超細Al（OH）3的粒度控制研究

錢程，郝世雄，劉興勇，羅霜，蘭雅婧

（四川理工學院材料與化學工程學院，四川自貢643000）

超細Al（OH）3的粒度控制研究

錢程，郝世雄，劉興勇，羅霜，蘭雅婧

（四川理工學院材料與化學工程學院，四川自貢643000）

采用鋁酸鈉種子分解法制備超細Al（OH）3。用X射線衍射儀（XRD）表征了樣品的晶相組成，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了樣品的形貌，用激光粒度分析儀測定樣品的粒度分布。研究了NaOH濃度、NaOH/Al（OH）3摩爾比，分解溫度，分解時間、晶種率和攪拌速率等因素對Al（OH）3的粒度的影響。結果表明:NaOH濃度越高，分解溫度越低，NaOH/Al（OH）3摩爾比越小，得到的Al（OH）3顆粒的粒度越小。試驗條件為:NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3摩爾比1.15，分解溫度40℃，分解時間26 h，晶種率8%，攪拌速率200 rpm時，氫氧化鋁顆粒的平均粒度為2.89μm。

超細氫氧化鋁；鋁酸鈉；粒度

引言

阻燃劑是合成高分子材料加工的重要助劑之一，其功能是使高分子材料具有難燃性、自熄性和消煙性［1-3］。無機阻燃劑在高分子材料中除了有阻燃效果外，還有抑制發煙以及氯化氫生成的作用，因而在近年來得到廣泛應用［4］。超細Al（OH）3作為一種無機阻燃劑，已被廣泛應用于電子、化工、塑料和橡膠等行業中［1，4］。目前，超細Al（OH）3微粉的生產有機械法和化學法兩大類［2］。化學法有Na2Al2O4溶液種子分解法、金屬醇鹽法、微乳液法、溶膠-凝膠法、超重力法等，其中Na2Al2O4溶液種子分解法應用于工業生產［1］。隨著新興材料工業的發展以及人類對環保要求的提高，超細Al（OH）3微粉需求量越來越大，同時對產品的質量和使用性能也提出了更為嚴格的要求［5］。目前，國內主要采用二段種分法制備超細Al（OH）3，流程復雜，且產品存在粒度分布寬，顆粒大等問題［6］。因此，研究Na2Al2O4分解過程中超細Al（OH）3粒度控制技術對我國超細Al（OH）3的生產具有重要意義。

Na2Al2O4溶液晶種分解過程中，存在晶體附聚和晶體成核現象［7］，它們對Al（OH）3粒度調控起主要作用。附聚使產品粒度增大，成核使產品細化。這兩種現象同時存在于Na2Al2O4溶液晶種分解過程中，只不過在特定條件下，其中一種現象占主導地位而已。已有研究表明晶體附聚和晶體成核與反應條件密切相關［8］。因此，可以通過控制反應條件來控制顆粒的粒徑。

1 材料與方法

1.1 實驗原料及試劑

工業Al（OH）3（純度99.6%，漢魯環保技術有限公司）；NaOH（分析純，重慶川東化工有限公司）。

1.2 主要設備和儀器

DK98-IIA型恒溫水浴鍋（天津泰斯特儀器有限公司），JHS-1型電子攪拌器（杭州儀表電機有限公司），SHZ-D（III）型循環水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責任公司），WGZ型電熱鼓風干燥箱（上海科恒實業發展有限公司），MP5002型電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司），X射線衍射分析儀（D2 PHASER，德國），掃描電子顯微鏡（VEGA 3 SBU，德國），BT-9300Z型激光粒度分析儀（丹東市百特儀器有限公司）。

1.3 實驗方法

稱取一定量Al（OH）3和NaOH于500 mL三口燒瓶中，加入少量蒸餾水，90℃下，在一定的攪拌速率下反應成透明的液狀，然后冷卻。待三口燒瓶中的Na2Al2O4溶液冷卻至預定的分解溫度時，按試驗設定的NaOH濃度，加入一定量的已預熱至分解溫度的蒸餾水，恒溫攪拌、分解。分解1 h后添加一定量的Al（OH）3原料作為晶種，繼續攪拌、分解一定時間后將產物抽濾、洗滌，然后將所得濾餅置于80℃的烘箱中干燥24 h后得到超細Al（OH）3。采用激光粒度分析儀對氫氧化鋁顆粒的粒度進行測定；采用X射線衍射分析儀對氫氧化鋁的晶相進行分析；采用掃描電子顯微鏡對氫氧化鋁的形貌進行表征。典型的制備條件如下∶Al（OH）3的質量為15.6 g，NaOH的質量為9.6 g，即NaOH/Al（OH）3摩爾比1.2∶1，加水量80 mL，加入晶種1.56 g，即種子率10%，分解時間10 h，NaOH濃度120 g/L，分解溫度45℃，攪拌速度400 rpm。

2 結果與討論

2.1 NaOH濃度對粒度的影響

在NaOH與Al（OH）3摩爾比為1.2，分解溫度為45℃，分解時間10 h，種子率10%，攪拌速度400 rpm條件下，濃度范圍為100～240 g/L，研究NaOH濃度對粒徑的影響（圖1）。

從圖1可知，隨著NaOH濃度增加，粒度逐漸減小，當NaOH濃度大于180 g/L時，粒度減小趨勢變緩。這是由于高濃度的NaOH下，溶液過飽和度低［9］，晶體附聚的推動力小，晶體附聚作用弱，有利于顆粒的細化。但是堿濃度過高降低了Na2Al2O4溶液的分解率。因此，NaOH濃度控制為180 g/L。

2.2 NaOH/Al（OH）3摩爾比對粒度的影響

為研究NaOH/Al（OH）3摩爾比對粒徑的影響，采用的試驗條件為∶NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.1～1.35，NaOH濃度180 g/L，分解溫度45℃，分解時間10 h，種子率10%，攪拌速度400 rpm（圖2）。

從圖2可知，在較低NaOH/Al（OH）3摩爾比（1.1～1.35）范圍內隨著摩爾比的增加，粒度也逐漸增大。這是由于在低摩爾比下，Na2Al2O4溶液分解過快，出現了明顯的二次成核［9］現象，導致了晶體顆粒的細化，平均粒度減小。此外，低摩爾比下，Na2Al2O4分解率較高，因此，控制NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.15。

2.3 分解溫度對粒度的影響

為了研究分解溫度對產物顆粒大小的影響。采用的反應條件為∶NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.15，分解時間10 h，種子率10%，攪拌速度400 rpm（圖3）。

如圖3所示，溫度越低，顆粒的粒度越小。較低溫度下，Na2Al2O4溶液有更高的黏度［11］，分子擴散阻力大，導致附聚作用減弱，并且低溫下Na2Al2O4溶液分解較快，二次成核頻率增加，進一步增強了顆粒細化效果［9］。但是，溫度過低，濾餅中未反應掉的反應物不易洗出，影響產品純度，因此，分解溫度為40℃較好。

2.4 分解時間對粒度的影響

為探究時間對粒度的影響，采用的試驗條件控制為∶分解時間6～34 h，NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.15，分解溫度40℃，種子率10%，攪拌速度400 rpm（圖4）。

圖4表明，Al（OH）3顆粒粒度隨時間呈現周期性變化。8～14 h，附聚作用占主導，粒徑增大，然而，反應時間在14～26 h，成核作用明顯增強，這是由于顆粒間，顆粒與器壁間，顆粒與攪拌器的碰撞和磨蝕作用增強［7］，一部分小晶體進入溶液中，成為二次晶核，導致二次成核，使顆粒細化。當反應時間進一步增加，顆粒又出現了增大的趨勢。隨著反應時間增加，在分解時間為26 h，分解率較高，達到85.7%，所以最佳反應時間為26 h。

2.5 種子率對粒度的影響

試驗種子率的研究范圍為0～12%，NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.15，分解溫度40℃，分解反應時間26 h，攪拌速度400 rpm。結果如圖5所示∶在研究范圍內，隨著種子率的增加，產品粒度先減小后增大，種子率為8%時粒度最小。在種子率小于8%時，隨著種子率的增加，Na2Al2O4溶液分解速率加快，析出的氫氧化鋁細顆粒增加，其中一部分Al（OH）3細顆粒做粘結劑，但粘結效果不明顯，附聚作用較弱，使Al（OH）3粒度減小。當種子率大于8%時，Na2Al2O4分解速率進一步增大，在相同時間內產生了足夠的｝3細顆粒，粘結效果加強，附聚作用明顯，Al（OH）3粒度增大。

2.6 攪拌速率對粒度的影響

試驗研究了攪拌速度100 rpm～500 rpm范圍內粒度的變化情況。其它條件為∶NaOH濃度180 g/L，［NaOH］/［Al（OH）3］摩爾比為1.15，分解溫度40℃，反應時間26 h，種子率大于8%。實驗結果如圖6所示。由圖6可知，隨著攪拌速度增大，Al（OH）3顆粒粒度有增大的趨勢，但從總體上說，粒度的變化幅度較小。一方面，攪拌速度增大顆粒間的碰撞機會增大，使顆粒間的附聚作用增強，使粒度增大，另一方面，攪拌速度增大，顆粒間，顆粒與器壁間，顆粒與攪拌器的碰撞和磨蝕作用增強［12］，導致二次成核作用增強，使顆粒細化。根據試驗數據，攪拌速度200 rpm較合適。

2.7 原料與產品的XRD表征

超細Al（OH）3與工業Al（OH）3的X射線衍射分析（掃描步長0.02°掃描范圍∶2θ=10-50°），并將其與Al（OH）3的XRD標準卡對比后結果圖7所示。超細Al（OH）3具有與原料相同的結構，都是三水鋁石（Gibbsite）Al（OH）3。

2.8 原料與產品的SEM表征

由原料和超細Al（OH）3的電子顯微鏡圖片可知（圖8），在本試驗的最佳條件下，細化效果非常明顯。

2.9 原料與產品的粒度表征

原料和超細Al（OH）3粒度分析結果如圖9所示。由圖9可知，原料顆粒較大，細顆粒含量很少，96%的顆粒直徑大于10 um；超細Al（OH）3粒度分布較窄，顆粒直徑10 um以下的積累量達到100%。在最佳試驗條件下顆粒細化效果明顯。

3 結論

（1）NaOH濃度越高，分解溫度越低，NaOH/Al（OH）3摩爾比越小，Al（OH）3顆粒的粒度越小。

（2）試驗條件∶NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3初始摩爾比1.15，分解溫度40℃，分解時間26 h，晶種率8%，攪拌速率100 rpm時，Al（OH）3顆粒的平均粒度為2.89μm。

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［9］謝雁麗'呂子劍'畢詩文'等.鋁酸鈉溶液晶種分解［M］.北京:冶金工業出版社'2003.

Study on the Control of Particle Size of Superfine Al（OH）3Powder

QIAN Cheng，HAO Shixiong，LIU Xingyong，LUO Shuang，LAN Yajing
（School of Material and Chemical Engineering，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

Superfine Al（OH）3powder is prepared by Na2Al2O4seed decomposition.The crystalline phase of sample is analyzed by X-ray diffraction（XRD）.Its surfacemorphology is analyzed by scanning electronmicroscopy（SEM）.And the particle size distribution of the sample is characterized by laser particle size analyzer.The influences of sodium hydroxide concentration，themolar ratio of sodium hydroxide and aluminum hydroxide，decomposition temperature，decomposition time，seed rate and stirring rate on the particle size of Al（OH）3are investigated.The results show that higher concentration of sodium hydroxide，lower decomposition temperature，lower themolar ratio of sodium hydroxide and aluminum hydroxide，the smaller the particle size of superfine Al（OH）3powder are prepared.The experiment conditions are:NaOH concentration is 180 g/L，themolar ratio of sodium hydroxide and aluminum hydroxide is 1.15，the decomposition temperature is 40℃，decomposition time is26 h，seed rate is8%，and stirring rate is100 rpm，then the average particle size of Al（OH）3 particles is 2.89μm.

superfine aluminum hydroxide；sodium aluminate；particle size

TQ330.38

A

1673-1549（2014）01-0023-05

10.11863/j.suse.2014.01.07

2013-10-09

973國家重點基礎研究發展計劃（2011CB201202）；自貢市科技局重點項目（2012H08）；四川理工學院國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201210622007）

錢程（1989-），男，四川射洪人，碩士生，主要從事納米粉體制備方面的研究，（E-mail）986579032@qq.com