专利名称：一种制取氧化锌晶须的方法
专利说明一种制取氧化锌晶须的方法 本发明涉及材料研究领域，特别涉及单晶材料制备领域。目前，四针状氧化锌晶须的制备主要有以下方法第一种方法是由日本松下公司报道的，其主要内容是先将锌粉在特制的溶液中处理，使其表面氧化，再将这种锌粉在950℃左右氧化1小时，制备出氧化锌晶须，产率达原料的40～75％，四针状晶须达60％以上。第二种方法是中国专利ZL94111823.1公开的制备方法，其特点是将金属锌粉与碳粉混合，利用碳消耗部分氧气，在大气环境下制备氧化锌晶须。第三种方法是中国专利ZL94107349.1公开的制备方法，其特点是将锌粉放入一端开口的管式炉中，利用在炉管内形成温度梯度的方法，制备氧化锌晶须。第四种方法是中国专利ZL97107607.1公开的制备方法，其特点是利用空气受热膨胀的原理，依照炉子的体积控制锌粉的加入量，使锌粉在相对缺氧的条件下氧化生成氧化锌晶须，产率为原料的90％以上，晶须纯度大于96％。
以上制备方法，各有特点，但都普遍存在晶须转化率低及均匀性差的问题，而且对原料锌粉的纯度(≥99.8％)和粒度(≤76μm)要求严格，T-ZnO晶须的制备成本较高。为了克服以上缺陷，特提出本发明。
本发明的目的由以下技术方案实现本发明采用粒度小于3mm的热镀锌渣为原料，在炉温升高至850-1000℃时，再将盛有原料的反应器放入炉内，同时通入氧气和氮气作为反应气氛，保温时间15-25分钟，即可制备外观为白色疏松的四针状氧化锌晶须。
本发明所述的热镀锌渣系指各种钢材、钢件热镀锌后的底渣，含Zn≥90％，含Fe≤10％。
反应气氛还可以是空气—氮气气氛，或仅用空气作氧化气体。
所述反应器的高度和底面的直径之比为1～4，反应器体积和原料装入量之比为15-150ml/g锌渣。
通过控制不同的氧气流量，本发明所用原料和反应器还可制备多针状氧化锌晶须。
锌的平衡蒸气压和温度的对应关系从750℃起，平衡蒸气压随温度升高而急剧增大，在907℃时，平衡蒸气压达到101KPa。但在大气压下锌蒸气氧化反应的平衡蒸气压不可能超过101KPa，因此，温度应控制在750-1050℃之间。
锌的蒸气压除了与温度有关外，还和反应器的容积有关系。在有一定高度的反应器中，降低氧的分压，锌的蒸发速度减小，锌蒸气可以上升到较高的位置才与氧发生反应，若提高氧的分压，锌的蒸发速度将增大，氧化反应发生在液态锌的表面上，生成的氧化膜将阻碍锌蒸气的蒸发，使氧化反应终止。
热镀锌渣中的主要杂质Fe和Pb的熔点分别是1536℃和327℃，在750-1050℃温度下，锌基本上可全部挥发，铁、铅等杂质的绝大部分将富集在残渣中，杂质元素只有极微量的挥发，不影响晶须的纯度本发明与现有技术相比，有以下优点本发明直接采用工业固体废物——热镀锌渣为原料，对粒度和纯度没有特定要求，不仅大大拓宽了制备氧化锌晶须的原料来源、显著降低了生产成本，而且为热镀锌渣提供一种简单易行、效益很高的回收利用方法；晶须的制备在常压和较低的温度下进行，原料破碎后无需进一步处理，无须添加其它辅料，锌的直接回收率达90％以上，晶须纯度大于98％，且生产工艺简单，容易实现规模化生产。
图1本发明制备的四针状氧化锌晶须的扫描电镜(SEM)形貌；其中图1-a四针状氧化锌晶须，图1-b单个四针状氧化锌晶须。
图2本发明制备的多针状氧化锌晶须的扫描电镜(SEM)形貌。其中图2-a多针状氧化锌晶须，图2-b单个多针状氧化锌晶须。
图3本发明制备的氧化锌晶须的XRD图谱。实施例1称取粒度小于3mm的碎热镀锌渣5g，热镀锌渣的化学成分如表一所示，置于高度和直径之比为2.5，体积为80ml的坩锅内，再将坩锅放入已预先加热至850～1000℃的管状电炉中，通入氧气和氮气，流量控制是氧气10～30l.h-1；氮气120～260l.h-1；反应15～25分钟即得到白色疏松的的氧化锌晶须，产量约4.5g，制备的氧化锌晶须的杂质含量如表二所示。
合成晶须的形貌如图1所示，晶须为规整四针状，从中心体向外伸出四个空间角度不同的针状体，针体部分是平整光滑的细长六方锥状晶体，任意两个针状体之间的夹角大约109°，合成晶须的尺寸均匀，中心体边长5～6μm，针状体长100～130μm，是尺度较大的晶须。针状体之间没有出现二次生长的片晶，也没有颗粒状的ZnO出现。
表一 热镀锌渣的化学成分％样品 Zn Fe Pb As Sb Cu Co Ni In1 93.74.22 0.57 0.0050 0.027 0.015 0.0031 0.0047 0.0912 94.33 4.91 0.038 0.0025 0.0031 0.012 0.013 0.051 /表二 本发明制备的氧化锌晶须的杂质含量×10-4％样品 Fe Pb As Sb Cu Co Ni In1 44.5 560.4 7.7230.8 0.99.5 14.8 /2 32.9 302.2 8.6237.4 1.18.4 13.4 /实施例2称取粒度约为1cm的碎热镀锌渣10g，置于高度和直径之比为1.8，体积为0.9升的容器内，其余同实施例1。产量约9.2g，晶须的形貌如图1所示。
实施例3称取粒度小于3mm的碎热镀锌渣5g，置于高度和直径之比为2.5，体积为80ml的坩锅内，再将坩锅放入已预先加热至850-1000℃的管状电炉中，通入氧气和氮气，流量控制是氧气1～10l.h-1；氮气120～260l.h-1；反应15-25分钟即得到白色疏松的的氧化锌晶须，产量约4.5g。
合成晶须的形貌如图2所示，晶须为多针状体。
实施例4称取粒度约为1cm的碎热镀锌渣10g，置于高度和直径之比为1.8，体积为0.9升的容器内，其余同实施例2。产量约9.2g，晶须的形貌如图2所示。
权利要求
1一种氧化锌晶须的制备方法，其特征在于直接以热镀锌渣为原料，在炉温升高至850-1000℃时，再将盛有原料的反应器放入炉内，同时通入氧气和氮气作为反应气氛，保温时间15-25分钟。
2根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述原料--热镀锌渣系指各种钢材、钢件热镀锌后的底渣，含Zn≥90％，含Fe≤10％。
3根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述反应气氛还可以是空气—氮气气氛，或仅用空气作氧化气体。
4根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述反应器的高度和底面的直径之比为1～4，反应器体积和原料装入量之比为15-150ml/g锌渣。
5根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过控制不同的氧气流量，还可制备多针状氧化锌晶须。
全文摘要
本发明涉及氧化锌晶须的一种制备方法，属于无机材料制备领域。该制备方法利用锌蒸气压与温度的关系，直接以热镀锌渣为原料，将装有锌渣的反应器置于特制的电炉内，在一定的气氛中反应相应的时间，即生成外观为白色疏松的的氧化锌晶须，本发明具有原料要求低、设备简单、易实现工业化生产等优点，产率达90％以上，晶须ZnO含量大于98％，对锌资源的直接深度加工和复合材料的制备具有重要的意义。本发明还可制备多针状氧化锌晶须。
文档编号C01G9/00GK1566417SQ0312455
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月17日 优先权日2003年6月17日
发明者陈艺峰, 唐谟堂, 杨声海, 唐朝波, 姚维义, 何静 申请人:中南大学