CN112059173A - 一种具有核壳结构的铝粉或铝合金粉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种具有核壳结构的铝粉或铝合金粉及其制备方法。其技术方案是：将铝粉或铝合金粉与液态硅酸钠混合，室温条件下磁力搅拌，抽滤，得到中间产物A。将中间产物A、硼酸铝粉、纳米氧化铝粉和铝溶胶混合，室温条件下磁力搅拌，离心分离，热气流中烘干，得到中间产物B。将中间产物B置于箱式气氛炉内，在800～1200℃和流动惰性气氛条件下热处理，冷却，制得具有核壳结构的铝粉或铝合金粉。本发明制备的具有核壳结构的铝粉或铝合金粉抗氧化和抗水化性能优良，能在300～1000℃范围内确保安全性和稳定性，能满足在耐火材料、金属陶瓷高温领域应用的需要。

Description

一种具有核壳结构的铝粉或铝合金粉及其制备方法

技术领域

本发明属于铝或铝合金复合粉体技术领域。尤其涉及一种具有核壳结构的铝粉或铝合金粉及其制备方法。

背景技术

铝粉或铝合金粉具有独特的性质，在化工、军工、高档金属颜料、复合材料、新型建材、耐火材料、防腐材料和烟花爆竹等领域具有广泛的应用。

然而，在一些特殊应用领域，如耐火材料和金属陶瓷领域，随着温度的升高，铝粉或铝合金粉更容易与环境中的氧气、水蒸气及其他酸碱介质发生反应，从而带来更大的危险性。

铝粉或铝合金粉的反应活性高，极易氧化，且在氧化过程中急剧放热。铝粉或铝合金粉也容易与环境中的酸、碱和水发生析氢反应，遇湿自燃，与氧化性物质混合会发生爆炸，属于乙类危险品。通常，铝粉或铝合金粉储存于阴凉、干燥、通风良好的专用库房内，库温不超过32℃和相对湿度不超过75％，远离火种、热源，应与氧化剂、酸类、卤素等分开存放，避免直接接触水或水蒸气。因此，人们不断寻求有效的方法对铝粉或铝合金粉进行保护处理，使其具有良好的安全性和稳定性。

目前，国内外对铝粉或铝合金粉进行表面处理的研究较多。“一种铝粉包覆的制备方法”(CN 101992295 A)专利技术，将铝粉与醇类溶剂混合搅拌，然后分别加入有机硅氧烷、水和pH调节剂，反应搅拌，抽滤，制得包覆的铝粉，虽然制备方法简单，也解决了铝粉在无铬水性达克罗涂料中的“析氢”问题，但是有机硅氧烷的耐温性有限，在300℃左右其结构已有一定程度的破坏，在接近或达到其分解温度后该保护涂层即完全失效，且部分有机硅氧烷存在接触空气后发生水解的问题，不能在复杂环境中保护铝粉；“一种车用免喷涂复合材料及其制备方法”(CN 110330723 A)专利技术，金属粉体采用双层包裹，里层为热固性树脂包覆、外层为二氧化硅纳米粉体包覆，虽然提高金属粉体表面的包覆程度，提高了里层的耐温性，但在250℃以上高温条件下，有机热固性树脂会裂解并释放出其他导致核壳结构损毁；“一种低缺陷石墨烯包覆铝粉微粒的制备方法”(CN 110449574 A)专利技术，在石墨烯分散液中加入铝或铝合金粉，搅拌混合，然后过滤和干燥，得到石墨烯包覆铝合金粉的复合铝粉材料，虽然制得氧化程度低，结构和化学的缺陷少的铝合金粉，但是该法制备的复合铝粉成本较高，并且温度升高后石墨烯极易氧化，从而失去保护效果。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法，用该方法制备的具有核壳结构的铝粉或铝合金粉抗氧化和抗水化性能优良，在300～1000℃范围内能确保具有核壳结构的铝粉或铝合金粉安全储存，能满足在耐火材料、金属陶瓷高温领域应用的需要。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

步骤一、按铝粉或铝合金粉∶液态硅酸钠的质量比为1∶(4～6)，将所述铝粉或铝合金粉与所述液态硅酸钠混合，室温条件下磁力搅拌5～10min，抽滤，得到中间产物A。

步骤二、按所述中间产物A∶硼酸铝粉∶纳米氧化铝粉∶铝溶胶的质量比为1∶(0.01～0.08)∶(0.01～0.03)∶(4～10)，将所述中间产物A、所述硼酸铝粉、所述纳米氧化铝粉和所述铝溶胶混合，室温条件下磁力搅拌10～30min，离心分离，再于110℃的热气流中烘12h，得到中间产物B。

步骤三、将所述中间产物B置于箱式气氛炉内，在800～1200℃和流动惰性气氛条件下热处理0.1～1h，冷却，制得具有核壳结构的铝粉或铝合金粉。

所述铝粉或铝合金粉的纯度大于99％，铝粉或铝合金粉的粒径为44～147μm；所述铝合金为铝镁合金、铝硅合金和铝锌合金中的一种。

所述液态硅酸钠：固含量为20～35％；模数为2～4；pH为8～11。

所述铝溶胶：固含量为5～20％；pH为2～5。

所述纳米氧化铝粉的纯度大于99.9％，平均粒径为20nm。

所述硼酸铝粉为分析纯，平均粒径为50μm。

所述惰性气氛为氮气或为氩气。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明所采用的液态硅酸钠具有较高的粘度，能迅速包裹在铝粉或铝合金粉表面并与之反应形成一层致密的含硅薄膜。含硅薄膜形成后，被包裹的铝粉或铝合金粉虽能直接与铝溶胶接触而不发生水化反应，但这层含硅薄膜在200℃以上会逐步脱水缩合，致密度将有所下降。而硼酸铝粉、纳米氧化铝粉及铝溶胶的加入，不仅增加了铝粉或铝合金粉表面壳层的厚度，而且高温下含硅薄膜、纳米氧化铝和硼酸铝反应形成致密的莫来石或莫来石-刚玉复合壳层。这种以莫来石为主的致密壳层能与铝粉或铝合金粉结合良好，能耐受高达1600℃的高温，具有良好的化学稳定性和热震稳定性，从而确保在300～1000℃环境下铝粉或铝合金粉的安全储存，且具有该核壳结构的铝粉或铝合金粉不会被氧化、水化或直接与其他介质反应。

置于箱式气氛炉内的中间产物B，在流动惰性气氛条件下进行热处理，一方面是防止高温下铝粉或铝合金粉氧化导致壳层的体积稳定性发生变化，确保壳层与铝粉或铝合金粉结合良好；另一方面是防止已生成核壳结构的粉体间粘连，避免影响后续粉体的使用。

本发明制备的具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的壳结构包含莫来石相和刚玉相，壳层紧密包裹在铝粉或铝合金粉表面，被包裹的铝粉或铝合金粉在80℃的水中放置24h未观察到气泡产生，被包裹的铝粉或铝合金粉在300～1000℃条件下稳定，在300～1000℃的空气气氛下处理12h，增重小于0.9％。

综上所述，本发明制备的具有核壳结构的铝粉或铝合金粉抗氧化和抗水化性能优良，能在300～1000℃范围内确保安全性和稳定性，能满足在耐火材料、金属陶瓷高温领域应用的需要。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，在实施例中不再赘述。

所述铝粉或铝合金粉的纯度大于99％，铝粉或铝合金粉的粒径为44～147μm。

所述纳米氧化铝粉的纯度大于99.9％，平均粒径为20nm。

所述硼酸铝粉为分析纯，平均粒径为50μm。

实施例1

一种具有核壳结构的铝粉及其制备方法。所述制备方法的步骤是：

步骤一、按铝粉∶液态硅酸钠的质量比为1∶4，将所述铝粉与所述液态硅酸钠混合，室温条件下磁力搅拌5min，抽滤，得到中间产物A。

步骤二、按所述中间产物A∶硼酸铝粉∶纳米氧化铝粉∶铝溶胶的质量比为1∶0.01∶0.01∶4，将所述中间产物A、所述硼酸铝粉、所述纳米氧化铝粉和所述铝溶胶混合，室温条件下磁力搅拌10min，离心分离，再于110℃的热气流中烘12h，得到中间产物B。

步骤三、将所述中间产物B置于箱式气氛炉内，在800℃和流动惰性气氛条件下热处理0.1h，冷却，制得具有核壳结构的铝粉。

所述液态硅酸钠：固含量为20％；模数为2；pH为8。

所述铝溶胶：固含量为5％；pH为5。

所述惰性气氛为氮气。

本实施例制备的具有核壳结构的铝粉的壳结构包含方石英相和莫来石相，壳层紧密包裹在铝粉表面，被包裹的铝粉在80℃的水中放置24h未观察到气泡产生，被包裹的铝粉在300℃条件下稳定，在300℃的空气气氛下处理12h，增重小于0.9％。

实施例2

一种具有核壳结构的铝镁合金粉及其制备方法。所述制备方法的步骤是：

步骤一、按铝镁合金粉∶液态硅酸钠的质量比为1∶4，将所述铝镁合金粉与所述液态硅酸钠混合，室温条件下磁力搅拌6min，抽滤，得到中间产物A。

步骤二、按所述中间产物A∶硼酸铝粉∶纳米氧化铝粉∶铝溶胶的质量比为1∶0.03∶0.01∶6，将所述中间产物A、所述硼酸铝粉、所述纳米氧化铝粉和所述铝溶胶混合，室温条件下磁力搅拌10min，离心分离，再于110℃的热气流中烘12h，得到中间产物B。

步骤三、将所述中间产物B置于箱式气氛炉内，在900℃和流动惰性气氛条件下热处理0.4h，冷却，制得具有核壳结构的铝合金粉。所述液态硅酸钠：固含量为25％；模数为3；pH为9。

所述铝溶胶：固含量为10％；pH为4。

所述惰性气氛为氮气。

本实施例制备的具有核壳结构的铝镁合金粉的壳结构包含方石英相和莫来石相，壳层紧密包裹在铝镁合金粉表面，被包裹的铝镁合金粉在80℃的水中放置24h未观察到气泡产生，被包裹的铝镁合金粉在600℃下稳定，在600℃的空气气氛下处理12h，增重小于0.9％。

实施例3

一种具有核壳结构的铝硅合金粉及其制备方法。所述制备方法的步骤是：

步骤一、按铝硅合金粉∶液态硅酸钠的质量比为1∶5，将所述铝硅合金粉与所述液态硅酸钠混合，室温条件下磁力搅拌8min，抽滤，得到中间产物A。

步骤二、按所述中间产物A∶硼酸铝粉∶纳米氧化铝粉∶铝溶胶的质量比为1∶0.06∶0.02∶8，将所述中间产物A、所述硼酸铝粉、所述纳米氧化铝粉和所述铝溶胶混合，室温条件下磁力搅拌20min，离心分离，再于110℃的热气流中烘12h，得到中间产物B。

步骤三、将所述中间产物B置于箱式气氛炉内，在1000℃和流动惰性气氛条件下热处理0.7h，冷却，制得具有核壳结构的铝合金粉。所述液态硅酸钠：固含量为30％；模数为4；pH为10。

所述铝溶胶：固含量为15％；pH为3。

所述惰性气氛为氩气。

本实施例制备的具有核壳结构的铝硅合金粉的壳结构包含莫来石相，壳层紧密包裹在铝硅合金粉表面，被包裹的铝硅合金粉在80℃的水中放置24h未观察到气泡产生，被包裹的铝硅合金粉在800℃下稳定，在800℃的空气气氛下处理12h，增重小于0.9％。

实施例4

一种具有核壳结构的铝锌合金粉及其制备方法。所述制备方法的步骤是：

步骤一、按铝锌合金粉∶液态硅酸钠的质量比为1∶6，将所述铝锌合金粉与所述液态硅酸钠混合，室温条件下磁力搅拌10min，抽滤，得到中间产物A。

步骤二、按所述中间产物A∶硼酸铝粉∶纳米氧化铝粉∶铝溶胶的质量比为1∶0.08∶0.03∶10，将所述中间产物A、所述硼酸铝粉、所述纳米氧化铝粉和所述铝溶胶混合，室温条件下磁力搅拌30min，离心分离，再于110℃的热气流中烘12h，得到中间产物B。

步骤三、将所述中间产物B置于箱式气氛炉内，在1200℃和流动惰性气氛条件下热处理1h，冷却，制得具有核壳结构的铝合金粉。

所述液态硅酸钠：固含量为35％；模数为4；pH为11。

所述铝溶胶：固含量为20％；pH为2。

所述惰性气氛为氩气。

本实施例制备的具有核壳结构的铝锌合金粉的壳结构包含莫来石相和刚玉相，壳层紧密包裹在铝锌合金粉表面，被包裹的铝锌合金粉在80℃的水中放置24h未观察到气泡产生，被包裹的铝锌合金粉在1000℃下稳定，在1000℃的空气气氛下处理12h，增重小于0.9％。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式所采用的液态硅酸钠具有较高的粘度，能迅速包裹在铝粉或铝合金粉表面并与之反应形成一层致密的含硅薄膜。含硅薄膜形成后，被包裹的铝粉或铝合金粉虽能直接与铝溶胶接触而不发生水化反应，但这层含硅薄膜在200℃以上会逐步脱水缩合，致密度将有所下降。而硼酸铝粉、纳米氧化铝粉及铝溶胶的加入，不仅增加了铝粉或铝合金粉表面壳层的厚度，而且高温下含硅薄膜、纳米氧化铝和硼酸铝反应形成致密的莫来石或莫来石-刚玉复合壳层。这种以莫来石为主的致密壳层能与铝粉或铝合金粉结合良好，能耐受高达1600℃的高温，具有良好的化学稳定性和热震稳定性，从而确保在300～1000℃环境下铝粉或铝合金粉的安全储存，且具有该核壳结构的铝粉或铝合金粉不会被氧化、水化或直接与其他介质反应。

置于箱式气氛炉内的中间产物B，在流动惰性气氛条件下进行热处理，一方面是防止高温下铝粉或铝合金粉氧化导致壳层的体积稳定性发生变化，确保壳层与铝粉或铝合金粉结合良好；另一方面是防止已生成核壳结构的粉体间粘连，避免影响后续粉体的使用。

本具体实施方式制备的具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的壳结构包含莫来石相和刚玉相，壳层紧密包裹在铝粉或铝合金粉表面，被包裹的粉末在80℃的水中放置24h未观察到气泡产生，被包裹的粉末在300～1000℃下稳定，在300～1000℃的空气气氛下处理12h，增重小于0.9％。

综上所述，本具体实施方式制备的具有核壳结构的铝粉或铝合金粉抗氧化和抗水化性能优良，能在300～1000℃范围内确保安全性和稳定性，能满足在耐火材料、金属陶瓷高温领域应用的需要。

Claims (8)

1.一种具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤是：

步骤一、按铝粉或铝合金粉∶液态硅酸钠的质量比为1∶(4～6)，将所述铝粉或铝合金粉与所述液态硅酸钠混合，室温条件下磁力搅拌5～10min，抽滤，得到中间产物A；

步骤二、按所述中间产物A∶硼酸铝粉∶纳米氧化铝粉∶铝溶胶的质量比为1∶(0.01～0.08)∶(0.01～0.03)∶(4～10)，将所述中间产物A、所述硼酸铝粉、所述纳米氧化铝粉和所述铝溶胶混合，室温条件下磁力搅拌10～30min，离心分离，再于110℃的热气流中烘12h，得到中间产物B；

步骤三、将所述中间产物B置于箱式气氛炉内，在800～1200℃和流动惰性气氛条件下热处理0.1～1h，冷却，制得具有核壳结构的铝粉或铝合金粉。

2.根据权利要求1所述具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法，其特征在于所述铝粉或铝合金粉的纯度大于99％，铝粉或铝合金粉的粒径为44～147μm；所述铝合金为铝镁合金、铝硅合金和铝锌合金中的一种。

3.根据权利要求1所述具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法，其特征在于所述液态硅酸钠：固含量为20～35％；模数为2～4；pH为8～11。

4.根据权利要求1所述具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法，其特征在于所述铝溶胶：固含量为5～20％；pH为2～5。

5.根据权利要求1所述具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法，其特征在于所述纳米氧化铝粉的纯度大于99.9％，平均粒径为20nm。

6.根据权利要求1所述具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法，其特征在于所述硼酸铝粉为分析纯，平均粒径为50μm。

7.根据权利要求1所述具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法，其特征在于所述惰性气氛为氮气或为氩气。

8.一种具有核壳结构的铝粉或铝合金粉，其特征在于所述具有核壳结构的铝粉或铝合金粉是根据权利要求1～7项中任一项所述的具有核壳结构的铝粉或铝合金粉的制备方法所制备的具有核壳结构的铝粉或铝合金粉。