草酸沉淀法制备超细氧化镧粉体研究

2021-05-13刘宜强

无机盐工业 2021年5期

卢博，刘宜强，刘欣，蒋威，吴希

（江西省钨与稀土产品质量监督检验中心，江西赣州341000）

稀土元素由于独特的4f 电子结构，被誉为新材料的宝库，素有“工业维生素”之称，其中稀土氧化物粉体是当前稀土材料开发的一个热点。颗粒大小分布是稀土氧化物粉体非常重要的性能指标，影响着稀土氧化物不同的应用范围。稀土氧化镧粉体由于具有特殊的物理化学性质，广泛应用于新型功能陶瓷材料、荧光与激光材料、电子材料、催化剂材料等［1］。目前氧化镧粉体制备方法有固相法、沉淀法、水热法、溶胶凝胶法等［2-4］传统方法，也有反向乳液法［5］、低温燃烧法［6］、二氧化碳碳化法［7］等新研究方法，其中沉淀法具有反应易控制、操作简便、工业化生产成本低等优点，较容易实现工业化生产，是目前制备稀土氧化物常用的方法，近年来借助撞击流［8］、超声波［9］等方式开展的沉淀法研究也不少。

本实验以工业生产萃取、分离及提纯过的稀土氯化镧溶液为原料，利用反沉淀法，通过调节反应温度、溶液pH、分散剂种类，有效控制反应过程和晶体生长，获得了粒度小、粒径分布窄的氧化镧超细粉体。

1 实验

1.1 试剂和仪器

原料与试剂：氯化镧（工业产纯溶液）、无水乙醇（AR，西陇科学）、聚乙二醇 PEG2000（AR，西陇科学）、六偏磷酸钠（AR，国药集团）、氨水（AR，西陇科学）、草酸（AR，西陇科学）。

仪器：PHS-3C 型 pH 计、SCQ-双频超声分散仪、SX2-410 型马弗炉、BT-300 型蠕动泵、JB-2A 型恒温磁力搅拌器、HELOS/RODOS 型激光粒度分析仪、MIRA3 型扫描电镜、X′pert Powder 型 XRD 衍射仪。

1.2 实验方法

将室温下La3+浓度为0.6 mol/L 的氯化镧溶液，用蠕动泵以一定的速率滴加到恒温搅拌的0.4 mol/L草酸溶液中，加入分散剂，沉淀反应后继续搅拌并陈化一定时间，沉淀经过滤、多次纯水和无水乙醇洗涤、超声分散处理，于100 ℃烘干后移至马弗炉中，在一定温度下焙烧2 h 即得超细稀土氧化镧粉体。

1.3 分析方法

用激光粒度分析仪测试产品粒度分布，用X 射线衍射仪和扫描电镜分析产品晶型和形貌。

2 实验和结论

2.1 无分散剂时焙烧温度对La2O3 粉体粒径分布的影响

图1 不同焙烧温度对氧化镧粉体粒度分布影响Fig.1 Influence of different roasting temperatures on particle size distribution of lanthanum oxide powder

采用草酸反沉淀法制备微米氧化镧，在不添加分散剂的条件下，分别采用焙烧温度600、750、900 ℃焙烧 2 h，结果见图1。由图1 可见，随着焙烧温度的升高，La2O3粉体的粒径分布（D50）先减小后增大，750 ℃下制备的 La2O3粉体 D50=5.75 μm，由于焙烧温度提高，氧化镧晶粒会进一步长大和团聚，不利于超细氧化镧的制备，而焙烧温度太低，制备的La2O3纯度不高，XRD 表征显示杂质峰较多。草酸镧热分解实验研究［10］也表明焙烧温度低于700 ℃，草酸镧不能完全转化为氧化镧。因此，要获得粒度小、分散性较好的稀土氧化镧粉体应选择750 ℃的焙烧温度。

2.2 分散剂对La2O3 粉体粒径分布的影响

加入分散剂可以吸附在沉淀物颗粒表面，理论上形成空间位阻层，可减少结晶颗粒间的接触，进而减少颗粒间的团聚，达到分散沉淀颗粒的目的。采用草酸反沉淀法，考察了质量分数均为1%的分散剂对制备稀土氧化镧物性的影响，结果见图2。从图2可见，在酸性条件下，750℃焙烧2 h，采用PEG2000作为分散剂制备的氧化镧粉体D50=1.96 μm，粒径分布宽度更窄，粒径更均匀，其次是六偏磷酸钠，乙醇作分散剂最差。

图2 不同分散剂对氧化镧粉体粒度分布影响Fig.2 Influence of different dispersants on particle size distribution of lanthanum oxide powder

2.3 pH 对La2O3 粉体粒径分布的影响

采用草酸反沉淀法，以PEG2000 作为分散剂，用氨水调节溶液的pH，分别在中性、碱性和酸性环境下，考察了pH 对氧化镧粉体粒径分布的影响，结果见图3。由图3 可见，随着pH 的降低，氧化镧的粒径分布宽度更窄（R=1.17），粒径更均匀。实验条件下，即 pH 为 0.5～1.0 时，La3+浓度为 0.6 mol/L，H2C2O4浓度为0.4 mol/L，加入质量分数为0.1%的PEG2000分散剂，750 ℃焙烧 2 h 的氧化镧 D50=1.35 μm，分散性良好，粒度分布均匀。