CN107473248A - 单分散高纯纳米氧化铝粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单分散高纯纳米氧化铝粉体的制备方法，以高纯氧化铝粉体和高纯水为原料，包括将固含量为18％～45％的浆料通过二级研磨过滤后，进行精细分级，继而经微波干燥和超声振动打散后得到纯度与其原料粉体相当且不低于4N，D97/D50≤1.8的单分散高纯纳米氧化铝粉体的过程。其工艺简单，易于操控，尤其是其制备的产品纯度高、单分散性高，颗粒尺寸分级精细，粒度容易控制，适用于锂电隔膜涂层、透明陶瓷、高密度氧化铝陶瓷球、高端精密陶瓷、超薄陶瓷涂层材料。

Description

单分散高纯纳米氧化铝粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及氧化铝粉体的制备方法，尤其涉及一种单分散高纯纳米氧化铝粉体的制备方法。

背景技术

高纯纳米氧化铝具有良好的热学、光学、电学、磁学以及化学方面的性质，因此被应用于传统产业以及新材料、微电子、宇航工业等高科技领域。如高纯纳米α氧化铝可以涂覆在锂电池隔膜上，具有耐热收缩性，耐有机溶剂，拉伸强度高，穿刺强度高，破膜温度高，与电解液相容性好，能够大大提高锂电池的安全性和循环使用性能；高纯纳米α氧化铝可改善先进陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂增韧性、抗蠕变性能；高纯纳米α氧化铝可作为性能优异的远红外发射材料和高压钠灯中；高纯纳米α氧化铝还被用于制备透明陶瓷YAG激光晶体；高纯纳米氧化铝还被用于制作蓝宝石晶体，用于LED衬底片和消费电子类窗口材料等。

纳米氧化铝粉体的制备方法有铝粉燃烧法、热分解法、化学沉淀法、溶胶凝胶法、喷雾热解法、溶剂热法、冷冻干燥法、微乳液法等。但纳米α氧化铝的制备非常难，其根本原因是α相转变温度在1000℃以上。一般纳米氧化铝制备方法得到的纳米前驱体必须要经过1000℃以上的高温煅烧，而在此过程中纳米颗粒将产生严重的团聚和烧结，存在一定的超粗或者超细的颗粒，这在实际生产过程中难以避免的。在实际生产中，只能通过研磨方式得到颗粒较细的粉体，但不可避免的研磨会出现研磨不彻底的客观情况，而且研磨后粉体活性高容易团聚，尤其湿磨后干燥，由于颗粒较大的表面引力发生不同程度的再次团聚，最终得到粒度分布比较宽的粉体。

若想得到粒度分布比较均匀的粉体，只能对粉体材料进行分级，常见的分级方法有筛分法，气流分级法，液流分级，沉降分级法等，但以上这些方法有的难以实现纳米粉体筛分，有的分级效率不高，有的分级精度不高，无法同时满足超细粉体的分级，不能实现实际生产的需要。如专利CN104230349公开了一种粒度分布窄的超细、纳米粉体制备方法，其采用了水力分级的措施，但事实在于，水力分级的方法对于达到微米以下，尤其是纳米级的粉体，是无法实现粒度分级的。

高纯氧化铝的工艺生产制备一般有醇盐水解法(5N)，直接水解法(4N5)，硫酸铝氨法(4N5)，改良拜耳法(4N)等方法，烧结后生产的颗粒一般都较粗，若想制备高纯超细的纳米粉体，必须经过研磨，但在球磨过程中，球磨介质的磨损会引进杂质元素，无法真正达到高纯的要求。上述4N纯度为99.99％，4N5纯度为99.995％，5N纯度为99.999％。如前述专利CN104230349采用了含有金属离子的分散剂十二烷基硫酸钠等及在研磨过程中采用了金属球磨罐；又如专利CN105347778公开了一种锂电池陶瓷隔膜用高纯超细氧化铝制备方法，旨在获得高纯度，单分散性好的超细氧化铝粉体，但其采用了氧化锆陶瓷材料作为研磨介质球和喷雾干燥方式，及在最后进行粉碎时采用了气流粉碎的方式，而热空气或常温气流的纯度均难以控制；由此可见，上述工艺或是原料及设备的选取无疑会引入杂质而影响粉体的纯度。

综上所述，现有生产工艺无法实现高纯、纳米、窄分布的氧化铝的生产需求，只有通过改进工艺方法，严格控制工艺流程及有关材料的选择，才能真正得到单分散高纯纳米氧化铝粉，满足相应的质量要求。

发明内容

鉴于现有技术所存在的问题，本发明旨在提供一种单分散性高纯纳米氧化铝粉体的制备方法，以简便易行的操作工艺获得纯度高，单分散性好的纳米氧化铝粉体。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种单分散高纯纳米氧化铝粉体的制备方法，以高纯氧化铝粉体和高纯水为原料，包括如下步骤：

(1)配制浆料：将所述高纯粉体加入到所述高纯水中混合配制成固含量为18％～45％的浆料；

(2)二级研磨过滤：包括浆料依次进行粗磨、细磨和过滤；其中，

所述粗磨是将所述浆料置于粗搅拌磨中，以直径为6～12mm的高纯氧化铝研磨球为研磨介质，在600～800r/min的转速下搅拌研磨1～3h；

所述细磨是将粗磨后的浆料置于细搅拌磨中，以直径为3～5mm的高纯氧化铝研磨球为研磨介质，加入分散剂，1500～2000r/min的转速下搅拌研磨4～12h；继而过滤；

所述分散剂选用只含有碳、氢、氧、氮的有机化合物分散剂；

(3)精细分级：将研磨过滤后的浆料移到多级离心设备中，经转速由低到高的2～3个级别的离心处理后，分离出由粗至细3～4个不同粒度级别的物料；

(4)微波干燥：对前述精细分级所得的不同粒度级别的物料分别微波干燥成粉；

(5)打散：利用超声振动将干燥后的粉分别打散，获得不同粒径的单分散纳米氧化铝粉体；

其中，所述高纯氧化铝粉体原料的纯度不低于99.99％；所述高纯水的电阻值不低于15MΩ；最终制备所得的单分散高纯纳米氧化铝粉体的纯度与其原料粉体相当，不低于99.99％，其D97/D50≤1.8。

具体的，为防止引入杂质，步骤(2)中所述的粗、细搅拌磨均采用聚氨酯内衬；

所述分散剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇、N甲基吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮等中的一种或一种以上混合物。

进一步的，步骤(3)中，所述研磨过滤后的浆料依次经过由低到高两个转速级别的离心处理，获得由粗到细3个不同粒度级别的物料；其中，低速离心处理的转速为3000～5000r/min，高速离心处理的转速为6000～10000r/min。

步骤(4)中，采用的干燥设备为隧道式微波干燥，传送带为耐高温的聚四氟乙烯材质。

相比现有技术，本发明的制备方法的优点是明显的：

1.所制备的纳米氧化铝粉体的纯度高：为达到高纯度的目标，所述制备方法从原料到设备到每一个工艺环节，包括原料粉体为4N以上，配以高纯水，以高纯氧化铝研磨球为研磨介质，选用只含有碳、氢、氧、氮的有机化合物分散剂，包括所用的搅拌磨采用聚氨酯内衬，包括采用微波干燥方式，包括采用超声振动打散方式等等，皆以保证产品的高纯度为考虑，避免引入任何杂质或污染，而其最终也的确达到了这一目的，采用本发明的方法所制备的纳米氧化铝粉体的纯度与其原料粉体相当，保证了4N以上的品质。

2.所制备的纳米氧化铝粉体粒度分级精细，单分散性好：在保证产品高纯度的同时，本发明利用多级离心沉降分离方式，保证了粉体颗粒尺寸的精细分级和单分散性，所得粉体D97/D50≤1.8，粒径D50分为0.2～0.5μm，0.6～1.1μm，1.2～2.0μm三种级别，可用于满足不同领域的高科技产品需求。

综上，本发明所述单分散高纯纳米氧化铝粉体的制备方法工艺简单，易于操控，尤其是其制备的产品纯度高、单分散性高，颗粒尺寸分级精细，粒度容易控制，适用于锂电隔膜涂层、透明陶瓷、高端精密陶瓷、超薄陶瓷涂层材料。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的具体描述：

实施例1

分别称取纯度为4N(99.99％)的高纯氧化铝粉18kg和高纯水82kg。首先将82kg水加入到粗搅拌磨中，然后将18kg高纯氧化铝粉缓慢地加入到高纯水中混合，在600r/min下低速粗磨，配制成固含量约为18％的粗磨浆液，搅拌1小时；将粗磨浆液输送到细搅拌磨中，加入占粉体质量分数0.1％的分散剂聚丙烯酸胺，在1500r/min下高速细磨，球磨4小时；用800目的筛网对细磨浆料进行过滤；然后将过滤浆料转移到多级离心机中，一级离心机离心5min，转速3000r/min，将未沉降的轻组分液相转移到二级离心机，剩下的为重组分A级物料(最粗级)；二级离心机离心5min，转速6000r/min，将未沉降的轻组分液相移出为C级物料(最细级)，剩下的重组分为B级物料(中间级)。然后将收集到上述物料分别进行微波干燥和超声振动打散得到高纯纳米氧化铝粉体。经分析检测：所得粉体纯度为4N，粒度分别是：

A级：D10＝1.00μm,D50＝1.57μm，D97＝2.35μm；

B级：D10＝0.45μm,D50＝0.83μm，D97＝1.25μm；

C级：D10＝0.12μm,D50＝0.44μm，D97＝0.72μm。

实施例2

分别称取纯度为4N5(99.995％)的高纯氧化铝粉30kg和高纯水70kg，首先将70kg水加入到粗搅拌磨中，再将30kg高纯氧化铝粉逐渐加入到纯水中混合，在700r/min下低速粗磨，配制成固含量约为30％的粗磨浆液，搅拌2小时；将粗磨浆液输送到细搅拌磨中，加入占粉体质量分数0.2％的分散剂聚乙二醇，在1800r/min下高速细磨，球磨8小时；用600目的筛网对细磨浆料进行过滤；然后将过滤浆料转移到多级离心机中，一级离心机离心8min，转速4000r/min，将未沉降的轻组分液相转移到二级离心机，剩下的为重组分A级物料(最粗级)；二级离心机离心8min，转速8000r/min，将未沉降的轻组分液相移出即为C级物料(最细级)，剩下的重组分为B级物料(中间级)；然后将收集到不同粒径的物料分别进行微波干燥，超声振动打散，得到高纯纳米氧化铝粉，经分析检测：样品的纯度为4N5，粒度分别是：

A级：D10＝0.68μm,D50＝1.32μm，D97＝2.09μm；

B级：D10＝0.33μm,D50＝0.71μm，D97＝1.20μm；

C级：D10＝0.12μm,D50＝0.35μm，D97＝0.59μm。

实施例3

分别称取纯度为5N(99.999％)的高纯氧化铝粉45kg和高纯水55kg，首先将55kg水加入到粗搅拌磨中，然后将45kg高纯氧化铝粉逐渐加入到纯水中混合，在800r/min下低速粗磨，配制成固含量约为45％的粗磨浆液，搅拌3小时；将粗磨浆液输送到细搅拌磨中，加入占粉体质量分数0.5％的分散剂聚丙烯酸，在2000r/min下高速细磨，球磨12小时；用400目的筛网对细磨浆料进行过滤；然后将过滤浆料转移到多级离心机中，一级离心机离心12min，转速5000r/min，将未沉降的轻组分液相转移到二级离心机，剩下的为重组分A级物料(最粗级)；二级离心机离心12min，转速10000r/min，将为沉降的轻组分液相移出即为C级物料(最细级)，剩下的重组分为B级物料(中间级)；然后将收集到不同粒径的物料分别进行微波干燥和超声振动打散得到高纯纳米氧化铝粉，经分析检测：样品的纯度为5N，粒度分别是：

A级：D10＝0.54μm,D50＝1.17μm，D97＝1.97μm；

B级：D10＝0.36μm,D50＝0.59μm，D97＝0.88μm；

C级：D10＝0.07μm,D50＝0.21μm，D97＝0.37μm。

将上述实施例列表如下：

上述实施例中，所述高纯水的电阻值不低于15MΩ；在研磨过程中所用的搅拌磨，无论粗细搅拌磨，均采用聚氨酯内衬；在粗磨过程中，以直径为6～12mm的高纯氧化铝研磨球为研磨介质，在细磨过程中，以直径为3～5mm的高纯氧化铝研磨球为研磨介质。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其技术构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单分散高纯纳米氧化铝粉体的制备方法，以高纯氧化铝粉体和高纯水为原料，包括如下步骤：

(1)配制浆料：将所述高纯粉体加入到所述高纯水中混合配制成固含量为18％～45％的浆料；

(2)二级研磨过滤：包括浆料依次进行粗磨、细磨和过滤；其中，

所述粗磨是将所述浆料置于粗搅拌磨中，以直径为6～12mm的高纯氧化铝研磨球为研磨介质，在600～800r/min的转速下搅拌1～3h；

所述细磨是将粗磨后的浆料置于细搅拌磨中，以直径为3～5mm的高纯氧化铝研磨球为研磨介质，加入分散剂，1500～2000r/min的转速下搅拌4～12h；继而过滤；

所述分散剂选用只含有碳、氢、氧、氮的有机化合物分散剂；

(3)精细分级：将研磨过滤后的浆料移到多级离心设备中，经转速由低到高的2～3个级别的离心处理后，分离出由粗至细3～4个不同粒度级别的物料；

(4)微波干燥：对前述精细分级所得的不同粒度级别的物料分别微波干燥成粉；

(5)打散：利用超声振动将干燥后的粉分别打散，获得不同粒径的单分散纳米氧化铝粉体；

其中，所述高纯氧化铝粉体原料的纯度不低于99.99％；所述高纯水的电阻值不低于15MΩ；最终制备所得的单分散高纯纳米氧化铝粉体的纯度与其原料粉体相当，不低于99.99％，其D97/D50≤1.8。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤(2)中所述的粗、细搅拌磨均采用聚氨酯内衬；

所述分散剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇、N甲基吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或一种以上混合物。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：

步骤(3)中，所述研磨过滤后的浆料依次经过由低到高两个转速级别的离心处理，获得由粗到细3个不同粒度级别的物料；其中，低速离心处理的转速为3000～5000r/min，高速离心处理的转速为6000～10000r/min。