[发明专利]制备含氧化锆的纳米粒子的方法

说明书

背景技术

可以向诸如聚合物材料之类的有机基质中添加氧化锆粒子以增强有机基质的折射率或X射线不透明度，同时保持有机基质的透光率。有机基质的X射线不透明度和/或折射率的增强程度取决于有机基质中氧化锆的填充百分比以及氧化锆粒子的特性，如百分比结晶度、晶体结构、原生粒度以及初级粒子之间的缔合度。

与无定形的含锆材料相比，结晶氧化锆通常具有更高的折射率和更大的X射线散射能力。透光率往往由氧化锆粒子的尺寸决定。随着原生粒度的增大和/或初级粒子之间的缔合度的增加，透光率将减小。氧化锆粒子在有机基质材料中的填充百分比限度通常取决于粒子缔合的程度以及粒子的长宽比。随着粒子缔合程度的增加，氧化锆粒子在有机基质中的填充百分比限度往往会减小。类似地，随着氧化锆粒子长宽比的增大，氧化锆粒子在有机基质中的填充百分比限度往往会减小。

发明内容

本发明提供了一种制备含氧化锆的纳米粒子的方法以及制备包括含氧化锆的纳米粒子的复合材料的方法。本发明提供了一种处理含溶解的羧酸锆盐的溶液的方法。该处理方法从所述溶液中除去碱金属离子和碱土离子杂质。经处理的溶液可用作制备含氧化锆的纳米粒子的原料或部分原料。另外，本发明提供了一种连续水热反应器系统，其可用于例如制备含氧化锆的纳米粒子。

在第一方面，提供了一种制备含氧化锆的纳米粒子的方法。该方法包括制备包含溶解的羧酸锆盐的原料，其中羧酸盐或其酸具有的碳原子不超过4个。该原料具有的固体超过5重量％。该方法进一步包括使原料经受单独的水热处理，其中原料中锆总量的至少90重量％转化成结晶且非缔合的含氧化锆的纳米粒子。

在第二方面，提供了一种制备复合材料的方法。该方法包括制备如上所述的结晶且非缔合的含氧化锆的纳米粒子。该方法进一步包括使含氧化锆的纳米粒子悬浮或分散在有机基质中。

在第三方面，提供了一种处理羧酸锆盐的溶液的方法。该方法包括使该溶液与氢型阳离子交换树脂相接触。该方法还包括从溶液中吸着至少50摩尔％的碱金属离子、碱土离子或它们的混合物到阳离子交换树脂上。

在第四方面，提供了一种连续水热反应器系统。该连续水热反应器系统包括具有内表面的管状反应器，所述内表面包含氟化聚合物材料。

附图说明

结合附图，由以下对本发明各实施例的详细描述可以更全面地理解本发明，其中：

图1是示例性连续水热反应器系统的示意图。

图2示出一个实例和一个比较例的含氧化锆的纳米粒子的体积分布。

图3示出示例性含氧化锆的纳米粒子的X射线衍射扫描图。

虽然本发明可以有多种修改和替代形式，但其细节已以举例的方式在附图中示出并将详细描述。然而应当理解的是，目的并不是要将本发明局限于所描述的具体实施例。相反，目的在于涵盖落入本发明的精神和范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。

具体实施方式

现描述氧化锆纳米粒子的制备方法和包括含氧化锆的纳米粒子的复合材料的制备方法。使包含溶解的羧酸锆盐的原料经受单独的水热处理。所得到的含氧化锆的纳米粒子通常是结晶且非缔合的。可以使含氧化锆的纳米粒子分散或悬浮在有机基质中，从而得到具有高折射率、高X射线不透明度或两者兼备的透明或半透明复合材料。

如本文所用，术语“一种”和“所述”与“至少一种”可互换使用，是指一种或多种被描述的要素。

如本文所用，术语“缔合”指聚集和/或附聚的两个或更多个初级粒子的集合。类似地，术语“非缔合”指没有或基本上没有聚集和/或附聚的两个或更多个初级粒子。

如本文所用，术语“聚集”指两个或更多个初级粒子的强缔合。例如，初级粒子彼此可以化学结合。聚集体分裂成较小粒子(例如初级粒子)通常是难以实现的。

如本文所用，术语“附聚”指两个或更多个初级粒子的弱缔合。例如，初级粒子可以由电荷或极性结合在一起。附聚体分裂成较小粒子(例如初级粒子)比聚集体分裂成较小粒子的难度要小。

如本文所用，术语“原生粒度”指非缔合单晶氧化锆粒子的尺寸。通常采用本文所述的方法用X射线衍射(XRD)测定原生粒度。

如本文所用，术语“水热”指把水性介质加热到水性介质标准沸点以上温度的方法，加热时的压力等于或大于防止水性介质沸腾所需的压力。

如本文所用，术语“氧化锆”指各种化学计量式的锆氧化物。最典型的化学计量式是ZrO₂，其也称为锆氧化物和二氧化锆。氧化锆可以含最多30重量％、最多25重量％、最多20重量％、最多15重量％、最多10重量％或最多5重量％的其它化学部分，例如吸着在表面上的氧化钇或各种有机材料。