[发明专利]液相化学还原法制备包覆有分散稳定剂的铝纳米粒子的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属铝纳米材料的制备，涉及液相化学还原法制备包覆有分散稳定剂的铝纳米粒子的方法。制得的铝纳米粒子适用于火箭推进剂、火炸药和太阳能背板，以及其它高技术领域中。

背景技术

与传统的含能材料相比，铝纳米粒子（以下简称为AlNPs）由于其能量密度大、耗氧量低、反应活性高，以及具有更好的抗凝聚性能和点火性能、能提高推进剂燃烧稳定性、降低燃速压强指数等优点，使其成为独特的火箭推进剂和火炸药配方；铝颗粒越小，熔点越低，越易于在一定温度下和硅基材料形成硅铝复合层，更有利于铝背场的形成，并改善太阳能电池的输出特性，因而铝纳米粒子对于太阳能电池板铝背场的制作具有极其重要。此外，用纳米铝粒子替代贵金属粉末制备性能优越的电子浆料，可大大降低成本，并促进微电子工艺的优化；利用纳米铝粒子高能量状态和较低温度下强的烧结能力，可制备性能优越的烧结添加剂，改善高导热陶瓷的烧结工艺，提高烧结体密度和导热率等；金属铝纳米粒子掺杂氘代聚苯乙烯或聚乙烯纤维，有望用作Z箍缩丝阵材料。

现有技术中，制备AlNPs的方法主要包括：机械合金法、气相冷凝法和液相化学法。机械合金法采用高能球磨有利于实现量产，但易引入杂质，且颗粒形状均匀性差（如含片状等）。气相冷凝法通过电爆炸、激光感应、等离子体或电子束辐射等加热方式实现原子蒸发，在惰性气氛中冷凝沉积，所得产品纯度高、结晶组织好，但设备要求高，或者存在容易受加热源污染、产量小、粒度难以控制等不足。液相化学法是在溶剂体系中，将铝烷类前驱体加热分解，或者将铝盐还原实现AlNPs的合成；该方法对实验设备要求不高，有利于控制体系组分，并实现实验室化学合成，但存在的缺点是制备过程中产物易被氧化，易发生团聚，以及容易包覆副产物杂质等。目前采用液相化学法制备AlNPs的实验研究仅有少量的文献报道，为了实现对AlNPs的保护，通常采用氟化羧酸表面钝化或者聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙酸甲酯等）包覆的方法，但存在颗粒粒径太大和分散性不佳等缺点。综上所述，现有技术的制备方法主要存在：纳米铝粒子极易被氧化、吸湿和团聚，或者成本较高等一些问题，非常有必要积极开展纳米铝粒子的制备技术及表面改性与修饰技术研究。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供液相化学还原法制备包覆有分散稳定剂的铝纳米粒子的方法，从而提供一种尺寸均匀、分散性较好、且具有一定活性的铝纳米粒子的制备方法。

本发明的内容是：液相化学还原法制备包覆有分散稳定剂的铝纳米粒子的方法，其特征是包括下列步骤：

a、均三甲苯的纯化：在分液漏斗中，用浓硫酸（一般采用质量百分比浓度为95%～98%硫酸水溶液）将市售均三甲苯洗涤至无色透明，再依次用蒸馏水、质量百分比浓度为1～10%的NaOH水溶液、蒸馏水洗涤至中性，再用CaH₂干燥，然后经蒸馏即制得纯净的均三甲苯，加入干燥剂活化的4A分子筛（较好的是经450～600℃处理4～6小时的活化4A分子筛），放入干燥器中备用；

b、氯化铝在均三甲苯中的分散：按纯净的均三甲苯: 氯化铝为50～200:1 的质量比取纯净的均三甲苯和氯化铝，在无水无氧条件下，将纯净的均三甲苯加入到干燥（即无水）的反应器中，抽排除去反应器中的空气，再加入氯化铝，升温至75～90℃，磁力搅拌下，使氯化铝分散在均三甲苯中；

c、还原反应：

按氯化铝:氢化铝锂:分散稳定剂为1～2.5:0.5～1:0.5～1的质量比例取氯化铝、氢化铝锂、分散稳定剂；

所述分散稳定剂是聚乙二醇（即PEG）或聚乙二醇二甲醚（即NHD）；

在通氮气的条件下，依次向步骤b所述的反应器中加入分散稳定剂聚乙二醇或聚乙二醇二甲醚和氢化铝锂，在164～166℃的温度，剧烈搅拌反应12～24h后，停止加热，搅拌下自然冷却，制得包覆有分散稳定剂的铝纳米粒子的反应产物；其反应式如下：

d、纯化制备包覆有分散稳定剂的铝纳米粒子：在搅拌下，将步骤c所得包覆有分散稳定剂的铝纳米粒子的反应产物经离心分离后，弃去上层清液，放入真空干燥箱中除去剩余的均三甲苯溶剂，得到粗产物；再用低温甲醇作为溶剂洗涤粗产物，再经超声洗涤（可以是1～5分钟）、离心分离、弃去上层清液，所得下层物料经真空干燥，即制得包覆有分散稳定剂的铝纳米粒子产物。

本发明的内容中：步骤c所述分散稳定剂的加入量与还原反应生成的Al的理论质量的质量比较好的为1﹕1（附近）。