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纳米超细氧化铋的制备及其在阻燃剂方面的应用前景? 氧化铋是一种重要的功能材料,应用领域已拓展到电子功能材料、阻燃剂、催化剂、光学材料、医用复合材料、防辐射材料等方面,近年来纳米超细氧化铋的制备方法得到快速发展,但大部分技术不是制备成本高,就是工艺过程复杂,不易产业化。而高能球磨法具有操作简单、成本低、易于工业化生产、分散性好等特点。笔者重点介绍了高能球磨法制备纳米超细氧化铋的原理和应用。 1 纳米超细氧化铋的制备方法 1.1 固相法和气相法 将 Bi(NO3) · 5H2O 和 NaOH 混合均匀,加入适量的分散剂,充分研磨,再经 60 ℃ 恒温水浴,洗涤和真空干燥,即得纳米 Bi2O3 。该方法具有工艺简单、无污染或污染较少、产率高及能耗低等特点,但存在粉体结团、粒度分布不均匀和易引入杂质等问题。 在一定负压下将液态金属铋蒸发成铋蒸气,然后气相氧化成球状超细氧化铋。该方法过程简单,已工业应用,但能耗较高。 1.2 液相法 液相法包括水溶液体系和液态金属铋体系两大类。 1.2.1 沉淀法 先配成铋盐溶液,然后加入沉淀剂,生成 Bi(OH)3 或者 碱式碳酸铋 等,然后经过洗涤、干燥、焙烧等一系列后处理工艺得到块状氧化铋,再经机械碾碎得到 Bi2O3 粉体材料。尽管化学沉淀法因为表面化学的发展在氧化铋系纳米超细材料制备方面已经取得了很大进步,但粒度分布不均匀。 1.2.2 水解法 有报道用二步水解法,通过添加剂进行改性直接制备出纳米超细氧化铋微粒,粒径在 50-70nm 。该法的优点在于:第一步水解后过滤可除去硝 . 酸铋溶液可能带来的杂质金属离子。硝酸氧铋转化为氧化铋所需的 pH 降低,但多了一次过滤操作,工艺较为复杂。 1.2.3 溶胶 - 凝胶法 以铋的无机盐或金属醇盐为前驱体,经水解、洗涤、干燥、焙烧而制备纳米粉体。其显著的优点是使参与的反应物质均匀地直接接触,所获得的粉体颗粒细小、均匀,可达几纳米,粉体组成稳定且可有选择性地掺杂微量元素,元素分布的均匀性可在原子级别的微观领域得到实现,而且生产工艺及设备简单,因而受到了关注。但溶胶 - 凝胶法也同样存在着严重缺陷:①反应过程中混人的有机杂质太多,需经多次热处理才能有效除去,否则容易留下较多的碳化残余物;②整个反应过程很长,且成本较高;③该法的产量不高,很难规模化应用。 1.2.4 喷雾燃烧法 将液态金属铋喷雾成细小的液滴,用氧气或空气氧化成 Bi2O3 。目前已成功地用喷雾燃烧法制得纳米超细氧化铋。该技术具有工艺流程短、粒度细、无污染、成本低等特点,但最大问题是残留有未氧化的金属铋芯,另外对设备及工艺参数要求较高。 1.2.5 微乳法 有研究者以甲苯为油相,采用合适的 表面活性剂 ,用微乳法制得粒径为 4-5nm 的纳米 Bi2O3 。微乳法存在破乳和纳米颗粒收集问题,过程复杂难以工业化。 1.2.6 多羟基醇法 将铋盐 ( 如乙酸铋等 ) 溶于高沸点多羟基醇 ( 二甘醇 ) 中,加热分解,直接制得氧化铋。其中二甘醇既是溶剂,提供铋盐分解的场所,又可以利用其多羟基吸附在氧化铋微粒表面,从而阻止了颗粒的长大,经该法制备的纳米超细氧化铋粒径为 70-90nih 。 1.2.7 电化学牺牲阳极法 以金属铋为阳极,在氢氧化钠溶液中电解,在阴极析出超细活性金属铋粉,这种铋粉与氢氧化钠溶液反应,获得γ - Bi2O3 。这种方法存在超细纳米 Bi2O3 与大量钠离子的分离问题。 2 高能球磨法制备纳米氧化铋 高能球磨法是一种利用高能球磨机进行超细粉体加工的方法,目前已逐步在纳米粉体制备方面得到应用。高能球磨法的关键设备是高能球磨机,为对称布置有 2-4 个行星研磨罐的行星球磨机,传动电机使这些研磨罐既公转又自转,筒体可以水平、垂直或倾斜设置。在行星研磨罐内按比例配置好待磨物料和磨球,通过磨球对物料长时间的冲击、剪切,使物料分离成微细粉体。 高能球磨法可细分为机械合金化 (MechanicalAlloying) 和机械研磨 (MechanicalGrinding Ⅲ Milling)2 类。机械合金化 (MA) 系将合金组元粉末和一定比例的钢球混合,在高能球磨机中长时间研磨。在研磨过程中,复合粉组织结构不断细化并发生扩散和固态反应形成合金粉。机械研磨 (MG) 的对象是单相金属间化合物 (IntermetallicCompound , IC) 、 IC 混合物、 IC 与元素粉末的混合物、 金属氧化物 等。除了研磨对象的差别外,在 MA 中存在组分的传输,而在 MG 中化学组成一般不发生变化。 文献中利用高能球磨法制备了 3 种纳米粉体材料。文献公开了一项纳米球磨技术的发明,涉及多层次分级粉碎,使物料在双向运转中、无定向撞击中球磨,使 10 μ m 左右粒径物料经多机腔、多层次 30min 左右粉碎成 10nm 左右的粉末。这为纳米产业化生产提供新的连续化生产技术,但该技术中球磨机长时间工作,热量聚集不易散发,温度过高可能产生安全隐患等。 笔者所在研究组为避免上述问题,提出了“一种水冷却双传动行星球磨机”,并已申报国家发明专利,这成功解决了一般行星球磨机没有水冷却引起发热严重、料筒自转和公转转速不能分别调节,造成粉磨效率低的问题,完全适合纳米粉体的规模生产。并提出了一种操作简单,成本低廉,易于工业化生产的高能球磨法制备纳米氧化铋新工艺,所得产品粒径小、单分散性好、纯度高。该方法的关键在于高能球磨机的设计及球磨机工艺参数的选取。 采用水冷却双传动卧式行星球磨机,设 4 个水平布置的行星研磨罐,公转和自转各配置一台电机,采用变频调速,公转转速 100-400r/min ,自转转速 200-600r/min 。纳米氧化铋制备过程包括:①将低温氧化获得韵氧化铋颗粒与磨球按 1 : (10-50) 的比例混合加入研磨罐中,通过合理配置公转与自转的转速、调整磨球的级配等工艺参数,进行较长时间的机械研磨作用和反应;②采用水力分离方法,获得纳米氧化铋产品,较大颗粒的 Bi2O3 和金属铋则分别返回球磨和低温氧化过程。纳米氧化铋产品的平均粒径 50-80nm ,经表面处理后成为一种纳米氧化铋粉体材料。 3 纳米超细氧化铋在阻燃剂方面的应用前景 阻燃剂是用以改善材料抗燃性、阻止材料被引燃及抑制火焰传播的物质,主要用于合成高分子材料和天然高分子材料 ( 包括塑料、橡胶、纤维、木材、纸张、涂料等 ) 的阻燃。选用阻燃剂时主要考虑:用量少,阻燃效率高;使用简便,成本低廉;无毒或基本无毒,燃烧时产生的有毒和腐蚀性气体量及烟量少。 20 世纪 30 年代发现的卤系阻燃剂 ( 如氯化石蜡 ) 与氧化锑的协同阻燃效应,奠定了现代阻燃化学的基础,使氧化锑成为最重要的阻燃 ( 助 ) 剂。但锑有毒性,发烟量大,限制了其在高档产品或特定环境的应用。 按阻燃机理,当氯化物的沸点和金属元素与 Cl 形成的化学键强度都比较低时,氧化物的阻燃能力较强。在 298K 时, Sb 和 Bi 与氯与形成化学键的键能分别为 (360 ± 50) 、 (305 土 8)kJ/mol , SbCl3 和 BiCl3 的沸点分别为 506.2 、 720 K 。可见与常用的 Sb2O3 一样, Bi2O3 是一种阻燃能力较强的阻燃剂。 而铋是一种环境友好的金属,铋阻燃剂不仅能阻燃,而且有消烟作用,着火时不会产生大量有毒烟雾。在另一方面,虽然铋比锑贵,但铋的用量仅为锑的 1/6 。氧化铋正部分替代氧化锑用于阻燃剂行业。 从塑料行业众多助剂的消费量看,阻燃剂已成为仅次于增塑剂的第二大品种。目前美国、日本两国铋系阻燃剂的产量已为全球锑系阻燃剂的 1/3 ,年用铋量达 720t 。发达国家的环境保**和对高档高分子材料的防火规范将来可能禁止使用锑系阻燃剂,这意味着铋系阻燃剂具有极好的应用前景,市场潜力巨大。 纳米超细氧化铋由于其粒度细小使高分子材料具有特殊的延展性,如果采用纳米氧化铋对高分子材料进行阻燃处理,可以实现难燃性和自熄性,其阻燃性能比微米级提高 1 个数量级,尤其是纳米氧化铋粒子直径小于化纤纤维的直径,可加入到化纤原料母粒中,这样纺丝后在化纤中均匀分布阻燃材料,从而使得纤维本身具有高效阻燃性。纳米氧化铋不影响材料的机械性能,用纳米氧化铋制备的聚合物 / 层状无机物纳米复合材料既具有阻燃性能,着火时又能有效控制有毒气体的释放及大量烟雾的生成。 查看更多 0个回答 . 3人已关注
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简介
职业:上海慧得节能科技有限公司 - 设备维修
学校:西北民族大学 - 化工学院
地区:浙江省
个人简介:突然找到了我要乐观生活的意义,比如没有预兆的惊喜,比如你突如其来的关心。查看更多
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