[发明专利]一种无需氨气的碳包覆氮化铁纳米粉末的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无需氨气的碳包覆氮化铁纳米粉末的制备方法，属于纳米材料制备技术及领域。

背景技术

碳包覆磁性纳米粉末或颗粒作为一类新型的磁性纳米复合材料受到了研究者们的广泛关注。到目前为止,合成碳包覆磁性金属纳米粉末的方法包括电弧放电法、化学气相沉积法、热解法、聚能法和爆炸法等,尽管每种方法都有优缺点,但是这些方法大多需要较高的能量和复杂的实验装置,导致了繁琐的实验操作和较高的成本,因而在实际应用中受到很大限制。碳包覆氮化铁是一种在磁记录、铁磁流体、生物传感器、靶向药物载体、吸波材料等方面具有重要应用价值和潜力的磁性材料。目前公开的专利和文献中，制备氮化铁粉末或颗粒的工艺大部分都是基于传统钢铁的气体渗氮原理，即采用氨气（NH₃）或氨气（NH₃）和氢气（H₂）的混合气体来制备，存在生产时间长、氨气消耗量大、成本高以及环境污染等问题。公开号为CN102623696A的中国专利公开了一种核壳型碳包覆氮化铁纳米复合粒子制备方法与应用,其特征是在自动控制直流电弧氢等离子体设备中蒸发块体铁原料,同时通入一定比例的甲烷和氩气,得到碳包覆铁纳米粒子前驱体,置于400℃的氨气气氛下进行氮化热处理3～4h，得到碳包覆氮化铁纳米复合粒子。除此之外,下述几个国内外专利中都涉及氮化铁粉末的制备，但无一例外都采用氨气作为反应气体：“制备单相纳米ε-Fe3N或γ′-Fe4N粉体的方法和装置”（CN101920943A）、“一种超细球形氮化铁粉末的制备方法”（CN101891163A）、“纳米化、强磁场双促进法制备氮化铁材料的方法及装置”（CN101607701B）、“氮化铁系磁性粉末及其制造方法以及磁记录介质”（CN101467220A）、“激光气相合成氮化铁超细粉的方法”（CN1037427C）、“一种制备氮化铁系微粉的装置”（CN202297126U）、“Iron nitride magnetic powder and method of producing the powder”（EP 1548760 A2）。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种在磁性记录介质、铁磁流体、生物传感器、靶向药物载体、吸波材料等方面具有重要应用价值和潜力的碳包覆氮化铁纳米粉末的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无需氨气的碳包覆氮化铁纳米粉末的制备方法，步骤如下：将纳米铁粉在含氮高聚物溶液中均匀分散（纳米铁粉和含氮高聚物的配比可根据应用场合不同做相应调整，优选的是质量比为0.4～0.6:1），经水洗凝固处理后获得复合材料前驱体，然后该前驱体经过或不经过氧化处理后，在高纯氮气或氩气氛围中从室温以4～20℃/min的升温速率连续升温至500～800℃，即得碳包覆氮化铁纳米粉末,全过程不需要使用氨气。

所述纳米铁粉为市售的α-Fe相纳米铁粉，使用前需对其进行表面改性处理，以降低其表面能，避免团聚，使其在聚合物溶液中均匀分散。表面改性处理所用的表面改性剂可选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、油酸等。

所述表面改性处理的方式为：将纳米铁粉在隔绝空气的条件下加入到表面改性剂中，处理10～30min，干燥。

所述含氮高聚物溶液为聚丙烯腈溶液（其浓度或固含量为15～20％，质量百分数），主要成分是聚丙烯腈，可采用溶液聚合法制备，也可对现成的聚丙烯腈粉料在有机溶剂中溶解获得，有机溶剂可选用二甲基亚砜（DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）等。

所述采用溶液聚合法制备含氮高聚物溶液的方法为：丙烯腈98wt%和衣康酸2wt%作为共聚单体进行聚合，以偶氮二异丁腈为引发剂，DMSO为溶剂，60℃恒温24小时，聚合完成获得聚丙烯腈溶液。（该聚合方式是现有技术中已有的，参考文献[张旺玺，姜庆利，刘建军，等.聚丙烯腈与衣康酸的共聚合.山东工业大学学报,1998,28(5):401-406]）

所述纳米铁粉在含氮高聚物溶液（聚丙烯腈溶液）中均匀分散的方法可采用机械搅拌或超声分散。

所述水洗凝固处理工艺为：取均匀分散后的纳米铁粉和含氮高聚物的混合溶液，用玻璃片压膜，采用40～70℃的去离子水进行水洗凝固，经80～110℃烘干干燥后获得复合材料前驱体。

所述氧化处理的方式为：以空气为加热介质，处理温度为180～300℃，有效加热时间为40～60min。

所述高纯氮气或氩气的纯度要求为99.99％以上。