季晓玲* 翟丽莉 王珍 鲍慧
（大连斯诺化学新材料科学技术有限公司，辽宁 大连 116023 ）
摘要：将浓氨水加入冰浴冷却的过饱和硝酸钇溶液中，会迅速生成透明溶胶，将此溶胶置于电渗析仪中以除去杂质离子，再超声后即得稳定透明的钇溶胶；经测胶粒大小为2nm，可稳定存在至少12个月，并用XRF和TEM对其进行了表征，同时对钇溶胶的其它性能指标也做了相应测试。
关键词：钇溶胶；制备；表征
Prepared and characterized stably transparent yttrium sol
JI Xiao-ling*, ZHAI Li-li , WANG Zhen，BAO Hui
(Snowchemical S&T Co., Ltd. , Liaoning Dalian 116023 , China )
Abstract: Added stronger ammonia water in supersaturated solution of yttrium nitrate which had cooled in ice water.We could quickly get transparent sol , then put the generated sol in electrodialyzer in order to remove ions. After that we dealt the sol with ultrasonic wave then we obtained stable yttrium sol. Through detected on particle-size analysis apparatus, the particle size of yttrium sol was 2 nanometers. The yttrium sol can stabilize at least twelve months. We used XRF and TEM to character the sol. In addition we measured other properties of yttrium sol.
Keywords: yttrium sol, prepare, characterize
1 前 言
钇溶胶是纳米氧化钇胶粒在水中的均匀分散液，钇溶胶主要用于钛及钛合金熔膜铸造、BN基复合型壳熔膜铸造中的粘结剂 [1，2]，它可以赋予材料一些特殊的使用性能，如可提高铸造部件的耐高温、抗氧化、抗腐蚀性能等，而且由于氧化钇的化学惰性，使它不与基材及其它材料发生反应，基于此钇溶胶的应用也越来越广泛，如制造特种纤维材料、制造ZTA材料冲压模具等[3，4]，但可以稳定存在的钇溶胶的制备方法现未见报道，钇溶胶在制备过程中的稳定性普遍较差，一般在24小时内凝胶，有的在制备后几分钟内即凝胶。
溶胶通常由金属醇盐水解制备，但由于钇的金属醇盐价格昂贵，一般都采用钇的氧化物或无机盐来制备，本文以硝酸钇和氨水为原料制备钇溶胶，该制备方法操作简单，且所制备的钇溶胶稳定透明，同时测定了其基本参数。
2 实验部分
2.1主要试剂
硝酸钇（分析纯）；氨水（分析纯）；氢氧化钠（分析纯）；三乙醇胺（分析纯）；去离子水 ；表面处理剂A（硬脂酸类表面活性剂）
2.2实验仪器
电渗析仪（小型订制）；JY98-III超声波细胞粉碎机（上海新芝生物技术研究所）；透射电镜（TECNA1G2 20S-TWIN荷兰飞利浦公司）；KEM型比重计（上海图新电子科技有限公司）；Magi X型X光荧光分析仪（简称XRF，荷兰PANalytical公司）；NDJ-9S数显粘度计（上海天平仪器厂）；pHS—3C型实验室pH计（上海雷磁仪器厂）
2.3实验过程
（1）取一定量的硝酸钇配成过饱和溶液，加入一定量的表面处理剂A并混合均匀，将此溶液置于冰浴中；
（2）按硝酸钇：氨水=1：3的摩尔比将浓氨水在搅拌下加入到（1）中，迅速生成透明溶胶，再向其中加入一定量的去离子水；
（3）将上述得到的透明溶胶迅速放入到电渗析仪中除去离子，然后在超声仪上超声1000w*3s*4次即制得了透明稳定的钇溶胶。
3、结果与讨论
3.1实验原理
根据Gibbs 和Kelven公式导出的方程：J=A. exp[-16πσ3V2/3K3T3(lnc /c*)2] 其中：
J：成核速度 σ：界面张力 V：分子体积 c /c*：过饱和度 T：温度
由上式可知，溶胶在形成过程中，成核速度与温度、过饱和度和界面张力所决定，当体系刚好饱和时（即c/c*=1时）,ln(c/c*）=0，则成核过程所需能量无穷大，但只要ln( c/c*)≥0（即任意的过饱和溶液），成核就能自发进行，所以选择硝酸钇的过饱和溶液进行反应，同时要使瞬间生成的胶粒不聚集，还需加入一种胶体保护剂以防止新生成的胶粒马上聚集沉淀。
采用在低温下将碱液加入到硝酸钇过饱和溶液中，使它们反应瞬间即可完成，爆发式成核，在低温下的这种爆发式成核可以使生成的胶粒更小且均匀，另外碱与硝酸钇反应完之后体系中还存在大量的NH4+（或Na+）和NO3-离子，众所周之，当溶胶中存在一定量的离子时，离子吸附在胶粒表面使胶粒之间带相同电荷排斥而使溶胶可以稳定存在，但当溶胶中含有的离子过多时，离子就会进入双电层内部而使胶粒电位降低迅速聚集而使溶胶沉淀，甚至使新制备的溶胶在很短时间内就沉淀[5]，这就是现有钇溶胶稳定性普遍较差的主要原因，本文中将新制备的钇溶胶迅速放入电渗析仪中将反应产生的大量的NH4+（或Na+）和NO3-离子除去，使得制备的钇溶胶可以在常温下稳定存在，而未经除离子的溶胶在几分钟内即聚集沉淀。
3.2 碱的选择
从表1可以看出，硝酸钇溶液与强碱反应时，很容易使生成的粒子过大而直接变成沉淀，而与弱碱氨水反应的效果很好，所以采用硝酸钇与氨水反应来制备钇溶胶。
3.3表面处理剂A的加入量
下图中表面处理剂的加入量为硝酸钇质量的1‰、2‰、3‰、4‰，实验过程均按2.3进行，从图1中可以看出，当表面处理剂A的加入量超过3‰后对所得溶胶的粒径无影响了，所以在进行反应时，表面处理剂A的加入量为3‰即可。
3.4 钇溶胶固体分XRF分析数据及钇溶胶的形貌
XRF是一项非破坏性的定性、定量分析技术，钇溶胶样品是在室温下干燥后进行测试的，表2为钇溶胶固体分XRF分析数据，经测定Y2O3含量为99.99%，证明所制备的样品为氧化钇水溶胶，还含有极少量的稀土杂质，可能是硝酸钇原料引入的；图2为钇溶胶的TEM照片，由图中可以看到，钇溶胶的胶粒为球形，且胶粒大小均匀，粒径约为2nm。
3.4制备成品钇溶胶的相关数据
钇溶胶目前还没有相应的标准，表2中所列的钇溶胶的相关性能指标均由本研究所自行测试。
4、结 论
稳定透明钇溶胶的制备方法如下：低温下浓氨水加入硝酸钇的饱和溶液中，会瞬间发生反应，爆发式的成核使生成的胶粒更小更均匀，然后采用电渗析仪将溶胶的杂质离子除去，以有效阻止胶粒的聚集和沉淀，之后再超声一段时间会使胶粒更加分散，从而使制备的钇溶胶在常温下可稳定存放至少12个月（已通过常温存放稳定性测试，一年后不凝胶不分层）；经XRF非破坏性测定，证明所得的物质为氧化钇水溶胶。
参考文献
[1] 沈彬,刘宏葆,孔悖，钛合金熔模精密铸造用氮化硼基复合型壳的探索试验.[J] 硅酸盐学报, 2008,(36):124-127
[2] 肖树龙, 钛合金低成本氧化物陶瓷型壳熔模精密铸造技术研究.[D]哈尔滨工业大学,2007
[3] 王新葵. 一种多晶铝酸钇纤维的制备方法. [P] CN1377997A, 2002
[4] 饶平根. 一种ZTA材料制备冲压模具的方法. [P] CN101289320A, 2008
[5] 沈钟, 赵振国. 胶体与表面化学. [M] 化学工业出版社 2004,(2):9-132
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