一种纳米二氧化铈抛光液（粉）的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米二氧化铈抛光液(粉)的制备方法，属于无机粉体材料制备技术领域。

背景技术

我国稀土矿储备量居世界第一，其中轻稀土铈元素的储量较高。我国生产的二氧化铈产品主要出口销往日本、欧洲等国家。我国是日本国内市场二氧化铈原料的最大供应国，日本进口的二氧化铈中约有78％是从我国进口。纳米二氧化铈可用于高端光学玻璃抛光液，但是由于国内技术还不成熟，现有技术制备的抛光液抛光性能不高，在高端铈基抛光液(粉)领域我国仍主要依赖于从日本进口纳米二氧化铈抛光液成品。

粒径和形貌可控的纳米二氧化铈粉体的制备工艺已有较多研究。申请人之前也研发过一种粒径形貌可控大比表面积二氧化铈粉体的绿色制备方法(CN201910249277.0)，通过调配制备沉淀剂的混合溶剂的比例、稀土料液的浓度控制二氧化铈的形貌和粒径，制备过程利用温室气体二氧化碳作为原料制备沉淀剂，不使用任何酸碱，混合溶剂可循环利用，该方法节能、绿色、环保，其制备的纳米二氧化铈粉体可用于催化剂载体和抛光粉、汽车尾气净化等。但是当将纳米二氧化铈粉体制备成抛光液时，二氧化铈颗粒在溶剂中极易沉降并发生团聚，不能形成高分散性的纳米二氧化铈悬浮液，极大的影响其抛光性能，因此开发高分散性纳米二氧化铈抛光液(粉)的制备技术也非常重要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种纳米二氧化铈抛光液(粉)的制备方法，本发明利用聚乙烯吡咯烷酮分散剂和醇类溶剂，与湿法球磨相结合的简便方法得到抛光液，进一步喷雾干燥后得到适合运输的抛光粉。本发明解决了制备纳米二氧化铈抛光液(粉)时二氧化铈颗粒在溶剂中易沉降和团聚的问题，制备出分散性好，长时间不沉降的纳米二氧化铈抛光液(粉)。本发明具有制备方法简单，成本低，稳定性高，抛光性能好等优点。

本发明的技术方案：一种纳米二氧化铈抛光液的制备方法，其特征是，将纳米二氧化铈粉体与醇类溶剂混合，再加入聚乙烯吡咯烷酮分散剂，混合均匀后球磨，球磨后分离液体得到纳米二氧化铈悬浊液；再用去离子水稀释得到纳米二氧化铈抛光液。

优选的，所用聚乙烯吡咯烷酮为：PVPK30、PVPK60、PVPK90中一种。

优选的，所用醇类溶剂为：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种。

优选的，纳米二氧化铈粉体与醇类溶剂的质量比为1：5-100，聚乙烯吡咯烷酮加入量为总物料质量的1-15％，球磨时间300-720min，球磨转速300±50r/min。

优选的，用于稀释纳米二氧化铈悬浊液的去离子水加入量为：稀释后的悬浊液中二氧化铈质量百分数达到1-10％为准。

此外，考虑到抛光粉相比抛光液更易于存放或运输，我们还开发了一种纳米二氧化铈抛光粉的制备方法。

本发明的技术方案是：一种纳米二氧化铈抛光粉的制备方法，其特征是，取上述方法制备的抛光液，在温度为80-120℃下喷雾干燥，得到纳米二氧化铈抛光粉。

本发明的有益效果是：

1)抛光液分散性好、悬浮性好且抛光性能好

首先，与原料纳米二氧化铈颗粒相比，本发明制备的纳米二氧化铈抛光液分散性更好，团聚粒径D

其次，使用本发明制备的纳米二氧化铈抛光液放置120h后基本不沉降。

最重要的是，使用本发明制备的纳米二氧化铈抛光液的抛光性能(Ra＝25.207nm)明显好于不添加聚乙烯吡咯烷酮分散剂的对比例1(Ra＝354.446nm)和采用水作为溶剂的对比例2(Ra＝212.971nm)制备的纳米二氧化铈抛光液。

2)使用聚乙烯吡咯烷酮分散剂明显好于其他分散剂制备的抛光液

与原料纳米二氧化铈颗粒的团聚粒径D

将抛光液放置1h后，使用聚乙烯吡咯烷酮为分散剂制备的纳米二氧化铈抛光液悬浮性好，使用其它分散剂制备的抛光液都完全沉降。

3)喷雾干燥方式提高抛光性能

相比普通加热干燥方式，本发明采用喷雾干燥制备的抛光粉明显具有更好的分散性和悬浮性。最重要的是，喷雾干燥制备抛光粉的抛光性能(Ra＝3.28nm)明显好于普通干燥方法制备的抛光粉性能(Ra＝73.5nm)。

附图说明

图1是实施例1所制备的纳米二氧化铈抛光液及原料纳米二氧化铈颗粒的激光粒度图；其中，A图为实施例1所制备的纳米二氧化铈抛光液，B图为原料纳米二氧化铈颗粒；

图2是实施例1所制备的纳米二氧化铈抛光液中纳米二氧化铈颗粒及原料纳米二氧化铈颗粒的扫描电镜图；其中，A图为实施例1所制备的纳米二氧化铈抛光液中纳米二氧化铈颗粒，B图为原料纳米二氧化铈颗粒；

图3是实施例1制备的纳米二氧化铈抛光液放置1h、120h的图片；其中，A图为放置1h图片，B图为放置120h的图片；

图4是实施例1制备的纳米二氧化铈抛光液对石英玻璃抛光后的原子力显微镜图片；

图5是实施例2制备的纳米二氧化铈抛光液初始及放置120h的图片；其中，A图为初始图片，B图为放置120h的图片；

图6是实施例2制备的纳米二氧化铈抛光液对石英玻璃抛光后的原子力显微镜图片；

图7是对比例1中制备的纳米二氧化铈抛光液放置1h、120h的图片；其中，A图为放置1h图片，B图为放置120h的图片；

图8是对比例1制备的纳米二氧化铈抛光液对石英玻璃抛光后的原子力显微镜图片；

图9是对比例2中制备的纳米二氧化铈抛光液放置1h、120h的图片；其中，A图为放置1h图片，B图为放置120h的图片；

图10是对比例2制备的纳米二氧化铈抛光液对石英玻璃抛光后的原子力显微镜图片；

图11是对比例3制备的纳米二氧化铈抛光液初始及放置48h的图片；其中，A图为初始图片，B图为放置48h的图片；

图12是对比例3制备的纳米二氧化铈抛光液对石英玻璃抛光后的原子力显微镜图片；

图13是使用不同分散剂制备的纳米二氧化铈抛光液初始图片；其中，a聚乙烯吡咯烷酮；b十二烷基苯磺酸钠；c十六烷基三甲基溴化铵；d聚乙烯醇；e六偏磷酸钠；

图14是使用不同分散剂制备的纳米二氧化铈抛光液放置1h的图片；其中，a聚乙烯吡咯烷酮；b十二烷基苯磺酸钠；c十六烷基三甲基溴化铵；d聚乙烯醇；e六偏磷酸钠。

具体实施方式

以下结合实施例来说明其效果，本发明实施例所用的球磨机型号为MITR-QM-QX球磨机(米淇科技)，采用氧化锆球为球磨介质，料球比为2：1。

一、纳米二氧化铈抛光液

实施例1

取1.0kg纳米二氧化铈与30.0L甲醇混合，取聚乙烯吡咯烷酮(K30)1.24kg(总物料5％)放入球磨罐，球磨时间700min，球磨转速300r/min，球磨后分离球与液体，得到分散性良好的纳米二氧化铈悬浮液。然后取悬浮液10.0kg加入去离子水4.0L稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。

对比例1(不添加聚乙烯吡咯烷酮分散剂)：

取1.0kg纳米二氧化铈与30.0L甲醇混合放入球磨罐，球磨时间700min，球磨转速300r/min，球磨后分离球与液体，得到二氧化铈悬浊液。然后取溶液10.0kg加入去离子水4.0L稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％。

对比例2(使用水代替醇类溶剂)：

取1.0kg纳米二氧化铈与30.0L水混合，取聚乙烯吡咯烷酮(K30)1.24kg(总物料5％)放入球磨罐，球磨时间700min，球磨转速300r/min，球磨后分离球与液体，得到二氧化铈悬浊液。然后取溶液10.0kg加入去离子水4.0L稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％。

本发明实施例1制备的纳米二氧化铈抛光液的激光粒度图如图1A所示，与原料纳米二氧化铈颗粒(图1B)相比，本发明制备的纳米二氧化铈抛光液(图1A)分散性更好，团聚粒径D

实施例1制备的纳米二氧化铈抛光液放置1h、120h的图片如图3所示，可以看出：使用本发明制备的纳米二氧化铈抛光液放置120h后基本不沉降。而无论对比例1(图7)还是对比例2(图9)制备的纳米二氧化铈抛光液放置120h后都发生了沉降。

实施例1中石英玻璃抛光后的原子力显微镜图片如图4所示。从图4可以看出：使用上述纳米二氧化铈抛光液对石英玻璃表面进行抛光，抛光垫(转速100r/min)抛光1h后，其Ra＝25.207nm，明显好于对比例l(Ra＝354.446nm，图8)和对比例2(Ra＝212.971nm，图10)制备的纳米二氧化铈抛光液。

本发明还给出了分别用十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯醇和六偏磷酸钠代替聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂(其它成分、步骤与实施例1相同)制备的纳米二氧化铈抛光液的激光粒度对比数据，如下表1所示。

表1加入不同分散剂制备的纳米二氧化铈抛光液激光粒度对比

如表1所示，与使用不同分散剂制备的纳米二氧化铈抛光液的粒度对比，可以明显看出：与原料纳米二氧化铈颗粒的团聚粒径D50(10μm)相比，使用聚乙烯吡咯烷酮时团聚粒径D50减小到0.072μm，分散效果显著，而使用其它分散剂时团聚粒径并没有显著的减小。图13和图14为使用不同分散剂制备抛光液的初始和放置1h的沉降实验图片，从沉降图可以看出：抛光液放置1h后使用聚乙烯吡咯烷酮为分散剂制备的纳米二氧化铈抛光液悬浮性最好(a)，使用其它分散剂制备的抛光液都完全沉降。因此可以看出：本发明的聚乙烯吡咯烷酮不能被其他分散剂所代替。

二、纳米二氧化铈抛光粉的制备

实施例2

取1.0L实施例1制备的纳米二氧化铈抛光液，将抛光液在80℃下喷雾干燥得到纳米二氧化铈抛光粉。重新加入去离子水稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。

对比例3(烘箱干燥)

取1.0L实施例1制备的纳米二氧化铈抛光液在温度为80℃下普通烘箱干燥得到纳米二氧化铈抛光粉。重新加入去离子水稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。

图5给出了使用该抛光粉重新制备的纳米二氧化铈抛光液初始图片和放置120h的图片，从图中可以看出：使用本发明制备的纳米二氧化铈抛光液放置120h后基本不沉降，其分散性和悬浮性明显好于对比例3(图11)。最重要的是，实施例2喷雾干燥制备抛光粉的抛光性能(Ra＝3.28nm，图6)明显好于普通干燥方法制备的抛光粉的性能(Ra＝73.5nm，图12)。

实施例3

取1.0kg纳米二氧化铈与30.0L甲醇混合，取聚乙烯吡咯烷酮(K30)1.5kg放入球磨罐，球磨时间600min，球磨转速300r/min，球磨后分离球与液体，得到分散性良好的纳米二氧化铈悬浮液。然后取悬浮液10.0kg加入去离子水4.0L稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。

取1.0L实施例3制备的纳米二氧化铈抛光液，将抛光液在85℃下喷雾干燥得到纳米二氧化铈抛光粉。重新加入去离子水稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。

实施例4

取1.0kg纳米二氧化铈与30.0L甲醇混合，取聚乙烯吡咯烷酮(K30)1.0kg放入球磨罐，球磨时间720min，球磨转速300r/min，球磨后分离球与液体，得到分散性良好的纳米二氧化铈悬浮液。然后取悬浮液10.0kg加入去离子水4.0L稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。

取1.0L实施例4制备的纳米二氧化铈抛光液，将抛光液在90℃下喷雾干燥得到纳米二氧化铈抛光粉。重新加入去离子水稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。

实施例5

取1.0kg纳米二氧化铈与30.0L甲醇混合，取聚乙烯吡咯烷酮(K60)1.24kg放入球磨罐，球磨时间700min，球磨转速300r/min，球磨后分离球与液体，得到分散性良好的纳米二氧化铈悬浮液。然后取悬浮液10.0kg加入去离子水4.0L稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。

取1.0L实施例5制备的纳米二氧化铈抛光液，将抛光液在85℃下喷雾干燥得到纳米二氧化铈抛光粉。重新加入去离子水稀释至二氧化铈的质量分数为2.75％，得到纳米二氧化铈抛光液。