CN110846689A - 一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法 - Google Patents

一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法 Download PDF

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Abstract

一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，包括以下步骤：(1)将铝或铝合金熔化浇铸制成阳极板；将高纯铝熔化浇铸制成阴极板；(2)将NaCl、KCl和AlCl3烘干后混合制成三元熔盐电解质；或将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3烘干后混合制成四元熔盐电解质；(3)在电解槽内放入熔盐电解质加热至融化；安装阳极板和阴极板；通电进行电解，铝以离子形式进入电解质熔盐，在阴极板析出；(4)阴极板取出水洗，电解质溶于水中，铝粉聚集体进入氯化物溶液；过滤分离后滤渣经真空烘干后球磨制成铝粉。本发明的方法制备的铝粉纯度高，粒度小，原料来源广泛；铝粉表面不含氧、氮等杂质元素。

Description

一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法
技术领域
本发明属于粉体制备技术领域，具体涉及一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法。
背景技术
铝粉因具有高活性、高燃值、比表面积大等多种优良性能而被广泛应用于各个领域；在航空航天领域中，铝粉可以缩短点火延迟时间，降低燃烧率压力指数，并提高推进剂的燃烧稳定性；对于工业炸药，在炸药中添加纳米铝粉可以提高炸药的爆炸速度；在建筑领域，铝粉可用作混凝土的产气剂，降低混凝土质量；铝粉的另一个主要用途是制备铝颜料，是一种重要的金属颜料，主要用于涂料、油墨、塑料的生产，已经被广泛应用于汽车、电子、家电、建材、塑料、纺织材料等领域。
铝粉的工业化生产已有100多年的历史，按制备方法分为空气雾化铝粉、球磨铝粉、粉碎铝粉和氮气雾化铝粉四类。雾化法是生产铝粉的主要方法，空气雾化法生产铝粉有近90年的历史；起初，各国的铝粉生产工艺大都采用二战期间发明的空气雾化法，该方法工艺简单，但细粉率低，无法生产高质量的球形铝粉，并且生产极不安全。后来，在空气雾化法的基础上进行改进，采用氮气作为雾化过程的保护介质，克服了空气雾化法的某些缺点，使氮气雾化法成为铝粉制备行业中的主流。但是雾化法的缺点在于生产效率低、超细粉末的收得率不高，铝粉表面容易氧化或氮化，生产的铝粉含氧化铝或氮化铝导致纯度下降，作为其他金属还原剂使用时容易引入氧、氮杂质。
发明内容：
针对现有铝粉制备技术存在的上述问题，本发明提供一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法。本发明以铝/铝合金为阳极，纯铝板(铝含量99.99％以上)为阴极，以NaCl-KCl-AlCl3三元熔盐体系或NaCl-LiCl-KCl-AlCl3四元熔盐体系为熔盐电解质，在温度低于170℃的熔盐体系中进行电解，使阳极中的铝以离子形式进入熔盐体系中，并在阴极上以铝粉形式析出，形成高纯度超细铝粉产品。
本发明的方法包括以下步骤：
1、将铝或铝合金在700～1200℃的温度下熔化，浇铸制成铝板材或铝合金板材，作为阳极板并安装阳极导杆；将高纯铝在700～1200℃的温度下熔化，浇铸制成铝板材，作为阴极板并安装阴极导杆；所述的高纯铝纯度99.99％以上；
2、将NaCl、KCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成三元熔盐电解质；或者将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；三元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 60～70％，NaCl 15～25％，其余为KCl；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 50～70％，NaCl 10～25％，KCl 10～15％，其余为LiCl；
3、在电解槽内放入三元熔盐电解质或四元熔盐电解质，加热至融化形成电解质熔盐；将阳极板和阴极板安装在电解槽内，用盖板将电解槽封闭；通过电源对阳极板和阴极板施加直流电进行电解，阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐，并在阴极板上以铝粉聚集体的形式析出；
4、电解2～10h后，将附着有铝粉聚集体的阴极板取出用水清洗，使阴极板上附带的电解质溶于水中形成氯化物溶液，同时铝粉聚集体进入氯化物溶液内；通过过滤分离氯化物溶液和滤渣，滤渣经真空烘干后获得铝粉聚集体；铝粉聚集体经球磨制成铝粉产品。
上述的铝粉产品纯度99.8％以上，粒度≤50μm。
上述的阳极板的厚度5～50mm，长度100～1500mm，宽度100～1500mm；阴极板尺寸与阳极板相同。
上述的铝合金为铝铜合金、铝钛合金、铝钒合金、铝镁合金、铝钙合金或铝硅合金，按质量百分比含Al 50～90％。
上述的步骤2中，烘干去除水分的温度100～250℃，时间2～10h。
上述的步骤3中，进行电解时的电解温度100～170℃。
上述的步骤3中，进行电解时的阳极电流密度10～100mA/cm2，电解极距5～30mm。
上述的步骤3中，阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐后，阳极板表面形成孔状结构。
上述的步骤3中，进行电解时阳极板发生的反应为：
Al+7AlCl4 --3e＝4Al2Cl7 -；
阴极板发生的反应为：
4Al2Cl7 -+3e-＝Al+7AlCl4 -、
2AlCl4 -＝Al2Cl7 -+Cl-和
AlCl4 -+3e-＝Al+4Cl-。
上述的步骤4中，电解2～10h后将附着有铝粉的阴极板取出，用新阴极板替换继续进行电解；用水清洗后的阴极板作为新阴极板循环使用。
上述的步骤4中，真空烘干的真空度≤50Pa，烘干温度70～150℃，烘干时间1～10h。
上述方法中，当采用铝板材作为阳极板时，进行电解至阳极板完全溶解，然后更换新阳极板；当采用铝合金板作为阳极板时，进行电解5～20h后，更换新阳极板。
上述的步骤1中，铝或铝合金为工业级铝或铝合金，或者为回收废铝或废铝合金。
上述方法中，当采用铝合金板作为阳极板时，阳极板中的铝全部溶解后，剩余的金属铜、钛、钒、镁或钙从阳极脱落形成金属粉；当铜、钛、钒、镁或钙作为副产金属粉时，在电解槽内的阴极板和阳极板之间设置隔板用于防止铝粉与其他金属粉混合；所述的隔板均匀分布有通孔，通孔孔径80～300目。
上述的隔板材质为聚四氟、不锈钢或玻璃。
上述的隔板厚度2～5mm。
本发明中制备的铝粉为高纯超细铝粉，与传统雾化法制备的铝粉相比，铝粉纯度高，粒度小，原料来源广泛；铝粉表面不含氧、氮等杂质元素；根据本发明的方法，将铜、钛、钒等高熔点金属与铝制成二元合金进行可溶阳极电解，在生产铝粉的同时还可生产铜、钛、钒等金属粉。
附图说明：
图1为本发明实施例1中的电解槽结构示意图；
图2为本发明实施例2中的电解槽结构示意图；
图中，1、热电偶，2、阳极导杆，3、阴极导杆，4、盖板，5、电解槽槽体，6、保温材料，7、电阻加热体，8、阴极板，9、阳极板，10、铝粉聚集体，11隔板；
图3为本发明实施例1中的铝粉XRD图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例1中采用的电解槽结构如图1所示，包括电解槽槽体5和盖板4；电解槽槽体5外设有保温材料6，保温材料6和电解槽槽体5之间设有电阻加热体7，电阻加热体7通过导线与外部的加热电源连接；电解槽槽体5内设有多个阴极板8和阳极板9，阴极板8和阳极板9交替排列；阴极板8和阳极板9的上部分别安装有阴极导杆3和阳极导杆2；阴极导杆3和阳极导杆2穿过电解槽槽体5上方的盖板4，并通过导线分别与外部的直流电源的两极连接；热电偶1穿过盖板4插入电解槽槽体5内的电解质熔盐中。
本发明实施例2中采用电解槽结构如图2所示，各阴极板9和阳极板8之间设有隔板11，隔板10均匀分布有通孔，通孔孔径80～300目，材质为聚四氟、不锈钢或玻璃，厚度2～5mm，其余同实施例1。
本发明实施例中采用的NaCl、KCl、LiCl和AlCl3为市购工业级产品。
本发明实施例中阳极板的厚度5～50mm，长度100～1500mm，宽度100～1500mm；阴极板尺寸与阳极板相同。
本发明实施例中铝或铝合金为工业级铝或铝合金，或者为回收废铝或废铝合金。
本发明实施例中阳极导杆和阴极导杆的材质为铝。
本发明实施例中对铝粉聚集体球磨是将团聚部分破碎分散。
实施例1
将铝在700℃的温度下熔化，浇铸制成铝板材，作为阳极板并安装阳极导杆；将高纯铝在700℃的温度下熔化，浇铸制成铝板材，作为阴极板并安装阴极导杆；高纯铝纯度99.99％以上；
将NaCl、KCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成三元熔盐电解质；三元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 65％，NaCl 20％，其余为KCl；烘干去除水分的温度100℃，时间10h；
在电解槽内放入三元熔盐电解质；对三元熔盐电解质加热至融化形成电解质熔盐；将阳极板和阴极板安装在电解槽内；用盖板将电解槽封闭，通过电源对阳极板和阴极板施加直流电进行电解，电解温度100℃，阳极电流密度100mA/cm2，电解极距5mm，阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐，并在阴极板上以铝粉聚集体的形式析出；
电解9h后，将附着有铝粉聚集体的阴极板取出用水清洗，使阴极板上附带的电解质溶于水中形成氯化物溶液，同时铝粉聚集体进入氯化物溶液内；通过过滤分离滤渣和氯化物溶液；用新阴极板替换继续进行电解；用水清洗后的阴极板作为新阴极板循环使用；
过滤后的滤渣经真空烘干后获得铝粉聚集体，再经球磨制成铝粉；真空烘干的真空度≤50Pa，烘干温度70～150℃，烘干时间1～10h；铝粉纯度99.8％以上，粒度10～50μm；XRD图如图3所示。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)将铝合金在1200℃的温度下熔化，浇铸制成铝合金板材；铝合金为铝铜合金，按质量百分比含Al 55％；将高纯铝在1200℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)三元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 6％，NaCl 25％，其余为KCl；烘干去除水分的温度120℃，时间9h；
(3)电解温度110℃，阳极电流密度10mA/cm2，电解极距30mm；阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐后，阳极板表面形成孔状结构；金属铜从阳极脱落形成铜粉；电解20h后，更换新阳极板；
(4)电解10h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)将铝在750℃的温度下熔化浇铸制成阳极板；将高纯铝在750℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)三元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 70％，NaCl 15％，其余为KCl；烘干去除水分的温度140℃，时间8h；
(3)电解温度120℃，阳极电流密度90mA/cm2，电解极距10mm；
(4)电解7h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)将铝在800℃的温度下熔化浇铸制成阳极板；将高纯铝在800℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 50％，NaCl 25％，KCl 10％，其余为LiCl；烘干去除水分的温度160℃，时间7h；
(3)在电解槽内放入四元熔盐电解质；对四元熔盐电解质加热至融化形成电解质熔盐；电解温度130℃，阳极电流密度80mA/cm2，电解极距15mm；
(4)电解5h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。
实施例5
方法同实施例2，不同点在于：
(1)将铝合金在900℃的温度下熔化；铝合金为铝钛合金，按质量百分比含Al90％；将高纯铝在900℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 70％，NaCl 10％，KCl 10％，其余为LiCl；烘干去除水分的温度180℃，时间6h；
(3)在电解槽内放入四元熔盐电解质；对四元熔盐电解质加热至融化形成电解质熔盐；电解温度135℃，阳极电流密度55mA/cm2，电解极距22mm；阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐后，阳极板表面形成孔状结构；电解16h后，更换新阳极板；
(4)电解8h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。
实施例6
方法同实施例2，不同点在于：
(1)将铝合金在1000℃的温度下熔化浇铸制成阳极板；铝合金为铝钒合金，按质量百分比含Al 50％；将高纯铝在1000℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 60％，NaCl 20％，KCl 10％，其余为LiCl；烘干去除水分的温度200℃，时间5h；
(3)在电解槽内放入四元熔盐电解质；对四元熔盐电解质加热至融化形成电解质熔盐；电解温度140℃，阳极电流密度70mA/cm2，电解极距20mm；阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐后，阳极板表面形成孔状结构；电解12h后，更换新阳极板；
(4)电解6h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。
实施例7
方法同实施例2，不同点在于：
(1)将铝合金在1100℃的温度下熔化浇铸制成阳极板；铝合金为铝镁合金，按质量百分比含Al 82％；将高纯铝在1100℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 50％，NaCl 15％，KCl 15％，其余为LiCl；烘干去除水分的温度220℃，时间4h；
(3)在电解槽内放入四元熔盐电解质；对四元熔盐电解质加热至融化形成电解质熔盐；电解温度145℃，阳极电流密度60mA/cm2，电解极距25mm；阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐后，阳极板表面形成孔状结构；电解8h后，更换新阳极板；
(4)电解4h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。
实施例8
方法同实施例2，不同点在于：
(1)将铝合金在950℃的温度下熔化浇铸制成阳极板；铝合金为铝钙合金，按质量百分比含Al 73％；将高纯铝在950℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 55％，NaCl 20％，KCl 12％，其余为LiCl；烘干去除水分的温度230℃，时间3h；
(3)在电解槽内放入四元熔盐电解质；对四元熔盐电解质加热至融化形成电解质熔盐；电解温度150℃，阳极电流密度50mA/cm2，电解极距20mm；阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐后，阳极板表面形成孔状结构；电解5h后，更换新阳极板；
(4)电解2h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。
实施例9
方法同实施例2，不同点在于：
(1)将铝合金在850℃的温度下熔化浇铸制成阳极板；铝合金为铝硅合金，按质量百分比含Al 66％；将高纯铝在850℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 65％，NaCl 11％，KCl 13％，其余为LiCl；烘干去除水分的温度240℃，时间3h；
(3)在电解槽内放入四元熔盐电解质；对四元熔盐电解质加热至融化形成电解质熔盐；电解温度160℃，阳极电流密度40mA/cm2，电解极距25mm；阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐后，阳极板表面形成孔状结构；电解7h后，更换新阳极板；
(4)电解3.5h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。
实施例10
方法同实施例1，不同点在于：
(1)将铝在750℃的温度下熔化浇铸制成阳极板；将高纯铝在750℃熔化浇铸制成铝板材作为阴极板；
(2)将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 52％，NaCl 18％，KCl 14％，其余为LiCl；烘干去除水分的温度250℃，时间2h；
(3)在电解槽内放入四元熔盐电解质；对四元熔盐电解质加热至融化形成电解质熔盐；电解温度170℃，阳极电流密度30mA/cm2，电解极距30mm；
(4)电解3h后将附着有铝粉聚集体的阴极板取出。

Claims (10)

1.一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将铝或铝合金在700～1200℃的温度下熔化，浇铸制成铝板材或铝合金板材，作为阳极板并安装阳极导杆；将高纯铝在700～1200℃的温度下熔化，浇铸制成铝板材，作为阴极板并安装阴极导杆；所述的高纯铝纯度99.99％以上；
(2)将NaCl、KCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成三元熔盐电解质；或者将NaCl、KCl、LiCl和AlCl3分别烘干去除水分，然后混合均匀制成四元熔盐电解质；三元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 60～70％，NaCl 15～25％，其余为KCl；四元熔盐电解质中按质量百分比含AlCl3 50～70％，NaCl 10～25％，KCl 10～15％，其余为LiCl；
(3)在电解槽内放入三元熔盐电解质或四元熔盐电解质，加热至融化形成电解质熔盐；将阳极板和阴极板安装在电解槽内，用盖板将电解槽封闭；通过电源对阳极板和阴极板施加直流电进行电解，阳极板中的铝以铝离子的形式进入电解质熔盐，并在阴极板上以铝粉聚集体的形式析出；
(4)电解2～10h后，将附着有铝粉聚集体的阴极板取出用水清洗，使阴极板上附带的电解质溶于水中形成氯化物溶液，同时铝粉聚集体进入氯化物溶液内；通过过滤分离氯化物溶液和滤渣，滤渣经真空烘干后获得铝粉聚集体；铝粉聚集体经球磨制成铝粉产品。
2.根据权利要求1所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于所述的铝粉产品纯度99.8％以上，粒度≤50μm。
3.根据权利要求1所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于所述的铝合金为铝铜合金、铝钛合金、铝钒合金、铝镁合金、铝钙合金或铝硅合金，按质量百分比含Al 50～90％。
4.根据权利要求1所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于步骤(3)中，进行电解时的电解温度100～170℃。
5.根据权利要求1所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于步骤(3)中，进行电解时的阳极电流密度10～100mA/cm2，电解极距5～30mm。
6.根据权利要求1所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于步骤(4)中，真空烘干的真空度≤50Pa，烘干温度70～150℃，烘干时间1～10h。
7.根据权利要求1所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于步骤(1)中采用铝板材作为阳极板时，步骤(4)中进行电解至阳极板完全溶解，然后更换新阳极板；步骤(1)中采用铝合金板作为阳极板时，步骤(4)中进行电解5～20h后，更换新阳极板。
8.根据权利要求1所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于步骤(1)中采用铝合金板作为阳极板时，步骤(4)中阳极板中的铝全部溶解后，剩余的金属铜、钛、钒、镁或钙从阳极脱落形成金属粉；当铜、钛、钒、镁或钙作为副产金属粉时，在电解槽内的阴极板和阳极板之间设置隔板用于防止铝粉与其他金属粉混合；所述的隔板均匀分布有通孔，通孔孔径80～300目。
9.根据权利要求8所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于所述的隔板材质为聚四氟、不锈钢或玻璃。
10.根据权利要求8所述的一种以铝/铝合金为原料制备铝粉的方法，其特征在于所述的隔板厚度2～5mm。
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