CN1085187A - 纳米级α-三氧化二铝颗粒的制备方法 - Google Patents
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- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Abstract
本发明涉及纳米级α-Al2O3超细颗粒的制备方
法。α-Al2O3超细颗粒是电子工业和高技术陶瓷必
需的化工原料。本发明的制备方法采用一般铝盐为
原料,通过加入一定的添加剂形成溶胶,在溶胶中分
别加入高聚物或高聚物单体,交联剂或引发剂,在一
定温度下,经有机高聚物型溶胶凝胶过程形成高聚物
凝胶。将凝胶经1200℃热处理后即可获得10~
50nmα-Al2O3颗粒。其方法采用铝盐价格低廉,操
作及控制方便,纳米化效果好,易工业化。
Description
本发明属于无机非金属材料的制备技术,涉及纳米级α-Al2O3颗粒的制备方法。
超细α-Al2O3颗粒是生产电子工业上集成电路基片,透明陶瓷灯管,荧光粉,录音(相)磁带,激光材料和高性能结构陶瓷的重要化工原料。α-Al2O3颗粒大小直接影响上述产品质量。按一般规律,颗粒尺度越小,更有利于制备各种高性能指标的产品,因此,人们非常重视对超细α-Al2O3颗粒制备的研究。目前只有制备亚微米级超细α-Al2O3颗粒的专利或报导,而纳米级超细α-Al2O3颗粒制备报导甚少。
一般来讲,人们把颗粒直径为0.05~1.00μm之间颗粒称为亚微米级超细颗粒,而把直径小于50nm颗粒称为纳米级超细(简称纳米级)颗粒。
商业生产亚微米级α-Al2O3颗粒主要技术有硫酸铝铵热解法,铝醇化物水解焙烧法,改良拜耳法,无机聚合物型溶胶凝胶法等。其中前三者较为常用。法国专利2486058报导了目前最新硫酸铝铵热解法工艺,其制备过程为将直径约为1mm的硫酸铝晶粒置于锥体旋转式钢珐琅胎脱水炉中,加热脱水后的产物放入圆形炉中灼烧,在1250℃左右温度下使之形成α-Al2O3颗粒,其尺度约为0.1~0.5μm。但硫酸铝铵转变成Al2O3过程中会出现热溶解现象,脱水体积膨胀不能获高产,和热分解中产生污染环境的SO2气体等问题。为了解决上述方法存在问题,人们提出置换SO2 4根而形成另一种铝盐,即碳酸铝铵法。此法是将一定量的碳酸氢铵溶液加入到硫酸铝铵水溶液中,两者之间立即产生反应,形成NH4AlO(OH)HCO3和少量Al(OH)3沉淀物,将沉淀物通过数次水洗后,去掉残余SO2 4根后,进行干燥和1200℃焙烧成α-Al2O3颗粒,其尺度约为0.2~1.0μm之间。但此方法的最终α-Al2O3性能指标与合成工艺参数(温度,浓度,PH值等)以及沉淀物干燥方式(喷雾干燥,加表面活性剂直接干燥、冷冻干燥)之间存在着密切关系,因此此方法控制不易,涉及到大量的去离子水和众多设备。铝醇化物水解焙烧法是将异丙醇铝或仲丁醇铝的醇溶液中加入水后产生水解,通过控制其水解产物的缩聚过程,来达到控制聚合产物Al2O3·3H2O颗粒大小,将Al2O3·3H2O颗粒通过1200~1350℃焙烧后形成α-Al2O3颗粒尺度为20nm~1000nm之间。此方法虽然能制备出纳米级超细α-Al2O3颗粒,但此方法化学反应控制要求很严,另外,此方法需要价格昂贵且不易保存的铝醇化物。
上述介绍制备α-Al2O3颗粒方法主要是用来制备亚微米级。但目前对由纳米颗粒制备出的纳米陶瓷研究表明,一般纳米陶瓷与微米级陶瓷有明显实质方面区别,主要表现在纳米陶瓷具有高强度,高韧性,低烧结温度,高致密度和纳米陶瓷独有超塑性。其最后一个性能可使一般陶瓷加工按金属材料那样进行锻造、挤压、弯曲等加工方式,无需常规那种烦琐的磨削就可以制备出精密尺寸的陶瓷部件。因此纳米陶瓷非常吸引人进行研究。对于以Al2O3为基的陶瓷要具有上述优越特性,必须要有纳米级α-Al2O3颗粒为前题。
本发明目的旨在开发一种制备简便、过程易控制、产率高,采用常规铝盐为原料,并且易在工业上推广的制备纳米级α-Al2O3颗粒的方法。
本发明的技术思路:
将价格低廉的铝盐形成水溶液,然后加入一定量的另一种化学物质。使溶液中形成不溶于水的并含Al的极微小颗粒(即溶胶)。在溶胶中加有机高聚物或高聚物单体,再加入交联剂或引发剂,使有机高聚物或高聚物单体产生聚合反应形成更大分子量聚合物,同时使溶胶体系转变成为凝胶体系。此反应过程在材料学上称为高聚物型溶胶凝胶过程。在此过程中固相微粒始终均匀地分布在有机物反应体系中。微粒与微粒之间被有机高聚物凝胶网络相互隔开,这样将呈类固态有机高聚物凝胶可方便地置于不同温度下处理,经过1200℃左右温度焙烧后,有机物分解,α-Al2O3颗粒形成。虽然在形成α-Al2O3相过程中Al2O3颗粒会长大,但由于初始颗粒内含Al2O3量少,尺度又小,因此最终形成α-Al2O3颗粒尺度一般为小于50nm,即纳米级超细颗粒。
根据上述思路,本发明的实质内容:
1.工艺流程如附图所示,图中符号的意义:
A-铝盐溶液,1-某种添加化学物质,B-溶胶,2-高聚物或高聚物单体,C-溶胶,3-交联剂或引发剂,D-高聚物凝胶,4-加温1150℃~1200℃,E-纳米级α-Al2O3颗粒。
2.工艺流程中采用的化学原料:
形成溶液的铝盐:硫酸铝铵或硝酸铝或氯化铝或碱式醋酸铝或硫酸铝等;
添加的化学物质:铵水或碳酸氢铵或六次甲基胺等;
高聚物:聚乙烯醇或壳聚糖或聚甲基丙烯酸甲酯;
高聚物单体:α-羟基丙烯酸或甲基丙烯酸或丙烯酰胺等;
交联剂:戊二醛或N-2烯基吡咯烷酮或乙二胺或二乙烯三胺或甲撑双丙烯酰胺;
引发剂:过氧甲苯或偶氮丁二晴或双氧水或过氧硫酸铵或过氧硫酸钾等。
3.本发明的制备方法:
在0.01~0.1M浓度铝盐水溶液中,加入一定量氨水(其浓度为含NH325~1%(重量含量),NH3/Al2O3重量比0.01~1)或碳酸氢铵溶液(其浓度为1~0.01M,NH4HCO3/Al2O3重量比25~4)或六次甲基胺溶液(其浓度为1~0.5M,(CH2)6N4/Al2O3重量比为10~1),在温度为10~70℃下反应,形成含铝微粒的溶胶体系后,加入高聚物或高聚物单体(其量与Al2O3的重量比为10~40),再加入交联剂(其量与高聚物或高聚物单体的重量比为0.01~0.30)和引发剂(其量与高聚物或高聚物单体的摩尔比为0.1~0.05),在25~100℃温度条件下进行高聚物型溶凝胶过程反应后,在几秒至几十小时内可产生高聚物凝胶,将凝胶在100℃下干燥几分钟~几十小时后,置于坩埚中在1100~1300℃下进行热处理几分钟至几个小时后,随炉冷却即可获得由含铝微粒分解而形成的α-Al2O3颗粒,其尺度在10nm~50nm范围内。
4.本发明的实施例:
在1000克0.1M硫酸铝铵溶液中逐滴加入200克1M碳酸氢铵溶液,此时立即会产生NH4AlO(OH)2HCO3微小颗粒,反应温度为15℃,然后加入300克聚乙烯醇(PVA),当PVA溶解完后,再加入100克戊二醛,这时将含高聚物和交联剂的溶胶体系置于90℃的水浴中反应,经15分钟后,形成高聚物凝胶。将凝胶在70℃下干燥1天后,放入Al2O3坩埚中,在硅碳棒炉内以5℃/min升温速率升至1200℃保温2小时后随炉冷却。这样获得的α-Al2O3颗粒平均尺寸可达到30nm,并且分布相当均匀。
与已有技术相比较本发明具有显著效果:
采用的原材料价格低廉,操作方便,控制容易,产出率高,无需大型专用设备,易在工业上推广使用。
Claims (3)
1、纳米级超细α-Al2O3颗粒的制备方法,其特征是:在0.01~0.1M浓度铝盐水溶液中,加入氨水其浓度为含NH325~1%(重量含量),NH3/Al2O3重量比0.01~1或碳酸氢铵溶液(其浓度为1~0.01M,NH4HCO3/Al2O3重量比为25~4)或六次甲基胺(其浓度为1~0.5M,(CH2)6N4/Al2O3重量比为10~1),在温度10~70℃下反应,形成含铝微粒的溶胶体系后,加入高聚物或高聚物单体(其量与Al2O3的重量比为10~40),再加入交联剂(其量与高聚物或高聚物单体的重量比为0.01~0.30)和引发剂(其量与高聚物单体的摩尔比为0.1~0.025),在25~100℃温度下进行高聚物型溶凝胶过程反应后,在几秒至几十小时内可产生高聚物凝胶,将凝胶在100℃下干燥几分钟至几十小时后,置于坩埚在1100~1300℃下进行热处理几分钟至几个小时后,随炉冷却即可获得α-Al2O3颗粒,其尺度在10nm~50nm范围内。
2、根据权利要求1所述的纳米级超细α-Al2O3颗粒的制备方法,其特征是所述铝盐包括硫酸铝铵或硝酸铝或氯化铝或碱式醋酸铝或硫酸铝;所述高聚物为聚乙烯醇或壳聚糖或聚甲基丙烯酸或丙烯酰胺等;所述交联剂为戊二醛或N-乙烯基吡咯烷酮或二乙烯三胺或甲撑双丙烯酰胺;引发剂为过氧甲苯或偶氮丁二晴或双氧水或过氧硫酸铵或过氧硫酸钾。
3、根据权利要求1或2所述的纳米级超细α-Al2O3颗粒制备方法,其特征是:在1000克0.1M硫酸铝铵溶液中逐滴加入200克1M碳酸氢铵溶液,在15℃温度下进行反应即产生NH4AlO(OH)2HCO3微小颗粒,然后加入300克聚乙烯醇(PVA),当PVA溶解完后,再加入100克戊二醛,形成含高聚物和交联剂的溶胶体系,将其置于90℃的水浴中反应,经15分钟后形成高聚物凝胶,将此凝胶在70℃下干燥1天后,放入Al2O3坩埚中,在硅碳棒炉内以5℃/min升温速率升至1200℃,保温2小时后随炉冷却,即获得纳米级超细α-Al2O3颗粒。
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