[发明专利]一种纳米钴粉的制备工艺

说明书

本发明公开了一种纳米钴粉的制备工艺。包括如下步骤：将还原剂加入到钴盐溶液中，预制钴粉晶种溶液；向预制钴粉晶种溶液内吹入氮氢混合气，得到含有纳米钴粉的还原母液；分离处理还原母液，收集纳米钴粉。本发明克服了传统液相氢还原反应必须在高温高压下反应的缺点，制备的纳米钴粉为球形颗粒，单个颗粒粒度在300～700nm之间，粒度均一，具有良好的分散性和流动性，可广泛用于制备各种超细硬质合金工具。

技术领域

本发明涉及一种纳米钴粉的制备工艺。

背景技术

钴是一种拥有高硬度、高熔点、耐腐蚀和较强磁性的两性金属，被称为“工业的维生素”，被广泛用于制造硬质合金、金刚石工具、磁性材料、新能源电池、高温合金等领域，同时也是生产催化剂、陶瓷材料、火箭燃料等产品的重要原料。

钴粉大部分需求来自于硬质合金领域。作为最优良的粘结相金属，钴粉的粒度、流动性、氧含量等理化性能直接影响着硬质合金的产品质量和使用寿命。超细硬质合金的强度和硬度能高度和谐统一，其使用寿命也比普通硬质合金提高2～4倍。但超细硬质合金对钴粉的粒度提出了更高的要求，据相关报道，当钴粉的费氏粒度小于800nm时，硬质合金才能有更好的使用性能。而如何制备得到纳米钴粉则是一项具有挑战性的工作。

氢还原是制备钴粉的传统方法，粉末层厚度和氢气湿度会对钴粉的形成和长大产生明显的影响。由于底层粉末水汽形成过多，很难及时转移，因此，采用氢还原制备的钴粉粒度一般为1～3μm。朱治军等在“过程控制对氢还原法生产钴粉性质的影响”中综合研究了还原温度、推舟速度、氢气流量和装舟量对钴粉费氏粒度的影响，在400～600℃、10～20min/次、14～18m³/h和1.0～1.8kg/舟的还原条件下，可得到费氏粒度1.20～2.20μm的钴粉。

比利时优美科在“Manufacture of base metal nanoparticles using a seedparticle method”中加入铂、钯、铱、钌等贵金属催化剂高温分解钴醇盐，制备粒度100nm钴粉。考虑到产业化条件下的生产成本，这种方法是极难实施的。

高压氢还原以硫酸钴为原料，在高压反应釜内进行液相氢还原实验，得到纳米钴粉。反应条件通常为150～200℃、3～5MPa，该法对实验设备要求高，前期设备投入大。采用水合肼等强还原剂直接制备纳米钴粉可以大幅优化工艺条件。该法在常压、低于100℃反应条件下即可完成，反应速度快；缺点是钴粉收率低，氧含量偏高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种纳米钴粉的制备工艺，其采用如下步骤，

(a)用钴原料制成钴盐溶液，向钴盐溶液中添加还原剂，进行预反应，形成预制钴粉晶种溶液；所形成的预制钴粉晶种溶液呈半透明状；

(b)向预制钴粉晶种溶液内吹入氮氢混合气，进行液相氢还原反应，得到含有纳米钴粉的还原母液；

(c)对还原母液进行分离处理，收集纳米钴粉。

其中的钴原料优选采用氧化钴、氢氧化钴、氯化钴、硫酸钴、草酸钴和碳酸钴中的至少一种。步骤(b)中，液相氢还原反应的设备为搅拌反应釜、流化床反应器或超重力反应器。步骤(c)中，收集纳米钴粉时，是在二氧化碳的气氛下干燥分装。

本申请中，为了降低钴粉的粒度，在生产过程中，首先，利用还原剂与钴盐进行预反应，该预反应为还原反应，生成含有大量晶种的溶液，晶种是由少量钴原子所形成的极细小的微晶粒子。然后，再利用氢气在液相中继续进行还原反应，使所产生的钴原子以已有的晶种为基础继续生产，并结合控制相应的反应温度和反应时间，使所产生钴粉的费氏粒度在300-700nm之间，且含氧量保持在0.5-0.7wt％。

本发明首先预制钴粉晶种溶液，使后续氢还原反应产生钴原子以已有钴粉晶种为基础继续生长，大幅降低氢还原反应的活化能，优化反应条件；在产业化量产后，前期生产设备投入小，安全生产指数高。