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氧化铝球形化的十八般武艺

日期: 2019-04-18
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氧化铝粉体是工业化生产中最重要的粉体材料之一,而球形粉体,特别是高度分散的球形粉体,因其本身的球形结构使得其具有良好的流动性,加上其分散性,更大的比表面积以及其本身的物化性能,使得其在更多的应用领域中发挥作用。因此,随着日新月异的工业化发展,球形氧化铝粉体必将得到更深层次的开发及更广泛的应用。



一、氧化铝家族


从广义上讲,氧化铝可以分为含水氧化铝和无水氧化铝两大类。

氧化铝球形化的十八般武艺

水合氧化铝向α-Al2O3的转变

氧化铝球形化的十八般武艺


氧化铝及其水合物的不同晶型和特有的理化性能,决定了它们在石油化工、电子、耐火材料、陶瓷、磨料、制药以及航空航天等领域都有广泛的应用。另一方面,正是氧化铝粉体的物化性质的稳定性,所以想通过直接加工氧化铝粉体而提高其性能是极为困难的。因此要得到更高性能的氧化铝粉体需要从合成制备技术开始。


二、球形氧化铝的制备


粉体球化方法包括物理方法和化学方法。

氧化铝球形化的十八般武艺

按照不同的物质聚集方式,可将制备球形氧化铝的方法系统地分为气相法、液相法和固相法三大类。


球形氧化铝粉体的制备方法

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球磨法

球磨法是最常见的制备超细氧化铝粉体的方法,通常利用球磨机的转动或振动,原料被磨料撞击、球磨和搅拌,大粒径的粉体被细化为超细粉体。

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氧化铝粉的球磨工艺路线图

魏帅.化学沉淀法制备高分散氧化铝粉体及其性能表征


制得的球形氧化铝粉体颗粒的尺寸大小主要取决于原材料的颗粒状态和制备工艺。


优点:操作简单,成本低廉,产量高。


缺点:制得的球形粉体颗粒的表面相对粗糙,导致比表面积增大,增大了粉体活性,从而容易出现颗粒间团聚现象,不适合制备具有高质量要求的球形粉体颗粒。


均相沉淀法

均相溶液中的沉淀过程是晶核形成,然后聚集长大,最后从溶液中析出的过程,通常是非平衡态的,但如果能够使沉淀剂在均相溶液中的浓度降低,甚至是缓慢的生成,那么就会均匀的生成大量的微小晶核,最终形成的细小沉淀颗粒会均匀的分散在整个溶液当中,而且会在相当长的时间内保持一种平衡状态,这种获得沉淀的方法称为均相沉淀法。对于均相沉淀法,如果得到的沉淀颗粒的尺寸在胶体粒子的范围内,那么此法也称为溶胶凝胶法。

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沉淀法制备超细氧化铝前驱体的工艺流程图

巢昺轩. 水溶液沉淀法制备超细球形氧化铝的工艺研究


氧化铝球形化的十八般武艺

均相沉淀法制备氧化铝粉体工艺路线图

徐晓娟.单分散球形Al2O3及YAG粉体的合成与性能研究


优点:均相沉淀法比较温和,球形率高,平均粒径 400nm~10μm,纯度低,分散性好。


缺点:为了获得球形粉末,通常必须使用硫酸铝为原料,因此在煅烧阶段会产生有害的硫化物。烧结后有团聚,多孔道。


溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是用醇盐或者无机盐经过水解或者聚合作用形成前驱体溶胶,然后再醇洗、陈化最后煅烧得到氧化铝粉体,使用此方法要精确控制体系的 pH和反应物浓度。


优点:均匀性好、化学纯度高等优点。


缺点:制备工艺较为复杂,成本较高。


溶胶-乳液-凝胶法 

这种方法是在溶胶凝胶法的基础上发展起来的,早期,溶胶凝胶法多用来制备氧化铝溶胶,更多的是研究所得胶体的组织结构,逐渐地,此法成为制备超细粉体的常用方法,为了得到球形的粉体颗粒,人们利用油相和水相间的界面张力制造微小的球形液滴,使溶胶粒子的形成及凝胶化都被限定在微小的液滴中进行,最终获得球形的沉淀颗粒。


溶胶-乳液-凝胶法制得的球形氧化铝的形貌

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在溶胶-乳液-凝胶法中,为了形成乳浊液,使用了大量的有机溶剂和表面活性剂,乳浊液中的球形粉末的分离过程非常繁琐,并且在干燥和煅烧阶段不容易保持粉末的球形。


滴球法 

滴球法是将氧化铝溶胶滴入到油层(通常使用石蜡,矿物油等)中,靠表面张力的作用形成球形的溶胶颗粒,随后溶胶颗粒在氨水溶液中凝胶化,最后将凝胶颗粒干燥、煅烧形成球形氧化铝的方法。这种方法是对溶胶-乳液-凝胶法在工艺上的进一步改进,将乳液技术应用于溶胶的老化阶段,并且保持油相不动,省去了粉体与油性试剂的分离处理。


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连续制备球形氧化铝吸附剂的装置图


优点:这种方法通常用来制备粒径较大的球形氧化铝,主要应用于吸附剂或催化剂载体。


缺点:使用热油和必须保持溶胶长时间滴落是滴球法的缺点。


模板法 

模板法是以球形原料作为过程中控制形态的试剂,产物通常空心,或者是核壳结构。Jin Lu使用了富集羧酸盐的碳质微球,制备了空心球形氧化铝。

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空心球形氧化铝的合成原理



由于模板的性能决定了粉末最终的外观,所以在模板法中必须使用符合严格要求的模板剂。


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球形氧化铝合成工艺流程图

吕益敏.高水热稳定型球形氧化铝制备及其在催化中的应用


李磊用模板法,以阿拉伯树胶粉、阿拉伯树胶粉和P123 混合试剂为模板来合成球形氧化铝。

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阿拉伯树胶粉在合成球形氧化铝中的作用

李磊.利用模板材料制备球形纳米氧化铝粉末的研究


气溶胶分解法 

气溶胶分解通常是以铝醇盐为原料,利用铝醇盐易水解和高温热解的性质,并采用相变的物理手段,将铝醇盐气化,然后与水蒸汽接触水解雾化,再经高温干燥或直接高温热解,从而实现气-液-固或气-固相的转变,最终形成球形氧化铝粉体。由雾化部分和反应部分组成的复杂的实验装置是这种方法的关键。


气溶胶分解法的装置图及产物的 SEM

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气溶胶水解法的流程简图

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喷射法 

喷射法制备球形氧化铝的实质是在较短的时间内实现相的转变,利用表面张力的作用使产物球形化,根据相转变的特点又可以分为喷雾热解法,喷雾干燥法和喷射熔融法。


等离子喷雾熔融法的装置图及产物的 SEM

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气溶胶分解法和喷雾法适用于生产微米级到纳米级球形氧化铝粉末,虽然反应设备复杂,但容易实现工业化。


其它方法

喷雾干燥法:喷雾干燥法是利用喷雾器的作用控制氧化铝成球的一种方法。上海硅酸盐研究所的丁祥金以氧化铝溶胶为结合剂,将α-Al2O3细粉、氧化铝溶胶、蒸馏水按1:1.6:1.2的体积比混合,经球磨后浆料在喷雾干燥器上喷雾造粒,搜集粉料放入120℃烘箱中干燥24h后,分别在800-1600℃下锻烧2h,得到不同锻烧温度下的粉料。


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喷雾干燥法的流程图


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喷雾干燥装置

刘洁.超细球形氧化铝的制备及其粒度与晶型的控制


爆炸合成法:爆炸合成法是通过炸药爆炸或放电爆炸中释放的强能量来控制氧化铝成球的一种方法。


朱士贞利用海藻酸与拟薄水铝石的凝胶特性,制备了两种不同规格的球形氧化铝颗粒,分别为粒径在3-5nm 的纯氧化铝颗粒和粒径为1-2nm 的不同金属杂化的球形氧化铝颗粒。研究表明,采用海藻酸溶胶凝胶与挤条成型相结合的方法制备的纯氧化铝小球具有较高的比表面积(100~300m2/g)和较大的孔容(0.8~1.1cm3/g)及孔径(15~33nm)。


海藻酸结构式

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金属离子 Mn+与海藻酸 G 嵌段形成的“蛋壳”结构

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球形氧化铝的制备流程

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杂化球形氧化铝颗粒制备过程

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球形氧化铝粉体的制备手段类比

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小结

球形氧化铝属于氧化铝材料家族中的精细化工产品。其具有杰出的压制成型和烧结特性,可极大的提高陶瓷制品的质量;规则的形貌可以避免产生划痕,利于作为抛光研磨材料;在石油化学工业中,作为催化剂直接使用的超细球形氧化铝粉末可以减少磨损,提高催化剂的使用寿命,从而降低生产成本。QYResearch预测全球球形氧化铝市场2024年将达到94.61百万美元。球形氧化铝制备技术有待进一步加强。



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