納米氧化釔制備工藝研究

張 杰，范佳升，王琳麗

（清遠(yuǎn)市嘉禾稀有金屬有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511517）

0 引言

氧化釔化學(xué)式Y(jié)2O3，為白色略帶黃色粉末，不溶于水和堿，溶于酸。由于氧化釔材料具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，成為激光介質(zhì)材料研究領(lǐng)域中的重要研究對(duì)象。立方相的氧化釔具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，以及在8～280 nm 波段的寬頻段內(nèi)有較高透明性；氧化釔的熔點(diǎn)高達(dá)2 430 ℃；氧化釔也可以用作制造微波用磁性材料和軍工用重要材料，也用作光學(xué)玻璃、陶瓷材料添加劑、大屏幕電視用高亮度熒光粉和其他顯像管涂料；還用于制造薄膜電容器和特種耐火材料，以及高壓水銀燈、激光、儲(chǔ)存元件等的磁泡材料。為了獲得高質(zhì)量的氧化釔納米材料，人們采用了各種不同的制備方法，比如固相反應(yīng)法、化學(xué)共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、乳液法、燃燒法等[1-3]。

水熱法具有工藝簡單、設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)，但生成的粉體易團(tuán)聚，分離困難。而多級(jí)萃取工藝常采用有機(jī)試劑作為萃取劑，采用Cyanex272 進(jìn)行三級(jí)萃取的方式，在多級(jí)萃取工藝中，首先將廢棄CRT 熒光屏機(jī)械破碎后通過一定目數(shù)篩網(wǎng)篩分，去除玻璃等雜質(zhì)，得到以熒光粉為主的粉體；接著將篩分后的熒光粉氧化酸浸處理，將熒光粉中稀土元素浸出；隨后通過多級(jí)萃取法將大部分釔和少部分銪萃取出，再通過反萃得到氯化釔溶液，調(diào)節(jié)pH 值至溶液剛好出現(xiàn)白色沉淀；將氯化釔溶液逐滴加入含有分散劑的碳酸氫銨溶液中，制得前驅(qū)體；前驅(qū)體烘干、焙燒后可制得納米氧化釔粉末；最后將納米氧化釔粉末配入含有分散劑的鍍液中制成復(fù)合電鍍液，電鍍在樹脂與碳系導(dǎo)體制成的導(dǎo)電塑料表面，其制備步驟復(fù)雜，萃取劑價(jià)格昂貴，導(dǎo)致成本較高，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

采用沉淀法的制備過程中主要存在兩種情況：一種是為了防止團(tuán)聚而加入分散劑、表面活性劑、模板劑等表面修飾劑，以促進(jìn)分散粉體的形成，這種方法不僅提高了成本，而且會(huì)對(duì)產(chǎn)品的純度造成一定的影響；另一種是采用草酸沉淀工藝，該方式是制備氧化釔粉末最常用的方法之一，采用草酸沉淀工藝方式制備過程中，需要添加草酸，草酸價(jià)格昂貴且制備結(jié)束后難以處理，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染[4-6]。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中制得的氧化釔產(chǎn)品的純度低、粒徑大以及容易造成環(huán)境污染的問題[7-9]，本文開發(fā)一種低成本、操作簡便、高效率、無污染的制備納米氧化釔的方法。

1 納米氧化釔的制備

本實(shí)驗(yàn)以高純氧化純釔為反應(yīng)原料，純水為溶劑，使用氨水調(diào)節(jié)溶液pH，選用不同的沉淀劑，研究制備納米氧化釔的工藝方法，其制備工藝步驟為：

1）溶料：用濃鹽酸在攪拌條件下緩慢溶解1.7 kg氧化純釔，溶解完全后用氨水調(diào)節(jié)料液pH 值為3.08，調(diào)好pH 后，用純水將料液濃度調(diào)節(jié)至0.9 mol/L，調(diào)好后裝入20 L 水壺中備用。

2）沉淀劑：配制不同的沉淀劑溶液12.5 L 備用，濃度為2.0 mol/L，沉淀劑分別為碳酸氫銨、草酸、草酸銨溶液。

3）進(jìn)料：用蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)好流量，料液流量為35 r/min，沉淀劑流量為32 r/min，控制90 min 內(nèi)加入完13.33 L 純釔料液和11.5 L 沉淀劑。同時(shí)用氨水調(diào)節(jié)沉淀體系pH 值，使得pH 值保持6.3±0.1（氨水流量在50 r/min 左右）。

4）沉淀反應(yīng)器中加入18 L 底水，開啟攪拌，攪拌速度為200 r/min，開啟加熱器開始加熱。底水溫度到50 ℃后，開始出現(xiàn)沉淀。

5）陳化：90 min 后停止進(jìn)料液、沉淀劑和氨水，繼續(xù)保持200 r/min 的速度攪拌30 min 進(jìn)行陳化。陳化后放出沉淀液后靜置分層，清洗反應(yīng)器，同時(shí)取1 000 mL溶液置于量筒中觀察分層現(xiàn)象。

6）抽濾：排出上清母液（上清液濃度0.00025mol/L），將下層混合液抽濾干，使用50 ℃純水洗滌2 次，抽干，抽濾后低溫烘烤12 h。

7）灼燒：陳化后，將沉淀進(jìn)行過濾、洗滌、干燥，而后轉(zhuǎn)入馬弗爐中，在780～820 ℃下灼燒4 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑和氯含量

對(duì)所制備的氧化釔粉末進(jìn)行粒徑和氯含量測試，測試結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出，以碳酸氫銨為沉淀劑制備得到的氧化釔粉末粒徑為1.256 μm，樣品粒度符合納米級(jí)別的要求；以草酸為沉淀劑制備得到的氧化釔粉末粒徑則達(dá)到6.031 μm；以草酸銨為沉淀劑制備得到的氧化釔粉末粒徑為2.185 μm，氯含量也符合要求，但是抽濾過程較難抽干，抽濾后濾餅有點(diǎn)濕，灼燒后呈顆粒狀，操作較為困難。因此，使用碳酸氫銨為沉淀劑制備的氧化釔粉末粒徑最為合適。

表1 粒徑測試結(jié)果

圖1 為以碳酸氫銨為沉淀劑制備得到的氧化釔（樣品1）在灼燒溫度為780 ℃時(shí)得到的粉體的粒徑測試分布圖。從圖1 中可以看出，樣品1 的灼燒溫度為780 ℃時(shí)，粉體的D50粒徑為3.088 μm，而灼燒溫度為820 ℃時(shí)，粉體的D50粒徑為1.256 μm，說明粉體的灼燒溫度為820 ℃更適宜。

圖1 灼燒溫度為780 ℃樣品1 的粒度分布圖

2.2 比表面積

測試樣品比表面積采用動(dòng)態(tài)固體標(biāo)樣參比法，檢測儀器型號(hào)為BSD-2000A。在體積分?jǐn)?shù)為20%的氮?dú)馕劫|(zhì)、250 ℃、30 min 吹掃條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)所制得納米氧化釔進(jìn)行比表面積測試。測試結(jié)果如圖2 及表2 所示。

圖2 納米氧化釔比表面積測試參比法脫附曲線圖

表2 比表面積測試結(jié)果

由圖2 可看出，以碳酸氫銨為沉淀劑所制得的納米氧化釔的峰面積明顯比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的峰面積要大。并且通過表2 對(duì)比數(shù)據(jù)可知，以草酸為沉淀劑所制備的氧化釔比表面積相比于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的比表面積雖然有所增大，達(dá)到23.363 6 m2/g，但是以碳酸氫銨為沉淀劑的樣品比表面積高達(dá)35.276 5 m2/g，明顯比以草酸為沉淀劑所制備的氧化釔比表面積高。另外，采用草酸沉淀工藝方式制備過程中，需要添加草酸，草酸價(jià)格昂貴且制備結(jié)束后難以處理，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。

2.3 掃描電鏡

通過掃描電鏡觀察所制備的納米氧化釔的形貌，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 中可看出，本實(shí)驗(yàn)制備的納米氧化釔粉末呈球狀，而且顆粒均勻、不黏連、分散性好。與普通的片狀或棒狀氧化釔相比，球狀的納米氧化釔具有更大的比表面積，在實(shí)際應(yīng)用上效果更好。

圖3 納米氧化釔的SEM 圖

3 結(jié)論

1）以碳酸氫銨作為沉淀劑制備得到的氧化釔符合預(yù)期納米級(jí)別材料的要求，并且在比表面積等方面顯示出更大的優(yōu)勢。

2）以碳酸氫銨作為沉淀劑制備氧化釔的方法操作簡單快捷、成本較低、不產(chǎn)生污染環(huán)境的廢液，是環(huán)境友好型制備的方法，經(jīng)濟(jì)效益高，符合當(dāng)代社會(huì)的發(fā)展要求。