CN110357134B - 一种氢氧化铝合成过程粒径控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种氢氧化铝合成过程粒径调控方法，包括以偏铝酸钠、硫酸、晶种为原料制备氢氧化铝，首先通过“酸蚀处理‑离心分级”的方法得到不同粒径的活性晶种，在反应过程中通过调节晶种粒径、体系酸度两种方式协同作用实现产品粒径精准控制。本发明制备的氢氧化铝产品D50粒径在2‑10μm范围内可调控，产品粒径分布均一、形貌规则，可满足高端应用领域的多种需求。

Description

一种氢氧化铝合成过程粒径控制方法
技术领域
本发明主要涉及无机阻燃剂领域，具体涉及一种氢氧化铝合成过程粒径调控方法。
背景技术
随着全球各国对于各种材料的阻燃等级要求逐渐提高，阻燃材料引起了全社会的关注，获得了广阔的发展空间。氢氧化铝（Aluminium hydroxide），化学式Al(OH)3，200℃以上开始失水变成Al2O3，两性氢氧化物。氢氧化铝是全球用量最大和应用最广的无机阻燃添加剂，其不仅具有阻燃的特性，而且具有防止发烟、不产生滴下物和有毒气体、燃烧后无二次污染、填充效果好、成本较低等优点，使用量呈逐年增加趋势。
因此，随着其应用领域越来越广泛及需求量的增加，对氢氧化铝的要求也越来越高，不同领域的材料对于氢氧化铝添加剂的要求是不同的，其主要影响因素在于粒径。尤其是在一些高端的电子电器领域内，高分子基材一般要求氢氧化铝具有超细粒径、粒径分布均一、形貌规则等，这些特征将有利于高分子材料的高温成型，提高高分子基材的机械性能，并提高其阻燃等级。传统氢氧化铝制备工艺对于粒径的调控手段非常有限，仅通过活性晶种的加入量来调控粒径尺寸的变化。该方法调控手段单一，存在严重的生产不稳定性，导致产品粒径分布不均一、产品微观形貌不规则，无法精准调控产品粒径范围。目前氢氧化铝的高端应用性能受到该问题的严重限制。
发明内容
针对现有氢氧化铝制备工艺中粒径控制技术存在的一系列问题，本发明以偏铝酸钠、硫酸、氢氧化铝晶种为原料合成氢氧化铝，在合成过程中通过多种技术方法协同作用，实现对产品粒径的精准调控，同时达到产品粒径分布均一、微观形貌规则的效果。同时该方法技术操作难度低、运行稳定性高、不增加额外生产设备，适合大规模工业化生产推广应用。
本发明的目的是通过下述具体技术方案实现的：
一种氢氧化铝合成过程粒径控制方法，具体包括以下步骤：
1）将氢氧化铝加入至稀硫酸水溶液中，配制成分散液，搅拌处理60min，将分散液加入至高速离心瓶，设置离心转速和时间，将上层分散液分出，即为含有统一粒径的晶种分散液；
2）将步骤1）获得的统一粒径的晶种分散液加入至反应瓶，升温至50-70℃，开启搅拌，将偏铝酸钠溶液与硫酸水溶液，同时滴加入反应瓶，滴加时间2-8h，加料结束后继续保温2h，反应液过滤分离，热水淋洗滤饼，滤饼150℃干燥4h后得到粒径分布统一的晶体。
优选的，步骤1）中稀硫酸水溶液质量浓度为2.5-7.5%；
优选的，步骤1）中所述的晶种分散液的固含量质量分数为5-15%；
优选的，步骤1）中所述的晶种分散液，其粒径范围包括0-1um，1-3um，3-5um，5-7um，7-10um五种；
优选的，步骤2）中所述的晶种分散液的用量为所用偏铝酸钠溶液质量的1/2；
优选的，步骤2）中所述的偏铝酸钠与硫酸的摩尔比为1:1~1:1.1；
优选的，步骤2）中所述的偏铝酸钠的苛性比为1.4；
优选的，步骤1）中，氢氧化铝与稀硫酸水溶液的质量比为0.1~1：9；
本发明的技术方法主要包括：
1、通过酸蚀处理将氢氧化铝颗粒进行活化，并使得团聚颗粒解聚出不同粒径大小的活性晶种，通过离心力变化，筛选分离出不同粒径范围的活性晶种，不同粒径活性晶种的使用可以诱导合成不同粒径范围的产品；
2、通过调控偏铝酸钠与硫酸的摩尔比来控制反应体系酸度，使产生的氢氧化铝产品在不同酸浓度下发生解聚过程，实现对产品的尺寸的精准调控和对微观形貌的修饰。
本发明的有益效果：
1、晶种是结晶过程中诱导产品结晶及生长的关键因素，晶种的活度与尺寸直接决定了氢氧化铝结晶过程中晶核的数量、大小，从影响产品最终的颗粒尺寸。未经过处理的氢氧化铝颗粒，晶体表面结晶度较高，晶体表面能较低，在诱导晶体生长时活性较低，难以提供晶体继续生长的活性位点。本发明通过配制氢氧化铝/硫酸溶液，使游离氢与两性氢氧化铝化合物发生酸碱中和反应，导致氢氧化铝晶体表面受到酸蚀而变得“凹凸不平”，即产生晶体缺陷。晶体的缺陷位置表面能较高，存在有大量的不稳定化学键，可作为晶体继续生长的活性位点，从而制备出活性晶种。
不同尺寸的晶种颗粒在溶液中具有不同的悬浮力，通过施加不同的离心力可以使得不同粒径范围的颗粒发生沉降行为。以此为基础在不同的离心速度和离心时间对晶种分散液进行分离，得到多种粒径范围的晶种分散液。本发明的“酸蚀活化-离心分级”的活性晶种制备方法，具有简单高效的特点，在后期的晶体生长过程中有非常好的诱导功能，有利于解决产品粒径分布不均一、微观形貌差的问题。
2、结晶过程中晶体之间的团聚是导致氢氧化铝产品粒径不稳定的主要原因，本发明为解决合成过程中的晶体团聚问题，创新性地采用调节反应体系酸度的方法来实现颗粒团聚体的解聚行为。通过设置偏铝酸钠与硫酸不同的摩尔比，使反应体系内酸度有较大的差异，酸性较强的反应体系会有利于团聚体的解聚，产品粒径会较小。这是由于过量的硫酸对于氢氧化铝具有溶解性，且溶解过程中优先溶解团聚体中间的“粘结点”，一般来说粘结点的氢氧化铝结晶度较低，容易被溶解，“粘结点”被溶解后，大颗粒的团聚体被分散位多个粒径均一的小颗粒体。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合具体的实施例对本发明的新方法做进一步的阐述说明，但不应将此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
将10g普通氢氧化铝产品加入至90g的浓度为5%的稀硫酸水溶液中，搅拌制成均匀分散液，将分散液转移入至高速离心瓶，5000r/min离心10min，将上层分散液倒出，得到粒径范围为0-1um的活性晶种分散液；向离心瓶中继续加入90g稀硫酸水溶液，4000r/min离心10min，将上层分散液倒出，得到粒径范围为1-3um的活性晶种分散液；向离心瓶中继续加入90g稀硫酸水溶液，3000r/min离心10min，将上层分散液倒出，得到粒径范围为3-5um的活性晶种分散液；向离心瓶中继续加入90g稀硫酸水溶液，2000r/min离心10min，将上层分散液倒出，得到粒径范围为5-7um的活性晶种分散液；向离心瓶中继续加入90g稀硫酸水溶液，搅拌均匀得到粒径范围为7-10um的活性晶种分散液。将上述五种晶种分散液用于下列实施例中。
实施例2
将粒径范围为0-1um的活性晶种分散液加入至反应瓶，升温至65℃，开启搅拌，将200g偏铝酸钠溶液（1.433mol）与128.7g的60%浓度硫酸水溶液（0.788mol），在8h内同时滴加入反应瓶，继续保温2h，反应液过滤分离，500g热水淋洗滤饼，滤饼150℃干燥4h后得到本发明产品①，其粒径尺寸D50为1.15um。
实施例3
将粒径范围为7-10um的活性晶种分散液加入至反应瓶，升温至65℃，开启搅拌，将200g偏铝酸钠溶液（1.433mol）与117.03g的60%浓度硫酸水溶液（0.717mol），在8h内同时滴加入反应瓶，继续保温2h，反应液过滤分离，500g热水淋洗滤饼，滤饼150℃干燥4h后得到本发明产品②，其粒径尺寸D50为8.70um。
实施例4
将粒径范围为1-3um的活性晶种分散液加入至反应瓶，升温至65℃，开启搅拌，将200g偏铝酸钠溶液（1.433mol）与117.03g的60%浓度硫酸水溶液（0.774mol），在8h内同时滴加入反应瓶，继续保温2h，反应液过滤分离，500g热水淋洗滤饼，滤饼150℃干燥4h后得到本发明产品③，其粒径尺寸D50为2.47um。
实施例5
将粒径范围为3-5um的活性晶种分散液加入至反应瓶，升温至65℃，开启搅拌，将200g偏铝酸钠溶液（1.433mol）与117.03g的60%浓度硫酸水溶液（0.752mol），在8h内同时滴加入反应瓶，继续保温2h，反应液过滤分离，500g热水淋洗滤饼，滤饼150℃干燥4h后得到本发明产品④，其粒径尺寸D50为4.67um。
实施例6
将粒径范围为5-7um的活性晶种分散液加入至反应瓶，升温至65℃，开启搅拌，将200g偏铝酸钠溶液（1.433mol）与117.03g的60%浓度硫酸水溶液（0.731mol），在8h内同时滴加入反应瓶，继续保温2h，反应液过滤分离，500g热水淋洗滤饼，滤饼150℃干燥4h后得到本发明产品⑤，其粒径尺寸D50为7.23um。

Claims (4)

1.一种氢氧化铝合成过程粒径控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1）将氢氧化铝加入至稀硫酸水溶液中，配制成分散液，搅拌处理60min，将分散液加入至高速离心瓶，设置离心转速和时间，将上层分散液分出，即为含有统一粒径的晶种分散液；
2）将步骤1）获得的统一粒径的晶种分散液加入至反应瓶，升温至50-70℃，开启搅拌，将偏铝酸钠溶液与硫酸水溶液，同时滴加入反应瓶，滴加时间2-8h，加料结束后继续保温2h，反应液过滤分离，热水淋洗滤饼，滤饼150℃干燥4h后得到粒径分布统一的晶体；
步骤1）中稀硫酸水溶液质量浓度为2.5-7.5%；
步骤1）中所述的晶种分散液的固含量质量分数为5-15%；
步骤2）中所述的偏铝酸钠与硫酸的摩尔比为1:1~1:1.1；
步骤1）中，氢氧化铝与稀硫酸水溶液的质量比为0.1~1：9。
2.如权利要求1所述的氢氧化铝合成过程粒径控制方法，其特征在于，步骤1）中所述的晶种分散液，其粒径范围包括0-1um，1-3um，3-5um，5-7um，7-10um五种。
3.如权利要求1所述的氢氧化铝合成过程粒径控制方法，其特征在于，步骤2）中所述的晶种分散液的用量为所用偏铝酸钠溶液质量的1/2。
4.如权利要求1所述的氢氧化铝合成过程粒径控制方法，其特征在于，步骤2）中所述的偏铝酸钠的苛性比为1.4。
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