CN103241753B - 一种α-氧化铝的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种α-氧化铝的制备方法，该方法采用硝酸铵或氯化铵为矿化剂，将其与水合氧化铝原料混合，经焙烧、冷却制得一种粒度分布均匀、比表面积大的α-氧化铝，该方法工艺过程简单，设备要求低，成本低廉，操作方便。

Description

一种α-氧化铝的制备方法

技术领域

本发明涉及氧化铝制备技术领域，具体地说，本发明涉及一种α-氧化铝的制备方法。

背景技术

目前，氧化铝是氧化物中比较重要的一种。它广泛应用于催化剂、催化剂载体、吸附剂、耐火材料、陶瓷材料等。氧化铝存在多种晶相，其中常见的有γ、δ、κ、η、θ、α等。在这些相中α相是稳定相，其余为亚稳相。在前驱体焙烧过程中，生成的无定形氧化铝向亚稳相氧化铝转变，此过程属于非晶格重整过程，再经过足够高的温度焙烧，这些亚稳相氧化铝都可以转变成α相氧化铝，此过程属于晶格重整过程，因此需要较高的能量。除一水硬铝石外，其它的氧化铝水合物前驱体需要在1100℃以上转化为α相。不足的是，这样高的温度会使原本精细的过渡相粉末粗化，生成的α-氧化铝粒子粒径很大，且粒子之间有“烧结颈”，形成“蛭石状”很难分开的硬团聚结构。解决这一问题的有效措施是降低焙烧温度。常晖等人“影响氧化铝微粉晶形因素的探讨，铝镁通讯，2008，(4)：15～20”，研究表明添加晶种可以降低α-氧化铝的相变温度。刘伟等人“矿化剂对α-氧化铝原晶形貌的影响及在新产品开发中的应用，轻金属，2005，(3)：14～17”，研究发现矿化剂可以控制α-氧化铝原晶的大小和形貌、郭颖等人“碳/氧化物复合物中碳层对氧化物相变的影响，物理化学学报，2010，26(7)：1887～1892”，表明含碳物质可以降低α-氧化铝的相变温度。其中，通过焙烧的方法制备α-氧化铝常选用的矿化剂有氟化物、硼酸、铵盐等。这些矿化剂可以降低α-氧化铝的晶相转变温度，改变原晶形状。

中国专利CN100577289C公开了NH₄F、AlF₃可以加速氧化铝晶相转变，从而降低α-氧化铝晶相转变温度。硼酸通过与氧化铝的晶格碱反应造成氧化铝晶格缺陷，从而促进氧化铝晶相转变过程。RaiendranS等人“Production of ultrafine alpha alumina powders and fabrication offine grained strong ceramics，J Mater Sci，1994，29：5664～5672”，以硝酸铝为主要原料，将水合氧化铝、水合氧化铝与α-氧化铝晶种、水合氧化铝与45％硝酸铵以及水合氧化铝与α-氧化铝晶种及45％硝酸铵的混合物高温焙烧进行制备陶瓷的研究，得出铵盐在焙烧过程中发生分解，该过程为放热反应，释放能量，造成亚稳相氧化铝晶格缺陷，从而有利于使水合氧化铝在较低温度下实现氧化铝晶相转变。而且分解产生气体的动态过程能够抑制产物的团聚烧结，有利于得到粒径尺寸小、比表面积大的产物。

目前，已有文献以工业氧化铝为原料，采用干粉共混的方法研究矿化剂硝酸铵对制备α-氧化铝原晶形貌的影响，干粉共混易于造成原料混合不均匀。在以硝酸铝为原料制备陶瓷的研究中，矿化剂硝酸铵和晶种共同作用降低氧化铝晶相转变温度的作用，但是硝酸铵用量大，且工艺复杂，成本较高。因此，需要开发一种原料选择范围大，原料混合均匀，工艺简单，成本低廉，且所获的α-氧化铝的粒径尺寸小、比表面积大的利用铵盐类矿化剂的α-氧化铝制备技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种α-氧化铝的制备方法，该方法采用硝酸铵、氯化铵为矿化剂，制备出一种粒度分布均匀、比表面积大的α-氧化铝，该方法工艺过程简单，设备要求低，成本低廉，操作方便。

为此，本发明提供了一种α-氧化铝的制备方法，包括：

步骤A，配制矿化剂水溶液；

步骤B，将水合氧化铝原料与矿化剂水溶液混合制得水合氧化铝/矿化剂混合物；

步骤C，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干后研磨粉碎制得水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；

步骤D，将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒焙烧，冷却制得α-氧化铝微粒；

其中，步骤B中所述水合氧化铝/矿化剂混合物中所述矿化剂的质量分数为3.5～10.0％。

根据本发明方法，步骤A中所述矿化剂包括硝酸铵或氯化铵。

在本发明的一个实施例中，步骤B中所述水合氧化铝与矿化剂水溶液混合在搅拌条件下进行，其搅拌时间为30～90min。

根据本发明，步骤B中所述水合氧化铝原料为粉末状，选自一水软铝石、湃铝石、三水铝石、或一水软铝石与三水铝石的混合物中任意一种。所述一水软铝石与三水铝石的混合物的质量比例为2.2∶1～3.5∶1。

在本发明的一个实施例中，步骤C中所述烘干温度为50～90℃。

根据本发明方法，步骤D中所述焙烧包括将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉，程序升温及恒温焙烧的过程，其中程序升温过程中的升温速率为2～10℃/min。所述恒温焙烧过程的温度为1100～1400℃，时间为2～5h。

在本发明的一个实施例中，步骤D中所述冷却过程是在室温条件下自然冷却至室温。

在根据本发明方法的一个实施例中，步骤D所述α-氧化铝微粒的粒径为3.9～47.0μm，径距为0.80～2.64，比表面积为0.22～1.90m²/g。

本发明所采用的矿化剂，在焙烧过程中释放能量，造成亚稳相氧化铝晶格缺陷，有利于晶相转变，能够使氧化铝原粉在相对较低温度下转变成α-氧化铝。同时，矿化剂受热分解，释放气体，气体的不断释放使氧化铝粉体颗粒处于相对“动态”的煅烧状态，在一定程度上抑制粉体颗粒的团聚，有利于得到粒径尺寸小、粒度分布均匀、比表面积大的α-氧化铝。本发明方法工艺过程简单，设备要求低，成本低廉，操作方便。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明：

图1为实施例1制备的α-氧化铝微粒的XRD(X射线衍射仪)谱图。

图2为实施例2制备的α-氧化铝微粒的SEM(扫描电子显微镜)谱图。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，这些实施例和附图仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。

实施例

实施例1：

将硝酸铵加入到去离子水中配制成硝酸铵水溶液；将一水软铝石粉末加入到上述硝酸铵溶液中混合，搅拌50min，得到水合氧化铝/矿化剂混合物，该混合物中矿化剂的质量分数为4.0％；在60℃条件下，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干，并研磨粉碎成水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉中，从室温开始以4℃/min速率程序升温至1200℃，恒温焙烧3h；然后自然冷却至室温，得到α-氧化铝微粒。

用X射线衍射仪(美国热电公司，ARL X’TRA)对所制得的α-氧化铝微粒进行结晶度分析，结果见图1；用扫描电子显微镜(美国FEI公司，XL-30)观察α-氧化铝微粒的表面结构，结果见图2；用激光粒度分析仪(英国马尔文公司，2000型)测得α-氧化铝微粒的粒度和径距，结果见表1。α-氧化铝微粒的结晶度分析结果见图1，图1中α-氧化铝微粒的XRD谱图说明该产物为α-氧化铝；从图2和表1可以清楚的观察到α-氧化铝颗粒分散，粒度分布均匀。

实施例2：

将硝酸铵加入到去离子水中配制成硝酸铵水溶液；将湃铝石粉末加入到上述硝酸铵溶液中混合，搅拌30min，得到水合氧化铝/矿化剂混合物，该混合物中矿化剂的质量分数为4.0％；在50℃条件下，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干，并研磨粉碎成水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉中，从室温开始以6℃/min速率程序升温至1250℃，恒温焙烧3.5h；然后自然冷却至室温，得到α-氧化铝微粒。产物的X射线衍射分析结果和表面分析结果见表1。

实施例3：

将硝酸铵加入到去离子水中配制成硝酸铵水溶液；将三水铝石粉末加入到上述硝酸铵溶液中混合，搅拌60min，得到水合氧化铝/矿化剂混合物，该混合物中矿化剂的质量分数为3.5％；在90℃条件下，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干，并研磨粉碎成水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉中，从室温开始以8℃/min速率程序升温至1100℃，恒温焙烧4h；然后自然冷却至室温，得到α-氧化铝微粒。产物的X射线衍射分析结果和表面分析结果见表1。

实施例4：

将硝酸铵加入到去离子水中配制成硝酸铵水溶液；将三水铝石粉末加入到上述硝酸铵溶液中混合，搅拌80min，得到水合氧化铝/矿化剂混合物，该混合物中矿化剂的质量分数为8.0％；在60℃条件下，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干，并研磨粉碎成水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉中，从室温开始以5℃/min速率程序升温至1100℃，恒温焙烧4h；然后自然冷却至室温，得到α-氧化铝微粒。产物的X射线衍射分析结果和表面分析结果见表1。

实施例5：

将氯化铵加入到去离子水中配制成氯化铵水溶液；将三水铝石粉末加入到上述氯化铵溶液中混合，搅拌90min，得到水合氧化铝/矿化剂混合物，该混合物中矿化剂的质量分数为4.0％；在80℃条件下，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干，并研磨粉碎成水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉中，从室温开始以5℃/min速率程序升温至1200℃，恒温焙烧3h；然后自然冷却至室温，得到α-氧化铝微粒。产物的X射线衍射分析结果和表面分析结果见表1。

实施例6：

将硝酸铵加入到去离子水中配制成硝酸铵水溶液；将一水软铝石和三水铝石(一水软铝石与三水铝石的质量比为2.5∶1)粉末加入上述硝酸铵溶液中混合，搅拌50min，得到水合氧化铝/矿化剂混合物，该混合物中矿化剂的质量分数为4.0％；在60℃条件下，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干，并研磨粉碎成水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉中，从室温开始以2℃/min速率程序升温至1100℃，恒温焙烧5h；然后自然冷却至室温，得到α-氧化铝微粒。产物的X射线衍射分析结果和表面分析结果见表1。

实施例7：

将氯化铵加入到去离子水中配制成氯化铵水溶液；将一水软铝石和三水铝石(一水软铝石与三水铝石的质量比为3∶1)粉末加入到上述硝酸铵溶液中混合，搅拌50min，得到水合氧化铝/矿化剂混合物，该混合物中矿化剂的质量分数为10.0％；在70℃条件下，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干，并研磨粉碎成水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉中，从室温开始以10℃/min速率程序升温至1400℃，恒温焙烧2h；然后自然冷却至室温，得到α-氧化铝微粒。产物的X射线衍射分析结果和表面分析结果见表1。

对比例1

向三水铝石粉末中加入去离子水，搅拌90min，将所得到的水合氧化铝在80℃条件下烘干，并研磨粉碎成水合氧化铝微粒；将水合氧化铝微粒放入马弗炉中，从室温开始以5℃/min速率程序升温至1200℃，恒温焙烧3h；然后自然冷却至室温，得到α-氧化铝微粒。产物的X射线衍射分析结果和表面分析结果见表1。

表1

从上述实施例及对比例1可以看出，根据本发明方法以水合氧化铝为原料，采用硝酸铵、氯化铵为矿化剂制得的α-氧化铝，粒度较小，且分布较为均匀，比表面积大；而不采用矿化剂所制得的α-氧化铝，粒度较大，比表面积较小；可见，本发明所采用的矿化剂，有利于晶相转变，能够使氧化铝原粉在相对较低温度下转变成α-氧化铝。同时，矿化剂受热分解，释放气体，气体的不断释放使氧化铝粉体颗粒处于相对“动态”的煅烧状态，在一定程度上抑制粉体颗粒的团聚，有利于得到粒径尺寸小、粒度分布均匀、比表面积大的α-氧化铝。

Claims (9)

1.一种α-氧化铝的制备方法，包括：

步骤A，配制矿化剂水溶液；

步骤B，将水合氧化铝原料与矿化剂水溶液混合制得水合氧化铝/矿化剂混合物；

步骤C，将水合氧化铝/矿化剂混合物烘干后研磨粉碎制得水合氧化铝/矿化剂混合物微粒；

步骤D，将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒焙烧，冷却制得α-氧化铝微粒；

其中，步骤B中所述水合氧化铝/矿化剂混合物中所述矿化剂的质量分数为3.5～10.0％；

步骤C中所述烘干温度为50～90℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A中所述矿化剂包括硝酸铵或氯化铵。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤B中所述水合氧化铝与矿化剂水溶液混合在搅拌条件下进行，其搅拌时间为30～90min。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：步骤B中所述水合氧化铝原料为粉末状，选自一水软铝石、湃铝石、三水铝石、或一水软铝石与三水铝石的混合物中任意一种。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述一水软铝石与三水铝石的混合物的质量比例为2.2:1～3.5:1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤D中所述焙烧包括将水合氧化铝/矿化剂混合物微粒放入马弗炉，程序升温及恒温焙烧的过程，其中程序升温过程中的升温速率为2～10℃/min。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述恒温焙烧过程的温度为1100～1400℃，时间为2～5h。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤D中所述冷却过程是在室温条件下自然冷却至室温。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤D所述α-氧化铝微粒的粒径为3.9～47.0μm，径距为0.80～2.64，比表面积为0.22～1.90m²/g。