[发明专利]一种超细α‑Al2O3粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超细α-Al₂O₃粉体的制备方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

α-Al₂O₃是一种具有广泛用途的无机非金属材料，但由于普通氧化铝粉体是从铝土矿中制备得到的，其颗粒大小、颗粒形貌以及粒度分布等限制了使用范围及产品性能。超细α-Al₂O₃粉体因具有粒度小、比表面积高、粒度均匀、热稳定性强、硬度大、耐腐蚀、耐高温、耐磨等一系列优异的物理化学特性而广泛用于许多高新技术领域，如：用于制造陶瓷及复合陶瓷材料、电子材料、表面防护材料、光学材料及生物及医疗材料等。为进一步提高超细α-Al₂O₃粉体的性能，科研工作者致力于优化合成工艺，以提高超细氧化铝粉体的纯度、形貌、粒度分布、分散性等性能。

制备超细α-Al₂O₃粉体的方法和技术多种多样，目前最广泛采用的有两种方法：(1)溶胶-凝胶法。根据铝盐种类不同可分为无机铝盐水解和醇铝盐的水解，水解聚合形成溶胶后，将溶胶放置老化或蒸发浓缩从而使胶粒进一步缩聚，形成具有三维空间网络结构的透明凝胶，凝胶干燥后进行热处理，最后得到α-Al₂O₃纳米粉体，其整个反应过程可表示为：分子态→聚合体→溶胶→凝胶→晶态(参见：Mater.Lett.2004,58,3063；Ceram.Int.2006,32,587；Ceram.Int.2010,36,1253)。美国专利文件USP7115243B2公开了一种通过醇铝盐水解制备高纯超细α-Al₂O₃粉体的制备方法，以异丙醇铝和丁二醇为原料，在制备过程中加入α-Al₂O₃或其它刚玉结构的晶种，并经一定时间的水热处理，最终得到粒径可控的超细α-Al₂O₃粉体。美国专利文件USP6461584B1公布了一种利用无机铝盐水解制备α-Al₂O₃粉体的技术，将Al(NO₃)₃·9H₂O溶液中加入NH₄OH水解得到勃姆石溶胶，加入油酸继续搅拌使其分散在油酸当中，在1000～1100℃无氧环境下煅烧得到蓬松的α-Al₂O₃粉体，这种液相工艺可制得粒径较小的粉体，但产品颗粒团聚严重，生产过程中产生大量洗涤废液，生产周期长、成本较高。(2)热解法。热解法即高温下煅烧硫酸铝铵或碳酸铝铵前驱体制备超细α-Al₂O₃粉体的方法。中国专利文件CN201310180677.3公布了一种硫酸铝铵重结晶后两步煅烧得到高纯氧化铝粉体的方法，首先利用化学反应制备硫酸铝铵，然后将硫酸铝铵重结晶，再将结晶提纯后的硫酸铝铵经两步煅烧得到最终产品，专利中设计了尾气处理装置，减少了废气排放，但工艺设备较复杂，周期长，这种方法得到的粉体的一次颗粒粒径较小，但煅烧过程依然存在“自溶解”现象和环境污染问题。碳酸铝铵热解法是以铝盐和铵盐为原料制备出碱式碳酸铝铵前驱体，经过洗涤、干燥、煅烧等过程得到超细α-Al₂O₃粉体(参见：J.Am.Ceram.Soc.2003,86,1321；J.Mater.Sci.2004,39,2267；Acta Mater.2000,48,4735；Mater.Chem.Phys.2001,71,374)。碳酸铝铵前驱体通常由铝盐溶液和铵盐溶液经过沉淀反应合成，研究表明其合成工艺主要与原料纯度、原料溶液浓度、原料液摩尔比及反应溶液pH值等因素有关(参见：J.Jpn.Ceram.Soc.1976,84,215)。美国专利文件USP4053579公开了一种碳酸铝铵热解制备α-Al₂O₃的方法，选择AlCl₃或NH₄Al(SO₄)₂为铝源，在25～70℃温度下，滴加到NH₄HCO₃溶液中，调节溶液pH值为7.5～9.0，经沉淀反应制得碳酸铝铵前驱体，将前驱体在1250～1300℃煅烧，即得到超细α-Al₂O₃粉体，此种方法制备的粉体粒径较小，且不排放SO₃等有害气体，符合“绿色化学”的概念。碳酸铝铵是一种较好的制备超细α-Al₂O₃粉体的前驱体，但碳酸铝铵前驱体通常是通过低浓度的铵盐和铝盐溶液的液相沉淀工艺制备，致使反应和洗涤过程产生大量废液，而且由于反应物料的浓度较低，致使前驱体和超细α-Al₂O₃粉体的产量低，实际生产需较大规模的投资，由于原料溶解与反应过程需要加热保温，造成能源消耗较大(参见：中国专利文件CN 101870482B)。