СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНОГО ПОРОШКА ВОЛЬФРАМАТА ЦИРКОНИЯ Российский патент 2016 года по МПК C01G41/00 B82Y30/00 B82Y40/00 B22F9/16 

Описание патента на изобретение RU2598728C1

Изобретение относится к способам получения наноструктурных керамических оксидных (композиционных) порошков, которые могут быть, в частности, использованы для изготовления износостойких керамических материалов (или изделий) с нулевым коэффициентом термического линейного расширения.

Известна работа Е.С. Дедовой и др. Получение и свойства вольфрамата циркония с аномальными характеристиками. // Известия Томского политехнического университета. Химия. - 2014. - Т. 324 - №3, С. 22-25. В качестве исходных компонентов для получения прекурсора использовали: Na2WO4·2H2O (ч.д.а.), ZrOCl2-8H2O (х.ч.) и HCl (х.ч.). Гидротермальная реакция осуществлялась при температуре 160°С в течение 36 часов. Для получения монофазного порошка ZrW2O8 синтезированный прекурсор отжигали при температуре 570°С в течение 1 часа на воздухе.

Основными недостатками известного технического решения являются:

- продолжительное время старения прекурсора (до 3 недель),

- агломерация порошка.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения наноструктурного порошка вольфрамата циркония гидротермальным методом, описанный в статье: Kozy, L.С. Particle size and morphology control of the negative thermal expansion material cubic zirconium tungstate / L.C. Kozy, M.N. Tahir // J. Mater. Chem. - 2009. - V. 19. - P. 2760-2765. Гидрат гидроксида вольфрамата цирконий был подготовлен гидротермически в кислых средах. В эксперименте растворы 0,240 г ZrOCl2·H2O (0,80 ммоль) и 0,330 г Na2WO4 2H2O (1,00 ммоль) и 1,6 мл воды выливают одновременно в емкость с тефлоновым вкладышем, и образуется белый гелеобразный осадок. Подготавливают смесь из 6,1 мл концентрированной HClO4/2,98 г NaCl (0,05 моль) и 0,9 мл воды добавляют к первой смеси и перемешивают в течение нескольких минут. Конечные концентрации исходных материалов были 0,08М ZrOCl2·H2O, 0,1 M Na2WO4 2H2O, 7М HClO4 и 5М NaCl. После емкость помещают в предварительно нагретую духовку при 130°С в течение 72 ч. После охлаждения, белый осадок центрифугируют и промывают несколько раз водой.

Основным недостатком известного способа является агломерация конечного порошка.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения наноструктурного порошка вольфрамата циркония (ZrW2O8).

Техническим результатом предлагаемого способа получения наноструктурного порошка вольфрамата циркония (ZrM2O8) является отсутствие агломерации и уменьшение время старения порошка.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения наноструктурного порошка вольфрамата циркония включает синтез прекурсора (ZrW2O7(OH,Cl)2·2H2O), затем его термическое разложение, при этом для синтеза прекурсора используют смесь растворов оксихлорида циркония, натрия вольфрамовокислого и соляной кислоты в дистиллированной воде, взятых при стехиометрической соотношении элементов Zr:W=1:2, а термическое разложение прекурсора (ZrW2O7(OH,Cl)2·2H2O) проводят в воздушной атмосфере при температуре 800-900 К в течение 0.75-1.5 часа, причем скорость нагрева до указанной температуры не должна превышать 100 К/час.

Синтез прекурсора проводят в автоклаве с воздушной атмосферой при давлении 2-3 атм, температуре 400-450 К в течение 10-12 часов, затем охлаждают до комнатной температуры и подвергают прекурсор многократной промывке при комнатной температуре на воздухе с последующей сушкой при температуре 375-400 К.

Полученный наноструктурный порошок вольфрамата циркония имеет средний размер вытянутых частиц: в поперечном направлении не более 15 нм, в продольном не более 0.5 мкм

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, что синтез наноструктурного порошка вольфрамата циркония возможен несколькими способами. Наиболее предпочтительным является гидротермальный метод, позволяющий получать монофазный вольфрамат циркония при относительно низких температурах. Основными преимуществами по сравнению с другими методами «мягкой химии» являются отсутствие агломерации и уменьшение время старения порошка.

Параметры гидротермального синтеза определяют свойства конечных порошков.

Основными стадиями предлагаемого гидротермального метода являются:

- синтез прекурсора;

- термическое разложение прекурсора до соединения вольфрамата циркония.

Кислотность раствора, тип кислоты и продолжительность термической обработки играют решающую роль на морфологию порошка.

При синтезе вольфрамата циркония в условиях гидротермального синтеза в качестве исходной кислоты наиболее эффективно использовать соляную HCl кислоту, обеспечивающую наилучшую кристаллизацию порошка по сравнению с другими кислотами. Также тип кислоты обуславливает морфологию порошка. Например, морфология вольфрамата циркония, полученного с использованием HCl, представлена частицами вытянутой формы. Средний размер вытянутых частиц в поперечном направлении не превышал 15 нм, в продольном - 0.5 мкм.

Размер частиц порошка напрямую зависит от кислотности раствора: чем выше кислотность, тем меньше размер частиц прекурсора. Высокая гомогенность порошка и однородность распределения определяются продолжительностью гидротермальной реакции. Благодаря некоторой растворимости прекурсора при низком pH раствора наблюдается рекристаллизация ZrW2O7(OH)2·2H2O, которая обуславливает однородность порошка.

Гидротермальный метод позволяет понизить температуру кристаллизации вольфрамата циркония по сравнению с другими химическими методами. Монокристаллы ZrW2O8 кристаллизуются уже при 573 К.

К основным достоинствам получения вольфрамата циркония в условиях гидротермального синтеза следует отнести:

- высокую гомогенность прекурсора;

- пониженные температуры кристаллизации монокристаллов вольфрамата циркония.

Нанокристалический порошок вольфрамата циркония изготавливают по следующей рецептуре:

- оксихлорид циркония,

- натрий вольфрамовокислый 2 водный,

- соляная кислота.

Предложена следующая последовательность технологических операций. Сначала получают прекурсор (ZrW2O7(OH,Cl)2·2H2O) в условиях гидротермального метода.

Синтез прекурсора (ZrW2O7(OH,Cl)2·2H2O) проводят из стехиометрической смеси Zr:W=1:2. В качестве исходных компонентов используют растворы оксихлорида циркония и натрия вольфрамовокислого и соляной кислоты в дистиллированной воде. Водный раствор Na2WO4·2H2O в количестве 25 мл (0.5 М) смешивают с 25 мл ZrOCl2·8H2O (0.25 M), затем постепенно добавляют по 25 мл раствора соляной кислоты различной концентрации (0.4 М, 0.7 М, 1.4 М, 2.5 М).

Свежеприготовленный раствор тщательно перемешивают при комнатной температуре при нормальном атмосферном давлении.

Полученную суспензию помещают в стальной автоклав с тефлоновым вкладышем и ставят в печь для осуществления гидротермальной реакции. Нагревание производят в воздушной атмосфере при температуре 400-450 К в печи с нагревателями из хромита лантана. Продолжительность гидротермальной реакции составляет 10-12 часов.

После выключения печи стальной автоклав охлаждают до комнатной температуры. Полученный прекурсор подвергают фильтрации с помощью фильтрованной бумаги различной плотности, затем многократному промыванию дистиллированной водой и сушке при комнатной температуре на воздухе при температуре 375-400 К.

Затем синтезируют из полученного прекурсора нанокристаллический порошок вольфрамата циркония (ZrW2O8) путем термического разложения прекурсора (ZrW2O7(OH,Cl)2·2H2O). Термическое разложение прекурсора производят в воздушной атмосфере при температуре 800-900 К в печи с нагревателями из хромита лантана. Длительность изотермической выдержки 0.75-1.5 часа, скорость нагрева до температуры термического разложения не превышает 100 К/час.

На фиг. 1 и 2 представлены изображения порошков вольфрамата циркония, полученных при различных температурах термического разложения, соответственно 700 К и 900 К.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1

В качестве исходных компонентов используют растворы оксихлорида циркония и натрия вольфрамовокислого и соляной кислоты в дистиллированной воде. Водный раствор Na2WO4·2H2O в количестве 25 мл (0.5 М) смешивают с 25 мл ZrOCl2·8H2O, затем постепенно добавляют по 25 мл раствора соляной кислоты различной концентрации (0.4 М, 0.7 М, 1.4 М, 2.5 М).

Свежеприготовленный раствор в объеме 150 мл тщательно перемешивают при комнатной температуре при нормальном атмосферном давлении, при этом соблюдено стехиометрическое соотношение элементов Zr:W=1:2.

Полученную суспензию помещают в стальной автоклав с тефлоновым вкладышем и ставят в печь для осуществления гидротермальной реакции. Нагревание производят в воздушной атмосфере при давлении 2 атм, температуре 400 К в печи с нагревателями из хромита лантана. Продолжительность гидротермальной реакции составляет 12 часов. После выключения печи стальной автоклав охлаждают до комнатной температуры. Полученный прекурсор подвергают фильтрации с помощью фильтрованной бумаги различной плотности, затем многократному промыванию дистиллированной водой и сушке при комнатной температуре на воздухе при температуре 375 К.

Затем синтезируют из полученного прекурсора нанокристаллический порошок вольфрамата циркония (ZrW2O8) путем термического разложения прекурсора ZrW2O7(OH, Cl)2·2Н2О в воздушной атмосфере при температуре 900 К в печах с нагревателями из хромита лантана. Длительность изотермической выдержки 0.75 час, скорость нагрева до температуры термического разложения 100 К/час.

Пример 2

В качестве исходных компонентов используют растворы оксихлорида циркония и натрия вольфрамовокислого и соляной кислоты в дистиллированной воде. Водный раствор Na2WO4·2H2O в количестве 25 мл (0.5 М) смешивают с 25 мл ZrOCl2·8H2O (0.25 M), затем постепенно добавляют по 25 мл раствора соляной кислоты различной концентрации (0.4 М, 0.7 М, 1.4 М, 2.5 М).

Свежеприготовленный раствор в объеме 150 мл тщательно перемешивают при комнатной температуре при нормальном атмосферном давлении.

Полученную суспензию помещают в стальной автоклав с тефлоновым вкладышем и ставят в печь для осуществления гидротермальной реакции. Нагревание производят в воздушной атмосфере при давлении 3 атм и температуре 450 К в печи с нагревателями из хромита лантана. Продолжительность гидротермальной реакции составляет 10 часов.

После выключения печи стальной автоклав охлаждают до комнатной температуры. Полученный прекурсор подвергают фильтрации, затем многократному промыванию дистиллированной водой и сушке при комнатной температуре на воздухе при температуре 385 К.

Затем синтезируют из полученного прекурсора нанокристаллический порошок вольфрамата циркония (ZrW2O8) путем термического разложения прекурсора ZrW2O7(OH, Cl)2·2H2O в воздушной атмосфере при температуре 700 К в печах с нагревателями из хромита лантана. Длительность изотермической выдержки 1.5 часа, скорость нагрева до температуры термического разложения 90 К/час.

Пример 3

В качестве исходных компонентов используют растворы оксихлорида циркония и натрия вольфрамовокислого и соляной кислоты в дистиллированной воде. Водный раствор Na2WO4·2H2O в количестве 25 мл (0.5 М) смешивают с 25 мл ZrOCl2·8H2O (0.25 M), затем постепенно добавляют по 25 мл раствора соляной кислоты различной концентрации (0.4 М, 0.7 М, 1.4 М, 2.5 М).

Свежеприготовленный раствор в объеме 150 мл тщательно перемешивают при комнатной температуре при нормальном атмосферном давлении.

Полученную суспензию помещают в стальной автоклав с тефлоновым вкладышем и ставят в печь для осуществления гидротермальной реакции. Нагревание производят в воздушной атмосфере при давлении 2 атм и температуре 430 К в печи с нагревателями из хромита лантана. Продолжительность гидротермальной реакции составляет 11 часов.

После выключения печи стальной автоклав охлаждают до комнатной температуры. Полученный прекурсор подвергают фильтрации, затем многократному промыванию дистиллированной водой и сушке при комнатной температуре на воздухе при температуре 400 К.

Затем синтезируют из полученного прекурсора нанокристаллический порошок вольфрамата циркония (ZrW2O8) путем термического разложения прекурсора ZrW2O7(OH, Cl)2·2Н2О в воздушной атмосфере при температуре 800 К в печах с нагревателями из хромита лантана. Длительность изотермической выдержки 1.0 час, скорость нагрева до температуры термического разложения 95 К/час.

Полученный наноструктурный порошок вольфрамата циркония имеет средний размер вытянутых частиц в поперечном направлении не превышал 15 нм, в продольном - 0.5 мкм.

Похожие патенты RU2598728C1

название год авторы номер документа
Металлокерамический композит и способ его получения (варианты) 2016
  • Дедова Елена Сергеевна
  • Левков Руслан Викторович
  • Буякова Светлана Петровна
  • Кульков Сергей Николаевич
  • Турунтаев Игорь Владимирович
RU2640055C1
Способ получения порошка вольфрамата циркония 2016
  • Дедова Елена Сергеевна
  • Губанов Александр Иридиевич
  • Буякова Светлана Петровна
  • Кульков Сергей Николаевич
  • Петрушина Мария Юрьевна
RU2639244C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА С НУЛЕВЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ТЕРМИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ 2015
  • Кульков Сергей Николаевич
  • Буякова Светлана Петровна
  • Дедова Елена Сергеевна
  • Шадрин Владимир Сергеевич
  • Шутилова Екатерина Сергеевна
RU2592923C1
Способ получения однофазного циркона 2023
  • Меркулов Олег Владимирович
RU2819814C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ВОЛЬФРАМА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ СТРОНЦИЯ-90 ИЗ ЖИДКИХ СРЕД 2020
  • Драньков Артур Николаевич
  • Егорин Андрей Михайлович
  • Папынов Евгений Константинович
RU2747048C1
Способ получения нанокристаллического порошка на основе диоксида циркония 2022
  • Абиев Руфат Шовкет Оглы
  • Здравков Андрей Викторович
  • Кудряшова Юлия Сергеевна
  • Федоренко Надежда Юрьевна
RU2793893C1
Способ получения металлорганического каркаса на основе циркония 2022
  • Исаева Вера Ильинична
  • Вергун Вадим Вячеславович
  • Кустов Леонид Модестович
RU2784345C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА СЛОЖНОГО ОКСИДА ВИСМУТА, ЖЕЛЕЗА И ВОЛЬФРАМА СО СТРУКТУРОЙ ФАЗЫ ПИРОХЛОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОРЕАКТОРА С ИНТЕНСИВНО ЗАКРУЧЕННЫМИ ПОТОКАМИ 2022
  • Абиев Руфат Шовкет Оглы
  • Ломакин Макарий Сергеевич
  • Проскурина Ольга Венедиктовна
  • Гусаров Виктор Владимирович
RU2802703C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПСЕВДОБЕМИТА 2020
  • Кибартас Дмитрий Витаутасович
  • Сенюта Александр Сергеевич
  • Баянов Владимир Андреевич
  • Серебряков Максим Александрович
  • Князев Андрей Владимирович
  • Максимова Юлия Олеговна
RU2749511C1
Способ получения маггемита 2020
  • Каныгина Ольга Николаевна
  • Четверикова Анна Геннадьевна
  • Межуева Лариса Владимировна
  • Филяк Марина Михайловна
RU2732298C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 598 728 C1

Реферат патента 2016 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНОГО ПОРОШКА ВОЛЬФРАМАТА ЦИРКОНИЯ

Изобретение относится к получению наноструктурного порошка вольфрамата циркония ZrW2O8. Ведут синтез прекурсора ZrW2O7(OH,Cl)2·2H2O из смеси растворов оксихлорида циркония, натрия вольфрамовокислого и соляной кислоты в дистиллированной воде, взятых при стехиометрическом соотношении элементов Zr : W=1:2, затем проводят термическое разложение полученного прекурсора в воздушной атмосфере при температуре 700-900 К в течение 0,75-1,5 часа при скорости нагрева до указанной температуры не выше 100 К/час. Обеспечивается исключение агломерации и уменьшение времени старения порошка. Полученный наноструктурный порошок вольфрамата циркония имеет средний размер вытянутых частиц в поперечном направлении не более 15 нм, в продольном не более 0,5 мкм. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 598 728 C1

1. Способ получения наноструктурного порошка вольфрамата циркония, включающий синтез прекурсора ZrW2O7(OH,Cl)2·2H2O и его термическое разложение с получением порошка вольфрамата циркония, отличающийся тем, что синтез прекурсора ведут из смеси растворов оксихлорида циркония, натрия вольфрамовокислого и соляной кислоты в дистиллированной воде, взятых при стехиометрическом соотношении элементов Zr : W=1:2, а термическое разложение полученного прекурсора проводят в воздушной атмосфере при температуре 700-900 К в течение 0,75-1,5 часа при скорости нагрева до указанной температуры не выше 100 К/час.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что синтез прекурсора проводят в автоклаве с воздушной атмосферой при давлении 2-3 атм, температуре 400-450 К в течение 10-12 часов, с последующим охлаждением до комнатной температуры, многократной промывкой при комнатной температуре на воздухе и последующей сушкой при температуре 375-400 К.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученный порошок вольфрамата циркония имеет средний размер вытянутых частиц в поперечном направлении не более 15 нм, а в продольном не более 0,5 мкм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2598728C1

ДЕДОВА Е.С
и др
Получение и свойства вольфрамата циркония с аномальными тепловыми характеристиками, Известия Томского политехнического университета, 2014, т.324, N3, с.22-26
LEAH C
KOZY и др
Particle size and morphology control of the negative thermal expansion material cubic zirconium tungstate, Journal of materials chemistry, 2009, 19, с
Приспособление для торможения повозок 1924
  • Михайлов Д.Н.
SU2760A1
JP 2006044953 A, 16.02.2006
US 20050101133 A1, 12.05.2005.

RU 2 598 728 C1

Авторы

Кульков Сергей Николаевич

Буякова Светлана Петровна

Дедова Елена Сергеевна

Даты

2016-09-27Публикация

2015-07-02Подача