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球形纳米氧化铝的制备几种方法及应用

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发表时间:2019-04-12 15:04作者:鲍工

纳米球形氧化铝具有耐腐蚀、耐高温、高硬度、高强度、抗磨损、抗氧化、绝缘性好和表面积大等优异特性,广泛应用于冶金、化工、电子、国防、航天及核工业等高科技领域。目前,国内外市场对纳米球形氧化铝的需求量年增长率不断增高。因此,进一步探索制备纳米球形氧化铝粉体的新方法,具有非常重要的意义。九朋新材料公司研发生产了一种200纳米球形氧化铝,分散性好,TEM下观察为完全球形纳米粉体颗粒,客户反应效果很好。球形纳米氧化铝用于广泛,小编简要介绍纳米球形氧化铝制备方法及其应用。

一、纳米球形氧化铝制备方法多样

纳米球形氧化铝的制备方法主要有溶胶-乳液-凝胶法、滴球法、均相沉淀法、模板法、气溶胶分解法、喷射法等。

球形氧化铝制备方法对比表

1、溶胶-乳液-凝胶法

溶胶-乳液-凝胶法是在溶胶凝胶法的基础上发展起来的。其主要工艺过程是利用醇铝水解,经过溶胶凝胶过程制备球形氧化铝粉体,整个水解体系比较复杂,其中溶解醇铝的辛醇占50%,乙腈溶剂占40%,分散水的辛醇和丁醇分别占9%1%,并且用羟丙基纤维素作分散剂,得到了球形度非常好的纳米球形氧化铝粉体。

溶胶-乳液-凝胶法由于采用了有机溶剂及表面活性剂,缺点是不利于氧化铝粉体的分离及干燥。

溶胶-乳液-凝胶法制备纳米球形氧化铝粉体SEM图片

2、滴球法

滴球法是将氧化铝溶胶滴入到油层(通常使用石蜡、矿物油等),靠表面张力的作用形成球形的溶胶颗粒,随后溶胶颗粒在氨水溶液中凝胶化,最后将凝胶颗粒干燥,煅烧形成球形氧化铝的方法。滴球法制备的球形氧化铝主要应用于吸附剂或催化剂载体。

滴球法是对溶胶-乳液-凝胶法在工艺上的进一步改进,其优点是省去了粉体与油性试剂的分离处理。缺点是制备球形氧化铝的粒径较大

3、均相沉淀法

均相沉淀法是指在Al2SO43NH4AlSO42均相溶液中,其沉淀过程包括晶核形成聚集长大析出。在沉淀剂的作用下,均相溶液中的浓度降低,就会均匀地生成大量的微小晶核最终形成的细小沉淀颗粒会均匀地分散在整个溶液当中,制备得到纳米球形氧化铝

需要特别注意的是:球形氧化铝粉体颗粒只有在Al2SO43NH4AlSO42溶液中能够获得而不能在AlNO33AlCl3溶液中得到,可见SO42-对形成球形颗粒起到了至关重要的作用

均相沉淀法制备球形氧化铝SEM

均相沉淀法优点是能够制备球形度非常好的纳米氧化铝粉体,形貌均一,粒度分布窄。缺点是该方法局限性大,形貌形成机理尚不明确。

4、模板法

模板法是以球形原料作为过程中控制形态的试剂,产品通常空心或者是核壳结构。主要工艺过程是以聚苯乙烯微球为模板剂,用碳酸功能化的氧化铝纳米粒子包覆,再通过甲苯洗涤,制备了空心氧化铝球体。

模板法是制备空心球体的好方法。缺点是对模板剂的要求较高,制备过程步骤多,不易操作。

空心球形氧化铝的合成原理示意图

5、气溶胶分解法

气溶胶分解通常是以铝醇盐为原料利用铝醇盐易水解和高温热解的性质并采用相变的物理手段将铝醇盐气化然后与水蒸汽接触水解雾化再经高温干燥或直接高温热解从而实现气--固或气-固相的转变最终形成球形纳米氧化铝粉体气溶胶分解法关键是由雾化部分和反应部分组成的复杂的实验装置。

气溶胶水解法的工艺流程图

6、喷射法

喷射法制备球形氧化铝的实质是在较短的时间内实现相的转变,利用表面张力的作用使产物球形化,根据相转变的特点又可以分为喷雾热解法、喷雾干燥法和喷射熔融法。

1)喷雾热解法

喷雾热解法是以AlSO43AlNO33AlCl3溶液为原料,通过雾化作用形成球形液滴,经过高温热解生成球形氧化铝粉体。该方法热解过程需要900℃,耗能较大。该方发纳米颗粒不经济。

2)喷雾干燥法

喷雾干燥法是先将铝盐溶液与氨水反应制成氧化铝溶胶,再将氧化铝溶胶在150-240℃下喷雾干燥,制备得到纳米球形氧化铝粉体。

该方法相比于喷雾热解法法,优点是:可减少能量的消耗。

喷雾干燥法制备球形纳米氧化铝粉体SEM

3)喷射熔融法

喷射熔融法是利用等离子焰直接将固体铝粉或氧化铝粉熔融,然后马上做退火处理,通过调节载气成分和直流电弧的功率可以控制球形化程度,并可以制备空心结构。纳米粒径难以控制和得到。

等离子喷雾熔融法制备球形氧化铝

三、球形氧化铝应用

1、陶瓷添加剂

加入一定的纳米球形氧化铝粉体,可以有效的解决陶瓷由于低温脆性而应用范围窄的缺点,由此可以制成低温塑性球形氧化铝陶瓷在常规陶瓷中添加5.0%的纳米球形氧化铝粉体可以有效的增加陶瓷的韧性,并且降低陶瓷的烧结温度。

2、复合材料  

纳米球形氧化铝粉体不仅可以用于合成新型的具有特殊性能的复合陶瓷材料,还可以用来和其他纳米陶瓷材料混合制造人工牙齿和骨骼。

纳米球形氧化铝粉体应用于陶瓷及复合材料

3、表面防护涂层    

纳米球形氧化铝粉体粒子喷涂在金属、塑料等上,形成保护陶瓷层,以及球形滚珠效果,可以极大的提高表面的硬度、耐腐蚀性、耐磨性和防火性,可用于机械、刀具以及化工管道等表面防护。

纳米球形氧化铝应用于金属刀具表面防护

4光学材料

球形纳米氧化铝粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力,如果把几个的球形纳米氧化铝粉掺杂到稀土荧光粉中,可以利用纳米紫外吸收的蓝移现象来吸收掉有害的紫外光,而且还不会降低荧光粉的发光效率。球形纳米氧化铝可烧结成透明陶瓷,作为高压钠灯管的材料,可以和稀土荧光粉复合作为口光灯管的发光材料,不仅降低成本而且延长寿,是未来制造口光灯管的主要荧光材料。

球形纳米氧化铝烧结成透明陶瓷高压钠灯管

5半导体材料    

纳米级球形氧化铝粉体对湿度极为敏感,在温度传感器上有着极高的应用价值,可以被广泛应用于大规模集成电路的衬底材料,以及用作多种传感器材料。  

纳米形氧化铝粉体集成电路的衬底材料

6催化剂及其载体    

多空球形氧化铝粉体的比表面积大,颗粒表面有着极其丰富的失配键和欠氧键,在压成薄片时会含丰富的孔洞,孔洞率达30-40%,可制成多孔薄膜过滤器,以此制成的催化剂及催化剂载体的性能,比目前使用的同类产品的性能要优越数倍以上。

球形氧化铝粉应用于催化剂载体

参考文献:

1、袁杰,于站良,陈家辉等,高纯氧化铝粉制备研究进展,材料导报。

2、施剑林,高建华,阮美玲,均相沉淀法制备球形氢氧化铝颗粒及其热分解行为。