CN110697746A - 一种热等离子体制备亚微米级球形氧化铝粉体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种热等离子体制备亚微米级球形氧化铝粉体的方法，属于氧化铝粉体制备领域，包括以下步骤：(1)将铝粉和氧化铝粉按比例均匀混合；(2)用含氧气体作为载气，将混合粉体输送入热等离子体反应器；(3)在等离子体反应器中，铝粉依次经历气化‑氧化‑沉积过程，氧化铝粉依次经历气化‑沉积过程；(4)以氧化铝粉为原料的产物首先沉积生成纳米氧化铝颗粒，以铝粉为原料的产物后续沉积在纳米氧化铝颗粒上；(5)生成的亚微米级氧化铝粉体随气流进入等离子体产物收集系统。本发明的方法简单易行、产品质量高、环境污染少、成本低廉，所制备的氧化铝粉体纯度高、粒径均匀、颗粒尺寸为亚微米、形状为球形，能满足锂离子电池陶瓷隔膜的特定需求。

Description

一种热等离子体制备亚微米级球形氧化铝粉体的方法
技术领域
本发明属于氧化铝粉体制备领域，涉及一种制备亚微米级球形氧化铝粉体的方法。更详细地说，此发明提出一种采用热等离子体气化铝粉和氧化铝粉的混合物获得亚微米级氧化铝粉体的方法。利用铝粉和氧化铝粉在等离子体反应器中经历的变化过程的差异，以及此差异导致的气相沉积过程的时间差异，将氧化铝颗粒的形成过程分解为成核和长大两个过程，为纳米颗粒的长大提供保障，获得亚微米级氧化铝粉体。
背景技术
亚微米级氧化铝粉体指颗粒尺寸介于纳米和微米之间的粉体，通常情况下指颗粒尺寸为100nm-1μm的粉体。氧化铝由于其具有无比优越的物理、热学、光学、力学性能，广发应用于制作集成电路陶瓷基片、绿色照明用三基色荧光粉、汽车传感器、磁带添加剂、催化剂载体涂层、半导体及液晶显示器、透明高压钠灯管、精密仪表及航空光学器件等的重要基础材料。近年来，高纯氧化铝粉体在喷墨打印机用纸涂层、显示器材料、能源、汽车、半导体及电脑领域得到拓展应用。
电池行业中，氧化铝是锂离子电池陶瓷复合隔膜的主要原材料之一。氧化铝具有绝缘、隔热、耐高温等特性，在锂电池隔膜上涂一层氧化铝涂层，可避免电极之间短路，提高锂电池使用安全性。近年来，随着不断增长的新能源汽车生产和销售，对锂离子电池材料的需求进一步增加。锂离子电池隔膜的产量基本取决于其下游锂离子电池的产销量情况，而锂离子电池未来的增长主要来自于新能源汽车和能源存储。陶瓷隔膜对氧化铝的性能要求包括如下几点：(1)粒径均匀性，能很好的粘接到隔膜上，又不会堵塞隔膜孔径；(2)颗粒尺寸为亚微米，一般要求氧化铝的粒径为0.5um左右；(3)氧化铝纯度高，不能引入杂质，影响电池内部环境，一般要求氧化铝的纯度大于99.9％，以99.99％为最佳。
目前制备高纯氧化铝粉体的方法主要有：硫酸铝铵热解法，碳酸铝铵热解法，火花放电法，有机醇铝水解法，高纯铝箔胆碱水解法，活性高纯铝粉水解法等。
文献专利主要集中在高纯氧化铝和纳米氧化铝方面，如中国专利文献201110393444.2报道了一种利用热等离子体制备氧化铝的方法，在等离子体弧中实现金属铝粉的快速氧化过程，得到了高纯纳米氧化铝粉体。专门针对亚微米级氧化铝粉体的报道随着锂离子电池陶瓷复合隔膜的兴起逐渐受到关注。其中中国专利文献201810324418.6报道了一种低比表面积亚微米氧化铝的制备方法，首先采用湿法球磨工艺将煅烧氧化铝研磨至中位粒径0.1～1μm，然后将湿法研磨的氧化铝进行干燥、煅烧和破碎得到成品。中国专利文献201410566806.7报道了一种亚微米氧化铝超细粉体串级研磨制备方法，研磨完成后喷雾干燥得到超细亚微米级氧化铝粉体。直接采用气相合成法一步获得亚微米级氧化铝粉体的报道很少见。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单易行、产品质量高、环境污染少、成本低廉的亚微米级氧化铝制备方法。采用铝粉和氧化铝粉为原料，在热等离子体反应系统内对原料进行加热，等离子体反应气氛为氧化气氛，促进原料粉体经过气化、反应、沉积，最终获得亚微米级氧化铝粉体。具体操作步骤如下：
(1)将铝粉和氧化铝粉按比例均匀混合；
(2)用含氧气体作为载气，将铝粉和氧化铝粉组成的混合粉体输送入热等离子体反应器；
(3)在等离子体反应器中，铝粉依次经历气化-氧化-沉积过程，氧化铝粉依次经历气化-沉积过程；
(4)以氧化铝粉为原料的产物首先沉积生成纳米氧化铝颗粒，以铝粉为原料的产物后续沉积在纳米氧化铝颗粒上；
(5)生成的亚微米级氧化铝粉体随气流进入等离子体产物收集系统，获得亚微米级氧化铝粉体。
铝粉在等离子体中与氧气发生的氧化反应是一个放热过程，铝粉与氧气发生放热反应提高了反应区域的温度，反应区域温度升高对气相产物氧化铝后续的沉积过程起延迟作用。本申请与背景技术部分提及的现有技术有着本质的区别，通过对原料进行组合设计，利用铝粉氧化放热和氧化铝气化吸热的巨大差异，形成沉积时间差，人为区分颗粒成核和长大的过程，避免集中成核导致的颗粒长大难问题，获得亚微米级的氧化铝粉体，满足锂离子电池等领域对亚微米级粉体的特殊需求。
进一步地，步骤(2)中，在铝粉和氧化铝粉组成的混合粉体中，氧化铝的质量分数为20-80％。
进一步地，步骤(2)中，含氧气体中氧气的体积分数为5-100％。
进一步地，步骤(1)中，铝粉纯度要求高于99.99％，氧化铝粉纯度要求高于99.99％。
进一步地，步骤(1)中，铝粉和氧化铝粉采用球磨机混合，优选行星球磨机，为了保证原料免受污染，球磨罐和磨球选用氧化铝材质，纯度要求高于99.99％。
进一步地，等离子体反应器设置保温和冷却装置。
进一步地，所获得氧化铝粉体为亚微米级球形氧化铝粉体。
进一步地，所获得亚微米级球形氧化铝粉体用于锂离子电池陶瓷隔膜。
本发明所提供的一种热等离子体制备亚微米级氧化铝粉体的方法，具有工艺简单易行、产品质量高、环境污染少、成本低廉的优点，所制备的氧化铝粉体纯度高、粒径均匀、颗粒尺寸为亚微米、形状为球形，能够满足锂离子电池陶瓷复合隔膜对氧化铝的特定需求。
附图说明
图1是本发明所给出的制备亚微米级氧化铝粉体的工艺流程示意图。
图2是实施例1中所得到的亚微米级氧化铝粉体的XRD图。
图3是实施例1中所得到的亚微米级氧化铝粉体的粒度分布图。
具体实施方式
实施例1
采用行星球磨机作为混合原料的设备，氧化铝材质的球磨罐容积为1L，氧化铝材质的磨球直径为5mm，球料比为3：1，转速20Hz，混料时间为60min。采用功率为10kW的高频感应热等离子体合成设备，用于产生等离子体的气体采用氩气，中心气流量为1.5m3/h，边气流量为4.0m3/h。
称取500g铝粉和500g氧化铝粉放入球磨罐，同时加入3kg磨球，在手套箱中进行气氛置换，采用氩气置换球磨罐中的空气，然后盖上上盖，在球磨机中混合均匀后，转移至等离子体加料器。
启动等离子体合成系统。开启载气，载气流量为0.5m3/h，其中氩气0.3m3/h，氧气0.2m3/h。开启加料器，加料量为20g/min。不加冷却气体。
加料60min后，按顺序停止加料、停止通入载气、关闭等离子体合成系统。待系统自然冷却后，从收料系统中收集氧化铝产品，并进行XRD和粒度分布表征，结果如图2、图3所示。
实施例2
混合原料的设备和高频感应热等离子体合成设备及参数与实例1相同。
称取200g铝粉和800g氧化铝粉放入球磨罐，同时加入3kg磨球，在手套箱中进行气氛置换，采用氩气置换球磨罐中的空气，然后盖上上盖，在球磨机中混合均匀后，转移至等离子体加料器。
启动等离子体合成系统。开启载气，载气流量为0.5m3/h，其中氩气0.3m3/h，氧气0.2m3/h。开启加料器，加料量为20g/min。不加冷却气体。
加料60min后，按顺序停止加料、停止通入载气、关闭等离子体合成系统。待系统自然冷却后，从收料系统中收集氧化铝产品，并进行纯度和粒度表征。
实施例3
混合原料的设备和高频感应热等离子体合成设备及参数与实例1相同。
称取800g铝粉和200g氧化铝粉放入球磨罐，同时加入3kg磨球，在手套箱中进行气氛置换，采用氩气置换球磨罐中的空气，然后盖上上盖，在球磨机中混合均匀后，转移至等离子体加料器。
启动等离子体合成系统。开启载气，载气流量为0.5m3/h，其中氩气0.3m3/h，氧气0.2m3/h。开启加料器，加料量为20g/min。不加冷却气体。
加料60min后，按顺序停止加料、停止通入载气、关闭等离子体合成系统。待系统自然冷却后，从收料系统中收集氧化铝产品，并进行纯度和粒度表征。
实施例4
混合原料的设备和高频感应热等离子体合成设备及参数与实例1相同。
称取500g铝粉和500g氧化铝粉放入球磨罐，同时加入3kg磨球，在手套箱中进行气氛置换，采用氩气置换球磨罐中的空气，然后盖上上盖，在球磨机中混合均匀后，转移至等离子体加料器。
启动等离子体合成系统。开启载气，载气流量为0.5m3/h，其中氩气0.2m3/h，氧气0.3m3/h。开启加料器，加料量为20g/min。不加冷却气体。
加料60min后，按顺序停止加料、停止通入载气、关闭等离子体合成系统。待系统自然冷却后，从收料系统中收集氧化铝产品，并进行纯度和粒度表征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。

Claims (10)

1.一种热等离子体制备亚微米级球形氧化铝粉体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铝粉和氧化铝粉按比例均匀混合；
(2)用含氧气体作为载气，将铝粉和氧化铝粉组成的混合粉体输送入热等离子体反应器；
(3)在等离子体反应器中，铝粉依次经历气化-氧化-沉积过程，氧化铝粉依次经历气化-沉积过程；
(4)以氧化铝粉为原料的产物首先沉积生成纳米氧化铝颗粒，以铝粉为原料的产物后续沉积在纳米氧化铝颗粒上；
(5)生成的亚微米级氧化铝粉体随气流进入等离子体产物收集系统，获得亚微米级氧化铝粉体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，在铝粉和氧化铝粉组成的混合粉体中，氧化铝的质量分数为20-80％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，含氧气体中氧气的体积分数为5-100％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，铝粉纯度要求高于99.99％，氧化铝粉纯度要求高于99.99％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，铝粉和氧化铝粉采用球磨机混合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述球磨机为行星球磨机。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，球磨罐和磨球选用氧化铝材质，纯度要求高于99.99％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子体反应器设置保温和冷却装置。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所获得氧化铝粉体为亚微米级球形氧化铝粉体。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所获得亚微米级球形氧化铝粉体用于锂离子电池陶瓷隔膜。
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