СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИРОВАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ РЕДКИХ ЗЕМЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДИСПЕРСНОСТЬЮ
METHOD FOR PREPARATION OF POLISHING POWDERS WITH REGULABLE PARTICLE SIZE BASED ON RARE EARTH OXIDES

Изобретение относится к химической технологии получения соединений редкоземельных элементов, в частности к способам получения оксидов редких земель, используемых при приготовлении полировальных материалов для оптических стекол.
Для целей полирования наиболее пригодны оксиды редких земель, содержащие не менее 50% диоксида церия и имеющие частицы размером 0,4-1,5 мкм. Оксиды классифицируют на фракции с более узким гранулометрическим составом и используют для полирования конкретных типов стекол и оптических изделий. Например, для полирования высокоточной оптики и изделий из химически нестойких стекол используют оксиды крупностью 0,4-0,8 мкм. Для полирования точной оптики из химически нестойких и нейтральных стекол предпочтительны оксиды крупностью 0,8-1,2 мкм. Для полирования оптики из твердых материалов типа ситалла и кристаллического кварца в большей степени подходят оксиды крупностью 1,2-1,5 мкм.
Известен способ получения полировальных порошков на основе оксидов редких земель с частицами размером 0,5-20 мкм, включающий осаждение основных карбонатов редких земель путем приливания раствора редких земель с концентрацией 200 г/л к раствору карбоната натрия с концентрацией 60-70 г/л при температуре 80°С, кипячение пульпы карбонатов в течение 0,5-1,5 часа, фильтрование, промывку, сушку и обжиг карбонатов до оксидов, обработку оксидов раствором минеральной кислоты, измельчение оксидов [Патент 3573886, США]. Недостатком способа является многооперационность процесса, колебание размера частиц в широком интервале, необходимость классификации порошков на более узкие фракции.
Наиболее близким к заявленному является способ получения полировального материала на основе двуокиси церия с частицами размером 0,2-1,2 мкм, включающий осаждение карбонатов редких земель путем смешивания раствора соли редких земель с концентрацией 30-200 г/л и рН 3-4 с раствором карбоната аммония с концентрацией 75-100 г/л, фильтрование, промывку, сушку и обжиг карбонатов до оксидов [Авторское свидетельство 715473, СССР]. Недостатком способа является необходимость тонкой корректировки кислотности исходного редкоземельного раствора до рН 3-4, колебание размера частиц в широком интервале, необходимость классификации порошков на более узкие фракции.
Предлагается способ получения полировальных порошков на основе оксидов редких земель, позволяющий без корректировки кислотности исходного редкоземельного раствора и без классификации получать оксиды любой дисперсности в диапазоне 0,4-1,5 мкм. Для этого в способе, включающем осаждение карбонатов редких земель раствором соли угольной кислоты, фильтрование, промывку, сушку и обжиг карбонатов, степень осаждения редких земель регулируют в диапазоне 75-100%, а температуру в диапазоне 20-60°С. Для получения оксидов дисперсностью 0,4-0,8 мкм осаждение редких земель проводят на 85-100% при 20-25°С. Для получения оксидов дисперсностью 0,8-1,2 мкм осаждение редких земель проводят на 80-85% при 20-25°С. Для получения оксидов дисперсностью 1,2-1,5 мкм осаждение редких земель проводят на 75-80% при 50-60°С. Степень осаждения редких земель регулируют расходом осадителя, взятым с учетом нейтрализации избыточной кислотности в исходном редкоземельном растворе.
Сущность способа заключается в том, что степень осаждения редких земель и температура являются главными факторами, влияющими на размер частиц карбонатов и, как следствие, на размер частиц оксидов редких земель. Уменьшение степени осаждения редких земель и увеличение температуры до 40-45°С способствует росту частиц карбонатов и оксидов, что обусловлено интенсификацией процесса ориентированного срастания первичных кристаллов карбонатов во вторичные частицы. Увеличение температуры более 40-45°С способствует уменьшению частиц карбонатов и оксидов, что обусловлено гидролизом карбонатов. Изменение степени осаждения редких земель и температуры в заявленных режимах позволяет регулировать дисперсность оксидов в интервале 0,4-1,5 мкм.
Увеличение степени осаждения редких земель более 100% приводит к уменьшению размера частиц оксидов менее 0,3 мкм. Такие мелкие оксиды характеризуются низкой полирующей способностью.
Уменьшение степени осаждения редких земель менее 75% приводит к значительным потерям редких земель с маточным раствором.
Увеличение температуры более 60°С приводит к резкому увеличению дисперсности и гранулометрической неоднородности оксидов. Такие мелкие неоднородные порошки характеризуются низкими скоростью и качеством полирования.
Уменьшение температуры ниже 20°С приводит к неоправданным затратам энергии, которые не компенсируются достигаемым результатом.
Осадок карбонатов редких земель промывают от маточного раствора, сушат и прокаливают до оксидов при температуре 1050°С в течение 1 часа. Оксиды представляют собой мягкий сыпучий порошок со средним размером частиц от 0,4 до 1,5 мкм в зависимости от режима осаждения. Оксиды используют в качестве полировальных материалов для оптического стекла.
Пример.
Осаждение карбонатов редких земель проводят путем одновременного смешивания хлоридного раствора редких земель, имеющего объем 1 литр и содержащего 100 г/л оксидов редких земель и 3,5 г/л соляной кислоты (рН 1), и раствора карбоната натрия с концентрацией 100 г/л. Состав редких земель в исходном растворе следующий: 50% оксида церия, 25% оксида лантана, 12,5% оксида неодима, 6% оксида празеодима, 3,5% оксида европия, 3% оксида гадолиния. При этом средний молекулярный вес оксидов редких земель вышеуказанного состава равен 166.
Процесс осаждения карбонатов редких земель проводят в разных режимах, изменяя (при постоянном значении в каждом конкретном случае) температуру в диапазоне 20-60°С и степень осаждения редких земель в диапазоне 75-100% (см. таблицу). Степень осаждения редких земель регулируют расходом осадителя, который рассчитывают на основании данных о концентрации кислоты и редких земель в исходном растворе и требуемой степени осаждения редких земель. Расчет количества осадителя (в литрах) проводят по формуле:
к
рз.
ос.
Voc=[Ск./Мк.·n·V+Срз/Мрз.·n·V·(k/100)]/(Сос./Мос.·n),
к
рз.
ос.
где Voc. - количество осадителя (в литрах); Ск. - концентрация кислоты в редкоземельном растворе (в граммах на литр); Мк. - молекулярный вес кислоты; n - количество валентных связей в кислоте; V - количество редкоземельного раствора (в литрах); Срз - концентрация редких земель в растворе (в граммах на литр); Мрз. - молекулярный вес редких земель, n - число валентных связей в соли редких земель; k - степень осаждения редких земель (в процентах); Coc. - концентрация осадителя (в граммах на литр). Мк. - молекулярный вес осадителя; n - количество валентных связей в осадителе.
Полученные карбонаты выдерживают под маточным раствором при перемешивании в течение 2 часов в изотермических условиях для завершения процесса кристаллизации. После завершения процесса кристаллизации карбонаты фильтруют, промывают от маточного раствора водой, сушат и прокаливают до оксидов при температуре 1050°С в течение 1 часа. Размер частиц оксидов измеряют методом воздухопроницаемости уплотненного слоя продукта.
ТаблицаДисперсность оксидов редких земель при разных режимах осаждения карбонатов
Режим осаждения карбонатов редких земель
Средний размер частиц оксидов редких земель, мкм
Температу-ра, °С
Требуемая степень осаждения редких земель, %
Расход осадителя, л
100
1,01
0,4
90
0,91
0,5
85
0,87
0,8
22±2
82
0,84
1,0
80
0,82
1,2
78
0,80
1,6
75
0,77
2,4
42±2
80
0,82
1,5
75
0,77
2,6
55±2
80
0,82
1,2
75
0,77
1,5
73±2
80
0,82
0,4
75
0,77
0,5
Из данных таблицы следует, что проводя осаждение предложенным способом, контролируя температуру в пределах 20-60°С и степень осаждения редких земель в пределах 75-100%, можно плавно изменять размер частиц порошков оксидов от 0,4 до 1,5 мкм. Порошки с размером частиц 0,4-0,8 мкм получаются при температуре 20-25°С и степени осаждения 85-100%, порошки с размером частиц 0,8-1,2 мкм - при температуре 20-25°С и степени осаждения 80-85%, порошки с размером частиц 1,2-1,5 мкм - при температуре 50-60°С и степени осаждения 75-80%.
Таким образом, предложенный способ позволяет получать порошки оксидов редких земель с заранее заданным размером частиц в узких интервалах 0,4-0,8 мкм, 0,8-1,2 мкм и 1,2-1,5 мкм, в то время как при использовании известного способа получаются порошки оксидов с размером частиц 0,2-1,2 мкм. Предложенный способ позволяет упростить процесс получения полировальных порошков благодаря исключению операций предварительной корректировки кислотности исходного редкоземельного раствора и классификации порошков оксидов на более узкие фракции.