球形納米氧化鋁的制備幾種方法及應用

納米球形氧化鋁具有耐腐蝕、耐高溫、高硬度、高強度、抗磨損、抗氧化、絕緣性好和表面積大等優異特性，廣泛應用于冶金、化工、電子、國防、航天及核工業等高科技領域。目前，國內外市場對納米球形氧化鋁的需求量年增長率不斷增高。因此，進一步探索制備納米球形氧化鋁粉體的新方法，具有非常重要的意義。九朋新材料公司研發生產了一種200納米球形氧化鋁，分散性好，TEM下觀察為完全球形納米粉體顆粒，客戶反應效果很好。球形納米氧化鋁用于廣泛，小編簡要介紹納米球形氧化鋁制備方法及其應用。


一、納米球形氧化鋁制備方法多樣

納米球形氧化鋁的制備方法主要有溶膠-乳液-凝膠法、滴球法、均相沉淀法、模板法、氣溶膠分解法、噴射法等。


球形氧化鋁制備方法對比表

 


1、溶膠-乳液-凝膠法

溶膠-乳液-凝膠法是在溶膠凝膠法的基礎上發展起來的。其主要工藝過程是利用醇鋁水解，經過溶膠凝膠過程制備球形氧化鋁粉體，整個水解體系比較復雜，其中溶解醇鋁的辛醇占50%，乙腈溶劑占40%，分散水的辛醇和丁醇分別占9%和1%，并且用羥丙基纖維素作分散劑，得到了球形度非常好的納米球形氧化鋁粉體。


溶膠-乳液-凝膠法由于采用了有機溶劑及表面活性劑，缺點是不利于氧化鋁粉體的分離及干燥。

 

溶膠-乳液-凝膠法制備納米球形氧化鋁粉體SEM圖片


2、滴球法

滴球法是將氧化鋁溶膠滴入到油層（通常使用石蠟、礦物油等），靠表面張力的作用形成球形的溶膠顆粒，隨后溶膠顆粒在氨水溶液中凝膠化，最后將凝膠顆粒干燥，煅燒形成球形氧化鋁的方法。滴球法制備的球形氧化鋁主要應用于吸附劑或催化劑載體。


滴球法是對溶膠-乳液-凝膠法在工藝上的進一步改進，其優點是省去了粉體與油性試劑的分離處理。缺點是制備球形氧化鋁的粒徑較大。


3、均相沉淀法

均相沉淀法是指在Al2（SO4）3或NH4Al（SO4）2均相溶液中，其沉淀過程包括晶核形成、聚集長大、析出。在沉淀劑的作用下，均相溶液中的濃度降低，就會均勻地生成大量的微小晶核，最終形成的細小沉淀顆粒會均勻地分散在整個溶液當中，制備得到納米球形氧化鋁。


需要特別注意的是：球形氧化鋁粉體顆粒只有在Al2（SO4）3或NH4Al（SO4）2溶液中能夠獲得，而不能在Al（NO3）3或AlCl3溶液中得到，可見SO42-對形成球形顆粒起到了至關重要的作用。

 

均相沉淀法制備球形氧化鋁SEM圖


均相沉淀法優點是能夠制備球形度非常好的納米氧化鋁粉體，形貌均一，粒度分布窄。缺點是該方法局限性大，形貌形成機理尚不明確。


4、模板法

模板法是以球形原料作為過程中控制形態的試劑，產品通常空心或者是核殼結構。主要工藝過程是以聚苯乙烯微球為模板劑，用碳酸功能化的氧化鋁納米粒子包覆，再通過甲苯洗滌，制備了空心氧化鋁球體。


模板法是制備空心球體的好方法。缺點是對模板劑的要求較高，制備過程步驟多，不易操作。

 

空心球形氧化鋁的合成原理示意圖


5、氣溶膠分解法

氣溶膠分解通常是以鋁醇鹽為原料，利用鋁醇鹽易水解和高溫熱解的性質，并采用相變的物理手段，將鋁醇鹽氣化，然后與水蒸汽接觸水解霧化，再經高溫干燥或直接高溫熱解，從而實現氣-液-固或氣-固相的轉變，最終形成球形納米氧化鋁粉體。氣溶膠分解法關鍵是由霧化部分和反應部分組成的復雜的實驗裝置。

 

氣溶膠水解法的工藝流程圖


6、噴射法

噴射法制備球形氧化鋁的實質是在較短的時間內實現相的轉變，利用表面張力的作用使產物球形化，根據相轉變的特點又可以分為噴霧熱解法、噴霧干燥法和噴射熔融法。


（1）噴霧熱解法

噴霧熱解法是以Al（SO4）3、Al（NO3）3和AlCl3溶液為原料，通過霧化作用形成球形液滴，經過高溫熱解生成球形氧化鋁粉體。該方法熱解過程需要900℃，耗能較大。該方發納米顆粒不經濟。


（2）噴霧干燥法

噴霧干燥法是先將鋁鹽溶液與氨水反應制成氧化鋁溶膠，再將氧化鋁溶膠在150-240℃下噴霧干燥，制備得到納米球形氧化鋁粉體。

該方法相比于噴霧熱解法法，優點是：可減少能量的消耗。

 

噴霧干燥法制備球形納米氧化鋁粉體SEM圖


（3）噴射熔融法

噴射熔融法是利用等離子焰直接將固體鋁粉或氧化鋁粉熔融，然后馬上做退火處理，通過調節載氣成分和直流電弧的功率可以控制球形化程度，并可以制備空心結構。納米粒徑難以控制和得到。

 

等離子噴霧熔融法制備球形氧化鋁


三、球形氧化鋁應用

1、陶瓷添加劑

加入一定的納米球形氧化鋁粉體，可以有效的解決陶瓷由于低溫脆性而應用范圍窄的缺點，由此可以制成低溫塑性球形氧化鋁陶瓷；在常規陶瓷中添加5.0%的納米球形氧化鋁粉體可以有效的增加陶瓷的韌性，并且降低陶瓷的燒結溫度。


2、復合材料  

納米球形氧化鋁粉體不僅可以用于合成新型的具有特殊性能的復合陶瓷材料，還可以用來和其他納米陶瓷材料混合制造人工牙齒和骨骼。

 

納米球形氧化鋁粉體應用于陶瓷及復合材料


3、表面防護涂層     

納米球形氧化鋁粉體粒子噴涂在金屬、塑料等上，形成保護陶瓷層，以及球形滾珠效果，可以極大的提高表面的硬度、耐腐蝕性、耐磨性和防火性，可用于機械、刀具以及化工管道等表面防護。

 

納米球形氧化鋁應用于金屬刀具表面防護


4、光學材料

球形納米氧化鋁粉體對250nm以下的紫外光有很強的吸收能力，如果把幾個的球形納米氧化鋁粉摻雜到稀土熒光粉中，可以利用納米紫外吸收的藍移現象來吸收掉有害的紫外光，而且還不會降低熒光粉的發光效率。球形納米氧化鋁可燒結成透明陶瓷，作為高壓鈉燈管的材料，可以和稀土熒光粉復合作為口光燈管的發光材料，不僅降低成本而且延長壽，是未來制造口光燈管的主要熒光材料。

 

球形納米氧化鋁燒結成透明陶瓷高壓鈉燈管


5、半導體材料     

納米級球形氧化鋁粉體對濕度極為敏感，在溫度傳感器上有著極高的應用價值，可以被廣泛應用于大規模集成電路的襯底材料，以及用作多種傳感器材料。  

 

球納米形氧化鋁粉體集成電路的襯底材料


6、催化劑及其載體     

多空球形氧化鋁粉體的比表面積大，顆粒表面有著極其豐富的失配鍵和欠氧鍵，在壓成薄片時會含豐富的孔洞，孔洞率達30-40%，可制成多孔薄膜過濾器，以此制成的催化劑及催化劑載體的性能，比目前使用的同類產品的性能要優越數倍以上。

 

球形氧化鋁粉應用于催化劑載體


參考文獻：

1、袁杰，于站良，陳家輝等，高純氧化鋁粉制備研究進展，材料導報。

2、施劍林，高建華，阮美玲，均相沉淀法制備球形氫氧化鋁顆粒及其熱分解行為。