫反應(yīng)爐中，在1250℃下，在空氣中將商業(yè)純度的黃銅塊(銅含量50wt％-65wt％)置于反應(yīng)溫區(qū)，反應(yīng)15分鐘結(jié)束。在下風(fēng)向可以收到大量的白色絮狀產(chǎn)物。
用XRD衍射分析表明白色絮狀產(chǎn)物為晶化程度極好的氧化鋅，沒(méi)有其它銅或者氧化銅的相出現(xiàn)。用掃描電鏡(SEM)(圖4a)和透射電鏡(TEM)(圖4b)觀察所得的氧化鋅為一維納米維度的線狀產(chǎn)物。氧化鋅納米線的維度從10-150nm變化，但是大多數(shù)的維度在50-100nm，維度的分布比較均勻，長(zhǎng)度在3-8um。
上述反應(yīng)物反應(yīng)后的遺留物為低含量的黃銅合金，可以直接回收利用。
權(quán)利要求
1.一種合金氣體可控蒸發(fā)法合成氧化鋅微米和納米纖維的方法，其特征是合成步驟為(1)以銅鋅混合粉末或者黃銅塊作為反應(yīng)物原料，其反應(yīng)物原料中銅含量為10wt％-95wt％；(2)將反應(yīng)物置于開(kāi)口高溫硅鉬棒程序控溫反應(yīng)爐中在1100℃-1450℃反應(yīng)溫度下，使其自己氧化熔融釋放金屬鋅蒸氣，反應(yīng)時(shí)間為5-15min；(3)在氣流的下風(fēng)向和反應(yīng)物附近直接收集反應(yīng)合成的產(chǎn)物氧化鋅，所收集合成的氧化鋅微米纖維為合成的氧化鋅微米纖維，其維度在0.1μm-0.6μm，單針長(zhǎng)度1μm-3μm，所收集合成的氧化鋅納米線纖維，為合成的氧化鋅微米纖維，其維度在10-150nm，長(zhǎng)度在3-8μm。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是用作為反應(yīng)物的銅鋅粉末或者黃銅塊中的的銅含量為40wt％-70wt％。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的反應(yīng)溫度為1200℃-1300℃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種合金氣體可控蒸發(fā)法合成氧化鋅微米、納米纖維的方法。該方法利用銅鋅混合粉末或者直接用商業(yè)純度的黃銅塊作為反應(yīng)物，在空氣中高溫下直接氧化熔融反應(yīng)物釋放的金屬鋅蒸氣。合成的氧化鋅微米纖維的維度在0.1μm－0.6μm，單針長(zhǎng)度1μm－3μm，合成的氧化鋅納米線纖維的維度在10－150nm，大多數(shù)的維度在50－100nm，長(zhǎng)度在3－8μm。
文檔編號(hào)C01G9/00GK1594098SQ20041001339
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月29日
發(fā)明者唐成春, 程春, 丁曉夏, 祁守仁 申請(qǐng)人:華中師范大學(xué)