一种纳米层状磷酸锆及其载银磷酸锆的制备方法与流程

本发明属于无机材料合成的技术领域，具体属于一种纳米层状磷酸锆及其载银磷酸锆的制备方法，纳米磷酸锆可用于催化剂、阻燃剂、离子交换、环保、抗菌等行业。

背景技术：

银具有良好的抗菌性能，人类自古以来就有应用，并随着人类文明的进步而逐步发展完善。银抗菌剂是提高人类生活品质的组成部分，是近代科学研究及应用的一个领域，其中，银系无机抗菌材料是一个重要的类别。银的化学性质活泼，在紫外线及其它因素影响下容易变色，并严重影响其使用效果；其中，无机银可依附于载体上发挥其抗菌功能，硅酸盐类(沸石、托勃莫来石、膨润土等)、氧化物系(tio2、zro2、al2o3等)及活性炭、炭纤维、络合物等与银离子的结合力弱，易溶出氧化变色，使用效果上欠佳。

磷酸锆是一种多孔层状结构的无机物，比表面积大，吸附能力强、化学稳定性和耐高温性能优异，其对银离子有优异的交换吸附能力并有很好的缓释作用，因此抗菌力持久，所以，载银磷酸锆尤其是纳米载银磷酸锆是无机银系抗菌剂的重要品种，是目前竞相研究的重要课题。载银磷酸锆抗菌剂广泛应用于陶瓷卫浴产品、餐具、瓷砖；塑料制品(家电、文具、玩具、医疗卫生用品、抗菌包装材料、纺织品、鞋材、汽车等)；抗菌涂料、油漆、胶粘剂等各行各业。

目前，磷酸锆较为成熟的制备方法大致有如下几种：

①.clearfield于1964年提出的回流法，其将zrocl2溶于盐酸中，加入盐酸和磷酸的混合液，反应回流7天，该方法不仅要在强酸条件下反应，而且所需的时间长。

②.g:alberti发明的直接沉淀法，该方法加入氟化氢为络合剂，与zrocl2形成络合物，然后与磷酸反应脱出氟离子生成磷酸锆，该法使用氟化氢，反应时间长、温度高，条件苛刻，缺陷明显。

③.公开号为cn1640817a的中国发明专利申请提出了一种仅用少量氢氟酸和浓磷酸，反应温度低并且时间较短的制备磷酸锆的方法，但该方法还是需要使用强腐蚀性的氟化氢，其对生产设备、生产安全和环保具有安全隐患。

④.水热晶化法，该方法将锆盐浓磷酸等充分混合后，移入高压釜中加热反应，并在温度≧180℃中反应，该法对设备要求高，投资大，生产周期长。

此外，现今还有部分专利也公开了一定的磷酸锆制备方法，具体如下。

公开号为cn104555971a的中国发明专利公开了一种纳米磷酸锆的生产方法，该发明包括以下具体步骤：将质量比为2.5-6.5:7.0-5.0：5.0-9.0:6.0-7.5的离子液体、硝酸锆、磷酸水置于聚四氟乙烯高温反应釜中，在150-180℃反应12-36h；反应结束后，冷却至室温，在产物中滴加10wt％的氢氧化钾调节ph至8-10，取固体产物用乙醇和水洗涤多次，并在100-120℃真空干燥，得到白色的纳米多孔磷酸锆。此方法制备的纳米磷酸锆可作为性能优异的离子交换剂和吸附剂，并可广泛的运用到催化领域，具有较好的纳米结构特性。

公开号为cn111226917a的中国发明专利申请公开了一种磷酸锆纳米银抗菌复合材料的制备方法，该发明包括如下步骤：(s1)、磷酸氢锆分散液的制备：(s11)、将溶剂以1000r/min-10000r/min的搅拌速度搅拌，然后加入磷酸氢锆粉体；(s12)、使用恒温油浴锅加热，待温度上升至45℃-50℃，恒温搅拌30min，得到磷酸氢锆分散液；(s2)、还原过程：(s21)、向磷酸氢锆分散液中加入氢氧化钠，调节ph值至9-12；(s22)、将(s21)的溶液升温至50-70℃；(s23)、向(s22)中缓慢加入硝酸银；(s24)、向(s23)中缓慢加入还原剂；(s25)、维持温度50-70℃，搅拌反应60-120分钟；(s26)、过滤、洗涤、干燥、得到磷酸氢锆纳米银抗菌复合材料。因此，本发明具有成本更低，杀菌效果更好的优点。

公开号为cn102239887a的中国发明专利公开了一种纳米级磷酸锆载银复合无机抗菌剂的制备方法，其包括以下的步骤：a、制备纳米磷酸锆载体：在氯氧化锆水溶液中加入足量的磷酸二氢钠水溶液反应得到纳米级磷酸锆载体；b、超滤：将纳米磷酸锆载体置入超滤膜系统中，至滤液中用银离子检验无氯离子时，完成超滤；c、抗菌金属离子吸附、置换：将纳米磷酸锆载体的溶胶沉淀加纯水溶解，而后加入抗菌金属离子水溶液，充分吸附、置换反应；d、无机抗菌粉体的制备：抽滤，清洗反应产物，烘干滤饼，烘干后的滤饼稍微粉碎后煅烧，获得产品。该制备方法采用超滤膜除去合成磷酸锆过程中产生的副产物无机盐，以使磷酸锆载体不需要经过高温煅烧就可以直接用于吸附、置换金属离子。

公开号为cn101720787a的中国发明专利公开了一种载银磷酸锆/纳米二氧化钛复合抗菌剂及其制备方法，由70-95份载银量为0.5-3.5％的载银磷酸锆和5-30份载银量为0.5-3.5％的sio2改性纳米tio2组成。先用磷酸盐或磷酸与可溶性锆盐反应生成磷酸锆，将磷酸锆洗涤后配制成10-60％的悬浮液，然后在体系中加入硝酸银，陈化2-36小时后加入钛盐，待钛盐加完后再添加硅酸酯或硅溶胶，最后再添加硝酸银，陈化1-24小时后，通过过滤和高温煅烧，即得。该方法抗菌性能优越，且抗菌剂与母体材料之间的相容性较好，生产方法简单、易于控制。

公开号为cn1600536a的中国发明专利公开了一种纳米层状磷酸锆载银无机抗菌粉体及其制备方法，本发明公开了一种纳米层状磷酸锆载银抗菌粉体及其制备新方法，以纳米磷酸锆为载体，ph1-2之间，圆片最长径小于600nm,厚度小于50nm，其制备过程通过模板剂与晶粒生长抑制剂来控制粉体的形貌与大小，银离子的交换采用锌离子过渡法。该方法是以氯氧化锆为锆源，加入磷酸二氢钠水溶液反应制得纳米层状磷酸锆，反应生成物必须洗涤除去氯化钠，模板剂、抑菌剂，产生大量废水，消耗大量水资源。生成的未烧结的磷酸锆为胶体，洗涤极为困难需大型洗涤设备和水资源。

公开号为cn1640263a的中国发明专利公开了一种制备层状磷酸锆粉末的方法，方法是向0.16-0.04mol可溶性银盐溶液中，缓慢滴加3-4倍摩尔量的氨水，得透明清澈液，加入磷酸锆粉体，搅拌一小时，离心分离后在8-100℃烘干，即可得到磷酸锆载银粉末，该方法未涉及磷酸锆的制备方法，该方法银氨溶液中银的交换率低，分离后的母液处理麻烦。

上述制备纳米磷酸锆及其载银抗菌剂的各种方法，虽然都能在一定程度上取得一定的效果，但其也都存在明显的不足，有的方法需要用到强腐蚀品氢氟酸，生产不安全不环保；有的方法对设备要求严苛，并且投资大；有的方法需要用到大量的水和乙醇洗涤，产生大量的废水废乙醇，水资源及乙醇消耗大，并且污染环境。因此，针对纳米磷酸锆及其载银抗菌剂的制备方法，亟需加以改进。

技术实现要素：

(1)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纳米层状磷酸锆及其载银磷酸锆的制备方法，该方法旨在解决现今纳米磷酸锆及其载银抗菌剂的制备工艺需要用到强腐蚀品氢氟酸，或者对设备要求严苛，或者需要用到大量的水和乙醇洗涤，安全差、投资大且污染环境的技术问题；该方法在整个过程中无废水产生和排放，工艺简单且相对绿色环保，同时，对设备的要求不高，极易推广使用，具有极强的实用性和适用性。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种纳米层状磷酸锆的制备方法，该方法的具体步骤为：先将助溶剂、分散剂、络合剂进行加热溶解于水中，之后再加入锆源化合物，并将其溶解，其后再加入磷源化合物使其发生反应，反应完成后，进行蒸发、干燥、焙烧、冷却、粉碎，制得纳米层状磷酸锆；

其中，水、助溶剂、分散剂、络合剂、锆源化合物、磷源化合物的质量百分比为100:10-100:5-50：5-50：15-50：15-60，反应温度为50-100℃，反应时间为5-200分钟，蒸发和干燥的温度为60-380℃，蒸发和干燥的时间总和为5-100小时，焙烧的温度为500-1000℃，焙烧的时间为1-6小时。

优选地，所述助溶剂为甲酸、乙酸或草酸中的一种以上。

优选地，所述分散剂为聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、草酸、草酸铵、柠檬酸或柠檬酸铵中的一种以上。

优选地，所述络合剂为柠檬酸、柠檬酸铵、草酸、草酸铵、焦磷酸或焦磷酸铵中的一种以上。

优选地，所述锆源化合物为碳酸锆、氢氧化锆、草酸锆、柠檬酸锆或乙酸锆中的一种以上。

优选地，所述磷源化合物为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸、三氧化二磷或五氧化二磷中的一种以上。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了这样一种载银磷酸锆的制备方法，该方法利用了上述方法制得的纳米层状磷酸锆，其具体步骤为：取纳米层状磷酸锆，将其加水稀释成磷酸锆质量百分比浓度为3％-30％的悬浮乳液，并用有机酸或无机酸中的一种以上调节悬浮乳液中h⁺的浓度为0.1-2.0mol/l，之后再加入锌源物质和银源物质，并将其加热至50-100℃，搅拌反应1-8小时，反应完成后，在60-400℃下对反应物乳液进行蒸发、干燥、冷却、粉碎，最后，再在500-1000℃下焙烧1-6小时，冷却过筛，制得白色纳米载银磷酸锆粉体。

其中，该载银磷酸锆是一种载锌、银多种金属离子的无机物。

优选地，所述有机酸或无机酸中的一种以上为硝酸、甲酸、乙酸中的一种以上。

优选地，所述锌源物质为硝酸锌、氧化锌、氢氧化锌或乙酸锌中的一种以上，所述银源物质是硝酸银、银氨溶液、氧化银或乙酸银中的一种以上。

优选地，所述锌元素添加到反应体系中的总质量为所得纳米载银磷酸锆干重的1-10％，所述银元素添加到反应体系中的总质量为所得纳米载银磷酸锆干重的0.1-6％。

总体而言，该纳米层状磷酸锆及其载银磷酸锆的制备方法为在一定量的纯水中加入一定量的助溶剂、分散剂、络合剂，并将其加热溶解，然后加入一定量的锆源化合物并加热溶解，然后再加入磷源化合物，并在一定温度下反应一定时间，反应生成白色悬浮乳液，再将该悬浮乳液蒸发、干燥、加热焙烧、冷却和粉碎，即得纳米层状磷酸锆。之后，将纳米层状磷酸锆配制成一定浓度的悬浮液，并在一定温度和ph条件下加入锌基物质和银基物质反应，反应生成物经蒸发、干燥、冷却、粉碎，最后经焙烧即制得白色纳米载银磷酸锆抗菌剂。

(3)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的方法完全摒弃了强腐蚀性的氢氟酸和高压容器设备，摒弃了水洗、醇洗的工艺，突破性地通过简单环保的工艺实现了纳米层状磷酸锆及其载银磷酸锆的制备。

该制备方法在整个过程中无废水产生和排放，工艺简单且相对绿色环保，在制备纳米层状磷酸锆高温加热的过程中，其体系中的助溶剂、分散剂、络合剂、ph调节剂会分解成二氧化碳和水等无害物质；而在制备纳米载银磷酸锆的过程中，锌源物质和银源物质反应后残留的微量硝酸、硝酸铵、乙酸、甲酸，在低于400℃的温度下会分解成无害的n2、h2o、co2等物质，安全无污染；同时，该制备方法对设备的要求不高，极易推广使用，具有极强的实用性和适用性。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本发明，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的样式。

实施例1

本具体实施案例为制备纳米层状磷酸锆，其具体过程为：

取纯水2000ml、乙酸100g、柠檬酸400g、草酸600g，将其混合并加热搅拌溶解至透明，之后再加入碳酸锆1000g，并将其加热搅拌至溶解完全，其后再加入磷酸氢二铵1200g，控制温度在85℃下搅拌反应25分钟，反应完成后生成白色乳状物，对其进行蒸发、干燥、焙烧、冷却、粉碎，控制蒸发和干燥的温度为120℃，蒸发和干燥的时间总和为90小时，焙烧的温度为600℃，焙烧的时间为3小时，制得纳米层状磷酸锆950g。

实施例2

本具体实施案例为制备纳米层状磷酸锆，其具体过程为：

取纯水300ml、柠檬酸200g、乙酸20g，将其混合并加热搅拌溶解至透明，之后再加入柠檬酸锆200g，并将其加热搅拌至溶解完全，其后再加入磷酸90g，控制温度在80℃下搅拌反应150分钟，反应完成后生成白色乳状物，对其进行蒸发、干燥、焙烧、冷却、粉碎，控制蒸发和干燥的温度为130℃，蒸发和干燥的时间总和为80小时，焙烧的温度为800℃，焙烧的时间为4小时，制得纳米层状磷酸锆100g。

实施例3

本具体实施案例为制备纳米载银磷酸锆，其具体过程为：

取纯水300ml、甲酸300g、柠檬酸铵15g、柠檬酸15g，将其混合并加热搅拌溶解至透明，之后再加入碳酸锆45g，并将其加热搅拌至溶解完全，其后再加入五氧化二磷中45g，控制温度在50℃下搅拌反应200分钟，反应完成后生成白色乳状物，对其进行蒸发、干燥、焙烧、冷却、粉碎，控制蒸发和干燥的温度为380℃，蒸发和干燥的时间总和为5小时，焙烧的温度为500℃，焙烧的时间为6小时，制得纳米层状磷酸锆。之后，将制得纳米层状磷酸锆加纯水500ml，并用乙酸调节悬浮乳液的ph为0.5-1.0，之后再加入硝酸锌12.4g(其中含锌4.5g)和硝酸银1.57g(其中银含量1.0g)，并将其加热至100℃，搅拌反应1小时，反应完成后，在60℃下对反应物乳液进行蒸发、干燥、冷却、粉碎，最后，再在1000℃下焙烧1小时，冷却过筛，制得白色纳米载银磷酸锆粉体103g。

实施例4

本具体实施案例为制备纳米载银磷酸锆，其具体过程为：

取纯水300ml、草酸200g、聚丙烯酸20g、柠檬酸40g，将其混合并加热搅拌溶解至透明，之后再加入氢氧化锆110g，并将其加热搅拌至溶解完全，其后再加入磷酸100g，控制温度在80℃下搅拌反应150分钟，反应完成后生成白色乳状物，对其进行蒸发、干燥、焙烧、冷却、粉碎，控制蒸发和干燥的温度为200℃，蒸发和干燥的时间总和为5小时，焙烧的温度为500℃，焙烧的时间为6小时，制得纳米层状磷酸锆。之后，将制得纳米层状磷酸锆加纯水500ml，并用乙酸调节悬浮乳液的ph为0.5-1.0，之后再加入硝酸锌12.4g(其中含锌4.5g)和硝酸银1.57g(其中银含量1.0g)，并将其加热至75℃，搅拌反应4.5小时，反应完成后，在250℃下对反应物乳液进行蒸发、干燥、冷却、粉碎，最后，再在700℃下焙烧3小时，冷却过筛，制得白色纳米载银磷酸锆粉体102g。

实施例5

本具体实施案例为制备纳米载银磷酸锆，其具体过程为：

取纯水300ml、乙酸100g、柠檬酸100g、乙酸15g，将其混合并加热搅拌溶解至透明，之后再加入氢氧化锆110g，并将其加热搅拌至溶解完全，其后再加入磷酸二氢铵100g，控制温度在80℃下搅拌反应100分钟，反应完成后生成白色乳状物，对其进行蒸发、干燥、焙烧、冷却、粉碎，控制蒸发和干燥的温度为200℃，蒸发和干燥的时间总和为50小时，焙烧的温度为700℃，焙烧的时间为4小时，制得纳米层状磷酸锆。之后，将制得纳米层状磷酸锆加纯水500ml，并用甲酸调节悬浮乳液的ph为0.5-1.0，之后再加入硝酸锌12.4g(其中含锌4.5g)和硝酸银1.57g(其中银含量1.0g)，并将其加热至70℃，搅拌反应5小时，反应完成后，在250℃下对反应物乳液进行蒸发、干燥、冷却、粉碎，最后，再在800℃下焙烧3小时，冷却过筛，制得白色纳米载银磷酸锆粉体104g。

实施例6

本具体实施案例为制备纳米载银磷酸锆，其具体过程为：

取纯水300ml、柠檬酸200g、乙酸20g，将其混合并加热搅拌溶解至透明，之后再加入柠檬酸锆200g，并将其加热搅拌至溶解完全，其后再加入磷酸90g，控制温度在80℃下搅拌反应100分钟，反应完成后生成白色乳状物，对其进行蒸发、干燥、焙烧、冷却、粉碎，控制蒸发和干燥的温度为350℃，蒸发和干燥的时间总和为6小时，焙烧的温度为700℃，焙烧的时间为4小时，制得纳米层状磷酸锆。之后，将制得纳米层状磷酸锆加纯水600ml，并用甲酸调节悬浮乳液的ph为0.5-1.0，之后再加入氧化锌7.5g(其中含锌6.0g)和氧化银1.65g(其中含银1.5g)，并将其加热至65℃，搅拌反应3小时，反应完成后，在250℃下对反应物乳液进行蒸发、干燥、冷却、粉碎，最后，再在850℃下焙烧2.5小时，冷却过筛，制得白色纳米载银磷酸锆粉体104g。

实施例7

本具体实施案例为制备纳米载银磷酸锆，其具体过程为：

取纯水300ml、草酸300g、聚丙烯酸150g、焦磷酸铵150g，将其混合并加热搅拌溶解至透明，之后再加入柠檬酸锆150g，并将其加热搅拌至溶解完全，其后再加入磷酸氢二铵180g，控制温度在100℃下搅拌反应5分钟，反应完成后生成白色乳状物，对其进行蒸发、干燥、焙烧、冷却、粉碎，控制蒸发和干燥的温度为60℃，蒸发和干燥的时间总和为100小时，焙烧的温度为1000℃，焙烧的时间为1小时，制得纳米层状磷酸锆。之后，将制得纳米层状磷酸锆加纯水500ml，并用硝酸调节悬浮乳液的ph为0.5-1.0，之后再加入氧化锌7.5g(其中含锌6.0g)和氧化银1.65g(其中含银1.5g)，并将其加热至50℃，搅拌反应8小时，反应完成后，在400℃下对反应物乳液进行蒸发、干燥、冷却、粉碎，最后，再在500℃下焙烧6小时，冷却过筛，制得白色纳米载银磷酸锆粉体105g。

本实施案例的技术方案完全摒弃了强腐蚀性的氢氟酸和高压容器设备，摒弃了水洗、醇洗的工艺，突破性地通过简单环保的工艺实现了纳米层状磷酸锆及其载银磷酸锆的制备。该方法在整个过程中无废水产生和排放，工艺简单且相对绿色环保，在制备纳米层状磷酸锆高温加热的过程中，其体系中的助溶剂、分散剂、络合剂、ph调节剂会分解成二氧化碳和水等无害物质；而在制备纳米载银磷酸锆的过程中，锌源物质和银源物质反应后残留的微量硝酸、硝酸铵、乙酸、甲酸，在低于400℃的温度下会分解成无害的n2、h2o、co2等物质，安全无污染；同时，该制备方法对设备的要求不高，极易推广使用，具有极强的实用性和适用性。

以上描述了本发明的主要技术特征和基本原理及相关优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本发明的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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