制备高纯纳米氧化铝粉体的方法

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1、制备高纯纳米氧化铝粉体的方法高纯纳米氧化铝粉体的制备方法有很多，大致可分为固相法、液相法、气相法等。各种 方法都有其一定优势，但是也存在不足，因此一般根据实际产品要求来选择不同的制备方法。1. 固相法固相法主要是将铝或铝盐研磨煅烧，发生固相反应后直接得到纳米氧化铝的方法。该法 可分为：机械粉碎法、固相反应法；机械粉碎法是用各种超细粉碎机将原料直接粉碎成超细 粉。常见的超细粉碎机有：球磨机、行星磨、塔式粉碎机和气流磨粉碎机等；应用较多的是 球磨机，但该法很难使粒径达到 100nm 以下。固相法制备超细粉比较简单，但是生成的粉体 容易产生团聚并且粉末粒度不易控制。固相反应法又可大致化学溶解法、非晶

2、晶化法、燃烧 法。a) 化学溶解法化学溶解法主要包括碳酸铝铵热解法、喷雾热解法、铵明矾热解法三种；铵明矾热解法 是通过用硫酸铝铵与硫酸铵反应制得明矾，再根据产品纯度要求再多次重结晶精制，最后将 精制的铵明矶加热分解成A1203,其反应过程为：2Al(0H)3+3H2S04 - Al2(S04)3 + 6H20 Al2(S04)3+ (NH4)2SO4 + 24H2O 2NH4Al(SO4)2 12H2O 2NH4Al(SO4)2 12H2O A12O3 + 2NH3 + 4SO3 + 13H20煅烧过程收集的炉气可制成硫酸铵循环使用。该方法工艺简单，但 由于生产周期长，难于应用于实际规模化生产

3、。对铵明矶热解法改进后形成了碳酸铝铵热解 法，通过前驱体NH4Al0(0H)HC03的合成和热解得到高纯度超细氧化铝。李江6等应用分析 纯硫酸铝铵和碳酸氢铵为原料，采用湿化学法制备单分散超细NH4Al2(OH)2CO3先驱沉淀物， 在1100C下灼烧得到平均粒径为20nm的a -A12O3纳米粉体。该方法不产生腐蚀性气体，无 热分解时的溶解现象，有利产品粒径的控制并且能简化操作，适合于工艺化生产。喷雾热解 法是将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中，从而使其中的水分蒸发，金属盐发生分解，析出 固相，直接制备出纳米氧化铝陶瓷粉好方法。b) 热解法硫酸铝铵热解法是使硫酸铝铵A1NH4(SO4)212H2

4、O进行热分解获得性能良好的A12O3粉末的方法，通过加入PEG分散剂可制得25nm左右的a A12 0 3。以硫酸铝铵为原料、以可溶性淀粉为分散剂制得3 04 0 nm的a A12O3 粉体，工艺过程简单、生产成本低、产品质量稳定等特点适用于工业化生产。但是反应中会 产生SO2等有毒气体，污染环境，此法逐渐被碳酸铝铵(AACH)热解法代替AAC H热解法是将铵钒与碳酸氢铵反应，生成碳酸铝铵(即铵片钠铝石)前躯体沉淀，沉淀物经 老化、沉降、过滤、洗涤、干燥、煅烧最终制得纳米氧化铝粉体。c) 非晶晶化法非晶晶化法首先是制备非晶态的化合态铝，然后再通过退火处理使非晶晶化。该方法可 以生产出成分准确的

5、所需纳米材料，并且不需要经过成型处理，可由非晶态直接制备出纳米 氧化铝。但是这种方法生产的纳米氧化铝结构材料塑性受到晶粒粒径的影响明显，只有当粒 径较小时，塑性较好，否则材料变得很脆。d) 燃烧法应用铝粉燃烧虽然能得到粒径小于20nm的氧化铝，但由于设备复杂，生产过程较危险， 并且粉体收集较难 所以应用前景不大。2. 气相法气相法是指直接应用气体或者通过各种手段将物质变成气体，使之在气态下发生物理、 化学反应，在冷却过程中形成超细粉的方法，该方法一般包括：固相加热挥发法、惰性气体 凝聚加压法、A1C13升华氧化法、激光蒸发CVD法等。该类方法由于其设备操作复杂、成本 高，而且不能高产，所以不适

6、合做大规模生产。a) 火焰CVD法火焰CVD法是利用惰性气体将反应物(如A1C13溶液)在远离热力学临界反应温 度时送入反应室中，利用燃料气体的火焰将其蒸发，气态反应物被氧化成氧化铝，并自动聚 成晶核，晶核在加热区不断长大，聚集成颗粒；形成的颗粒随着气流进入低温区，颗粒停止 长大、聚集和晶化；最终颗粒于收集室内收集。采用此法制备纳米氧化铝的的前躯体可以是 各种金属铝盐、铝的碳水化合物等，氧化剂可以是氧气，燃料气体可以是氢气、甲烷、乙烯、 乙炔等，设备是逆流扩散火焰煅烧炉。火焰CVD法工艺简单，生产成本低，易于实现工业 化；产品纯度高、球形度高、粒径可控；能实现前驱体之间原子水平的混合。b) 激

7、光诱导CVD法激光诱导气相沉积法是利用激光照射铝靶，使铝融化产生A12O3蒸汽，冷却后得到 纳米A12O3。采用该法制备纳米氧化铝具有表面清洁、无粘连、粒度分布均匀、可精确 控制粒径和成分，制备的粉体粒径可以从几纳米到几十纳米，满足不同的需要。但采用此法 制备纳米氧化铝成本较高、产率较低，不适于工业化生产。c) 等离子体CVD法等离子体法主要是通过加热气体使之变为等离子气体，在等离子气体气氛下使铝盐与空 气反应，最后骤冷产物凝聚成微小颗粒，生成的氧化铝产物在反应容器的壁上收集。等离子 体法主要优点在于等离子的高温和反应的高焓可以使不易反应的物质反应。骤冷步骤促进均 匀成核，利于形成纳米粒子。采

8、用等离子体有机金属化学气相沉积(MOCVD )法在反应 气体为0 2、反应温度为1 0 0 0 C、反应压力为5. 3kPa和TMA(A1 (CH3) 3)浓度XB= 0.0 4 9 %条件下，制备了平均尺寸为5.6nm的A12O3粉末。d) 电弧喷涂法 电弧喷涂法是通过在压缩空气中加入不同比例的氧气，借助常规铝丝材的空气电弧喷涂工艺，合成纳米氧化铝粉末。富氧条件下的铝丝电弧喷涂11不仅可以高效制备粒径约 6 07 0nm的A12O3粉末，并且随着氧气比例的提高可以显著提高纳米A12O3 的产率，还可进一步细化粉末的粒度。3. 液相法液相法合成纳米氧化铝粉体具有不需要苛刻的物理条件，能很好的实

9、现分子原子水平上 的混合、产物组分含量精确控制等特点，可用于制备粒度分布窄、形貌规整的粉体。其基本 方法是选择一种或多种可溶性金属盐，按成份计量配成溶液，使各元素呈离子或分子态，再 用一种沉淀剂，将所需物质均匀沉淀、结晶出来，经脱水或者加热等过程而制得纳米粉。a) 沉淀法 沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂，进行化学反应，生成难溶性的反应物，将沉淀过 滤、洗涤、干燥和煅烧等工艺得到所需的纳米材料的方法。根据沉淀的方式不同可分为直接 沉淀、共沉淀、以及均相沉淀。直接沉淀法是将一些可溶性铝盐，如A1C13,A1(N O3) 3等，可通过加入碱性物质(如氨水等)调整溶液pH值来产生A1 (OH) 3沉

10、淀， 再通过对A1(OH)3热处理可以得到氧化铝。这种制备工艺较为简单，但难以保证沉淀 组分的单一，含杂质较高。均相沉淀法是以尿素等为沉淀剂，通过沉淀剂的均匀释放，使其 与金属离子微观混合均匀A1 (NO3) 3溶液和尿素溶液混合，利用尿素在水溶液中加 热时缓慢释放出OH、CO32来控制沉淀的生长速度。在90C以上缓慢加热沸腾2 h,生成白色胶体，经洗涤、抽滤、干燥及高温灼烧得纳米A12O3。采用匀相沉淀 法以NH4A1 (SO4) 212H2O和NH4HCO3 为原料，PEG 1 5 4 0 为分散剂，控制沉淀剂NH4HCO3的滴加速度为1 0mL/min,经醇洗、烧结制得平均 粒径小于2

11、5n m的a A12O3。米用沉淀法制备纳米粉体时，可利用超声波等外加波 动性能量对沉淀进行处理，利用超声波的空化效应、热效应、机械效应等减少沉淀颗粒之间 的团聚。以铝铵矶和碳酸氢铵为反应剂，频率为2 5kHz的超声场作用，以沉淀一煅烧法 制得平均粒径约15nm的A12O3粉体。b) 溶胶凝胶法 该类方法主要包括有机铝醇盐水解、无机铝盐水解；有机铝醇盐水解是将醇盐溶解于有机溶 剂中，再通过加入蒸馏水形成溶胶，之后随着水的加入溶胶转变为凝胶。凝胶经过低温干燥 得到疏松的干凝胶。干凝胶经高温锻烧处理即可得到氧化铝纳米粉体,一般过程为：Al(0R)3 Al(OH)3 AlOOH y -A12O3 6

12、 -A12O3 0 -A12O3 a -A12O3 式中 RO-可 采用异丙醇、2- 丁醇、乙醇等7。此类方法的优点有：能在很短的时间内获得分子水平的 均匀性，容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂、与固相反应相比 所需温度较低、选择合适的条件可以制备各种新型材料；不足在于目前所用的原料价格比较 贵，并且有些原料对身体有害、通常生产周期长、凝胶干燥过程可能有气体或者有机物逸使 得产生收缩。c) 微乳液反应法 微乳液法制备纳米粒子的原理是从乳化液中析出固相，使成核、生长、聚结等过程局限在一 个微小的球形液滴内，从而形成球形颗粒，同时避免了颗粒之间进一步团聚。该法的关键是 形成油包水型乳化液，形成稳定乳化液的必要条件是要有适当的表面活性剂存在，为形成油 包水型乳化液所用的表面活性剂的亲水、疏水平衡常数(HLB)应在3到6范围之内，span-80、 span-60等符合该要求。A12O3粉体的性状固相法20nm40nm 的a -A12O3,气相法平均尺寸 5.6nm A12O3, 6070nm 的 A12O3 粉体液相法平均尺寸小于25nm的a -A12O3，平均尺寸约15nm的A1203粉体