中國(guó)粉體網(wǎng)訊 高純氧化鋁粉體純度高（Al2O3≥99.99%）、粒度細(xì)且均勻，具有優(yōu)于常規(guī)材料的光、熱、磁、電等特性，是現(xiàn)代化工重要的特種功能材料之一。隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于高純超細(xì)氧化鋁粉體的需求有增無(wú)減，因此加強(qiáng)對(duì)高純、超細(xì)、低有害元素的氧化鋁粉體制備研究意義重大。
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高純氧化鋁粉體制備方法
高純氧化鋁粉體制備方法可分為三大類：液相法、氣相法、固相法，但液相法在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本及環(huán)境保護(hù)等方面均優(yōu)于后兩者，是最重要的氧化鋁制備技術(shù)，下面重點(diǎn)對(duì)液相法進(jìn)行分析總結(jié)。
1 結(jié)晶熱解法
1.1 硫酸鋁銨結(jié)晶熱解法
硫酸鋁銨法應(yīng)用較廣，其產(chǎn)品活性好，粒度均勻。精制過(guò)的硫酸鋁在硫酸銨體系下進(jìn)行結(jié)晶，在多次重結(jié)晶過(guò)程中硫酸鋁銨被提純，最終將提純后的硫酸鋁銨熱解制得氧化鋁粉體。該法的工藝簡(jiǎn)單、成本低、粉體質(zhì)量高且易于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，但過(guò)程中易出現(xiàn)熱溶解現(xiàn)象，對(duì)于鉀、鈣、鹵素等雜質(zhì)的去除困難。此外，熱分解過(guò)程中產(chǎn)生的氨氣和硫氧化物造成環(huán)境污染，是限制其發(fā)展的主要因素。
1.2 碳酸鋁銨結(jié)晶熱解法
對(duì)于硫酸鋁銨法的完善和改進(jìn)研究是多年來(lái)人們所關(guān)注的點(diǎn)。基于硫酸鋁銨法改進(jìn)后的碳酸鋁銨結(jié)晶熱解法一定程度上控制了空氣污染問(wèn)題，在目前的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多，將提純后的硫酸鋁銨與碳酸氫銨反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為碳酸鋁銨，避免了后續(xù)熱解產(chǎn)生硫氧化物氣體。與硫酸鋁銨法相比，碳酸鋁銨法的產(chǎn)品粉體粒度分布不均勻，有團(tuán)聚現(xiàn)象產(chǎn)生，生產(chǎn)成本也較高。生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制各參數(shù)及反應(yīng)條件。
2 水解法
2.1 醇鋁水解法
醇鋁水解法在催化劑體系下，有機(jī)醇和金屬鋁反應(yīng)生成醇鋁溶液，然后進(jìn)行水解，所得高純氫氧化鋁燒結(jié)后得到高純氧化鋁。針對(duì)該方法，保證氧化鋁品質(zhì)的技術(shù)關(guān)鍵有以下三點(diǎn)：一，保障原料純度；二，醇鋁的進(jìn)一步精餾提純，除去高熔點(diǎn)雜質(zhì)；三，醇鋁的干燥、燒結(jié)條件和粉體制備裝置調(diào)控粉體的粒度。該法環(huán)境友好，對(duì)所得氧化鋁的純度高，但高純度的有機(jī)醇前驅(qū)體造成生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜、純度難控制。
2.2 直接活化水解法
氯化汞活化水解法，使用氯化汞將鋁片或鋁屑活化，然后置于1%濃度的硫酸鋁溶液中水解，將所得氫氧化鋁溶膠高溫干燥后得到凝膠，進(jìn)一步高溫處理制得氧化鋁粉體。該工藝的重點(diǎn)在于鋁的活化水解，要保證原料為高純度的鋁薄片，若水解不充分，產(chǎn)品中殘留有單質(zhì)鋁，過(guò)程中引入的汞處理不好會(huì)污染環(huán)境，水解時(shí)產(chǎn)生的氫氣排放也要考慮安全因素。高純鋁活化水解法生產(chǎn)周期短，所得氧化鋁粉體可提高透明陶瓷的透過(guò)率和耐腐蝕性，但對(duì)原料金屬鋁的純度要求較高，需要嚴(yán)格的過(guò)程控制以保證產(chǎn)品純度，其苛刻的水解條件以及環(huán)保問(wèn)題使該法僅限于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。
3 改良拜耳法
改良拜耳法將數(shù)次脫硅、除鐵后的偏鋁酸鈉溶液析出氫氧化鋁，在高溫條件下焙燒得到所需晶型的高純氧化鋁，溶液凈化除雜和結(jié)晶過(guò)程均會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的純度和粉體質(zhì)量產(chǎn)生影響，是該法的關(guān)鍵。該法應(yīng)注意對(duì)鈉的脫除，在焙燒時(shí)添加礦化劑或在氫氧化鋁水熱轉(zhuǎn)相時(shí)添加脫鈉劑均是有效的除鈉手段。結(jié)晶過(guò)程中溶液過(guò)飽和度、結(jié)晶溫度、晶種大小等參數(shù)直接影響氧化鋁的純度及粉體質(zhì)量，通過(guò)準(zhǔn)確的控制反應(yīng)條件，使結(jié)晶過(guò)程緩慢地進(jìn)行，避免異常晶核的形成，有利于減少 Na、Si 等雜質(zhì)的夾雜。該工藝成本低，原料來(lái)源廣，但過(guò)程復(fù)雜，焙燒溫度高，產(chǎn)品獲得率低，純度也相對(duì)較低。
4 溶膠凝膠法
溶膠凝膠法是一種低溫制備高純氧化鋁的重要方法。將高純度的鋁鹽在高純度的無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)酸中水解生成水合物前驅(qū)體透明溶膠，然后將溶膠聚合凝膠化得到透明凝膠，凝膠進(jìn)一步高溫加熱得高純氧化鋁。據(jù)報(bào)道，溶膠凝膠法生產(chǎn)氧化鋁過(guò)程中 α-氧化鋁的相轉(zhuǎn)化在 1000℃即可發(fā)生，明顯較其它方法低。該法所使用的溶劑無(wú)毒，但工藝復(fù)雜、溶劑等的純度要求高、生產(chǎn)成本較高、工業(yè)化擴(kuò)大生產(chǎn)難度大，此外粉體團(tuán)聚嚴(yán)重，需要添加適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┗虿捎闷渌椒ㄒ种茍F(tuán)聚現(xiàn)象。
5 水熱合成法
水熱合成法對(duì)產(chǎn)品的純度和粒度控制容易，利用水溶液作為反應(yīng)體系，通過(guò)加熱加壓增大前驅(qū)體的溶解度，高純鋁與水蒸氣作用直接水解為氫氧化鋁，在降溫的過(guò)程中析出氧化鋁，避免氫氧化鋁煅燒產(chǎn)生硬團(tuán)聚，再經(jīng)干燥、煅燒等工序即可制得氧化鋁粉體。該法的缺點(diǎn)是設(shè)備投資大，高溫高壓具有一定的危險(xiǎn)，氫氧化鋁轉(zhuǎn)化為氧化鋁的效率低，通常需要添加晶種降低相轉(zhuǎn)變溫度。
6 沉淀法
沉淀法分為三類：直接沉淀法得到的產(chǎn)品粒度不均勻，分散性差；均勻沉淀法團(tuán)聚少、反應(yīng)速度可控性好；共沉淀法作用于混合后的溶液，各組分混合沉淀。沉淀法工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于工業(yè)化生產(chǎn)，但在成核結(jié)晶，前驅(qū)體的洗滌、干燥、煅燒等工序都易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，對(duì)于優(yōu)質(zhì)的粉體制備必須嚴(yán)格控制全過(guò)程。
7 其它制備方法
除上述較常用的方法外，代表性的其它方法有電火花放電法、微乳液法、等離子體法、噴霧熱分解法等。電火花放電法通過(guò)高溫及火花放電產(chǎn)生的沖擊力，使金屬鋁轉(zhuǎn)化為具有高活性的小顆粒鋁，高活性鋁與水反應(yīng)生成氫氧化鋁，再經(jīng)煅燒生成氧化鋁，該法產(chǎn)生的粉體品質(zhì)好，可達(dá)微米級(jí)，不污染環(huán)境，但該法擴(kuò)大困難、能耗高，難以工業(yè)化應(yīng)用。微乳液法可在納米級(jí)對(duì)材料的粒徑和穩(wěn)定性進(jìn)行精確控制，是制備納米粒子的一種先進(jìn)手段，乳化溫度、表面活性劑及水箱濃度是決定粉體粒度的重要參數(shù)。等離子體法溫度易控，包括等離子體發(fā)生、化學(xué)反應(yīng)、驟冷反應(yīng)三個(gè)過(guò)程，氧化鋁的熱解過(guò)程較其它方法能耗低，產(chǎn)品粒徑可控，是一種比較新穎的方法。噴霧熱解法通過(guò)將鋁鹽溶液在高溫空間霧化，在短時(shí)間內(nèi)完成溶劑的蒸發(fā)和鋁鹽的熱分解，直接制得氧化鋁粉體，但裝置較沉淀法復(fù)雜。
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高純氧化鋁粉體應(yīng)用
高純氧化鋁可用于生長(zhǎng)單晶藍(lán)寶石，藍(lán)寶石可用于制作半導(dǎo)體、薄膜襯底等; α 晶型的高純氧化鋁可用于制作陶瓷，其制作的透明陶瓷性能優(yōu)于傳統(tǒng)不透明陶瓷，也可用于制作燈管從而代替石英玻璃；在電子領(lǐng)域也可用于制作基片；其陶瓷材料生物相容性良好，對(duì)人體無(wú)害，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可作為人造牙、骨骼等; β 晶型的氧化鋁的離子導(dǎo)電能力強(qiáng)，可作為高蓄電量鈉/硫蓄電池的電解質(zhì)；高品質(zhì)的高純氧化鋁可用于制作激光晶體；γ 晶型高純氧化鋁具有良好的催化性能，可作為純凈的催化劑以滿足反應(yīng)無(wú)雜質(zhì)引入的要求；此外，還可作為鋰電池的絕緣、隔熱材料部分;用于增強(qiáng)橡膠的各種性能; 可用于制作傳感器等。
高純氧化鋁粉體具有優(yōu)良的物化特性而成為重要的特種功能材料之一，在機(jī)械、電子、化工、光學(xué)和能源等技術(shù)領(lǐng)域具有重要用途。由于我國(guó)制備高純氧化鋁粉體技術(shù)較國(guó)外起步稍晚一些，盡管目前取得了很大的研究進(jìn)展，但是在先進(jìn)性方面還是存在一定的差距。因此，不斷探索并開(kāi)發(fā)高純氧化鋁粉體的制備及其應(yīng)用依舊是我國(guó)有待突破的重要領(lǐng)域。中國(guó)粉體網(wǎng)旗下粉體公開(kāi)課平臺(tái)將于2021年6月10日舉辦“2021高純氧化鋁粉體材料制備及應(yīng)用技術(shù)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)”，來(lái)自福州大學(xué)的洪若瑜研究員將走進(jìn)本次粉體公開(kāi)課的直播間，給大家?guī)?lái)題為《高純氧化鋁粉體材料制備與應(yīng)用》的報(bào)告。屆時(shí)洪研究員將向大家詳解高純氧化鋁的主要生產(chǎn)方法，并對(duì)各生產(chǎn)方法的特點(diǎn)進(jìn)行分析，介紹其最新應(yīng)用領(lǐng)域。
專家介紹
洪若瑜， 福州大學(xué)石化院材料化工系研究員，博士生導(dǎo)師，閩江學(xué)者特聘教授。
研究方向：(1) 納米粉體（氧化鋁、鐵氧體、陶瓷、石墨烯）、納米流體（磁性流體）和陶瓷前驅(qū)體的制備與應(yīng)用；(2) 高分子與無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料（如硅碳、復(fù)合氧化物）和功能涂料；(3) 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、多相流等。
主要論文發(fā)表：已發(fā)表132篇SCI論文，14篇進(jìn)入JCR一區(qū)，54篇進(jìn)入二區(qū)；他引逾四千次，H因子40。在斯坦福大學(xué)世界學(xué)者排名中位居前13萬(wàn)名（福州大學(xué)上榜27人中位列21、全國(guó)化工排名35、世界化工學(xué)者前1.3%）。
主持科研項(xiàng)目：主持完成國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)（Nos. 20476065, 20876100, 21246002），科技部創(chuàng)新基金2項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金4項(xiàng)，橫向課題6項(xiàng)，地方工業(yè)項(xiàng)目和科技領(lǐng)軍項(xiàng)目3項(xiàng)。目前承擔(dān)省級(jí)重大課題3項(xiàng)，海裝預(yù)研1項(xiàng)，橫向課題5項(xiàng)。
獲獎(jiǎng)：Featflow Fellowship, Dortmund Univ., Germany, 2000；2005~2010年度Elsevier中國(guó)大陸高被引作者獎(jiǎng)，2010年；2005~2015年Elsevier中國(guó)大陸高下載作者獎(jiǎng)（第1、第19、第37，共3篇論文），2015年；2010年度閩江學(xué)者獎(jiǎng)（福建省教育廳和財(cái)政廳）；2010年度蘇州國(guó)家高新區(qū)領(lǐng)軍人才獎(jiǎng)（C類排名第一）。
參考來(lái)源：
【1】饒兵，戴惠新等.高純氧化鋁粉體制備技術(shù).價(jià)值工程.2017.
【2】張立生，李慧，等.高純氧化鋁應(yīng)用及制備工藝研究進(jìn)展.輕金屬.2018.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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