高溫固相法制備片狀氧化鋁及表征*

趙燕禹，胡興蘭，張志鴻，商連弟

（1.天津職業大學生物與環境工程學院，天津300410；2.中海油天津化工研究設計院）

工業技術

高溫固相法制備片狀氧化鋁及表征*

趙燕禹1，胡興蘭1，張志鴻1，商連弟2

（1.天津職業大學生物與環境工程學院，天津300410；2.中海油天津化工研究設計院）

利用高溫固相法以不同粒度的氫氧化鋁為原料制備片狀α-氧化鋁。通過激光粒度分析儀、掃描電子顯微鏡及X射線衍射儀對產品進行了表征，得出了最佳制備工藝條件。結果表明，在最佳制備條件下制備的片狀α-氧化鋁粒度在20 μm左右，徑厚比為（5～8）∶1，大多為六角形片狀。并首次提出了利用吸附-脫附等溫線的重疊程度來表征片狀氧化鋁，可在片狀氧化鋁制備中應用。

片狀氧化鋁；高溫固相法；吸附-脫附等溫線

20世紀中期，美國鋁業公司（ALCOA）首先研制開發出了片狀氧化鋁。20世紀70年代日本引進了該技術開始生產片狀氧化鋁。20世紀90年代以后，中國山東等地也開始研發片狀氧化鋁。雖然現在國內越來越多的研究人員從事片狀氧化鋁產品的開發研究，但產品質量跟國際水平仍有差距。片狀α-氧化鋁粉體不僅具有普通氧化鋁的熔點高、硬度大、耐磨性好、耐腐蝕、抗氧化等性能，而且由于其特有的二維片狀形貌 （厚度尺寸可達到納米級，在徑向方向尺寸為微米級）而表現出較強的附著力、反射光線能力和屏蔽效應，作為填料、顏料、增韌劑、耐火材料而用于化妝品、汽車面漆、陶瓷和拋光等領域［1-4］。例如：利用氧化鋁熱導率高的性質使其作為填料用于聚合物-陶瓷復合材料制備電子元件，可大大延長使用壽命［5-6］。在陶瓷基體中加入一定量的片狀氧化鋁，增加裂紋偏轉和橋聯作用，明顯提高陶瓷的抗折強度和斷裂韌性［7］。以片狀氧化鋁為基體，表面包覆高折射率金屬氧化物薄膜（如，二氧化鈦）制備出的珠光顏料具有極好的珠光效應、明亮的色澤和很好的化學穩定性，大大提高了珠光顏料的性能［8］。由于片狀氧化鋁有廣泛用途，其制備方法已成為片狀氧化鋁的研究熱點。目前制備片狀氧化鋁的方法有多種，主要有高溫燒結法、水熱法、熔鹽法等。其中高溫燒結法是將氧化鋁在較高溫度下燒結制備出片狀氧化鋁，通過加入助劑降低燒結溫度，促進片狀氧化鋁各向異性生長。水熱法需要在高溫高壓的密閉系統內進行，對設備要求高，反應周期長。熔鹽法制備片狀α-氧化鋁粉體可以在較低溫度下進行，反應時間較短，形貌可控，但有些熔鹽具有毒性，而且面臨如何提高摻雜均勻性等問題［3］。筆者通過高溫固相法制備了片狀α-氧化鋁并對產物進行了表征。

1 實驗部分

1.1 藥品

氫氧化鋁（粒徑分別為<1 μm、<2 μm、<8 μm），PEG表面活性劑，氟化鋁，晶籽（自制）。

1.2 儀器

托盤天平，研缽，瓷蒸發皿，瓷坩堝，烘箱，硅鉬棒電爐，XL-30型場發射環境掃描電子顯微鏡，ASAP2010快速比表面積測定儀，D/max 2500型X射線衍射儀，Mastersizer 2000型激光粒度儀。

1.3 實驗工藝流程

稱取一定質量的 Al（OH）3放入研缽中，加適量PEG表面活性劑和水，研磨直至均勻，制得研磨混料1，在110℃左右烘干，經 650℃灼燒，灼燒后樣品再次放入研缽中，加適量自制晶籽、氟化鋁和水，繼續研磨一段時間制得研磨混料 2，然后再次烘干，最后移至硅鉬棒電爐中煅燒，得到片狀 α-Al2O3。

1.4 條件實驗

在條件實驗中，用不同粒度的Al（OH）3為原料進行了實驗，在研磨混料1中考察了PEG和水加入量因素；在研磨混料2中，進行了晶籽加入量、氟化鋁加入量、煅燒溫度及煅燒時間實驗等。條件實驗后，將測定片狀α-Al2O3主要技術指標——粒子大小的數據列于表1。

表1 片狀α-氧化鋁條件實驗及結果

1.5 樣品的表征

1.5.1 片狀α-氧化鋁吸附、脫附曲線的測定

用快速比表面積測定儀對5號樣品進行了吸附-脫附曲線的測定，測定結果見圖1。

圖1 片狀α-Al2O3吸附、脫附曲線

1.5.2 掃描電鏡測定

采用場發射環境掃描電子顯微鏡對5號樣品的微觀粒子外形進行了測定，測定結果見圖2。從圖2可以看出，片狀α-氧化鋁粒子徑厚比為（5～8）∶1，形貌多為六角形片狀。

1.5.3 片狀α-氧化鋁結晶晶相的測定

圖2 片狀α-Al2O3掃描電鏡照片

對5號樣品用X射線衍射儀進行晶相的測定，測定結果見圖3。從圖3可看出，在衍射角2θ為25.57、35.12、43.35、57.49°處附近出現了 α-氧化鋁所特有的典型特征衍射峰，峰位置與衍射強度都同JCPDS標準卡片（10-0173）中α-氧化鋁的衍射峰相一致，譜圖中沒有出現其他雜質相的衍射峰。

圖3 片狀α-Al2O3X射線衍射圖

1.5.4 片狀α-氧化鋁顆粒大小及分布的測定

采用激光粒度儀對5號片狀α-氧化鋁樣品粒子大小及分布進行了測定，測定結果見圖4。從圖4看，粒度分布范圍主要集中在20 μm左右。

圖4 片狀α-Al2O3顆粒大小及分布

2 結果及討論

2.1 片狀α-Al2O3制備結果及討論

從表1中1號樣品可知，采用粒徑較大的氫氧化鋁（<8 μm）為原料所制備的片狀α-Al2O3樣品粒度較大，因此宜選用粒徑較小的氫氧化鋁（<2 μm）為原料。通過對3號與4號樣品對比，看出研磨混料1中加入的水量對樣品影響不大，但水量較大時不利于生產。2號與 3號、4號樣品對比結果表明，通過加大晶籽加入量來增加研磨混料2中的晶籽個數，并縮短煅燒時間，可制得粒度更小的片狀α-Al2O3。

參考表1中4號樣品的制備條件，并以3倍的Al(OH)3質量重復實驗，得到5號樣品。所得樣品粒度檢驗結果為平均粒度為20 μm左右、徑厚比為（5～8）∶1的六角片狀α-Al2O3。確定5號樣品的制備條件為最佳制備條件。

2.2 片狀α-Al2O3表征及討論

在片狀α-Al2O3的制備過程中，每一個實驗完成之后，都先用快速比表面積測定儀進行檢測，從檢測的吸附-脫附曲線的重疊程度可以判斷所制備片狀α-Al2O3的結構及外形。如果吸附-脫附曲線有較大的滯后環，顯示制備的片狀α-Al2O3樣品質量差；如果兩條曲線幾乎全部重疊，表示制備的樣品幾乎都是片狀α-Al2O3。這是因為沒有（或極少）小顆粒，未堆積形成小孔，隨測定氮氣的分壓降低，氮分子在片狀α-Al2O3上脫附很快，不形成滯后環。這樣，就可以利用氮吸附-脫附曲線形成滯后環的形狀和大小，鑒別實驗中所制備片狀α-Al2O3的結構和形態。

3 結論

研究了高溫固相法片狀α-Al2O3的制備及表征，確定了5號樣品的制備條件為最佳制備條件。實驗選用兩次研磨混料的方法，第一次研磨混料中，加入150 g粒徑<2 μm的Al(OH)3原料，加入表面活性劑PEG及適量的蒸餾水，研磨均勻，放入烘箱中，于110℃烘干，在650℃灼燒。灼燒后的氧化鋁細粉，再加入晶籽及氟化鋁和適量蒸餾水，二次研磨混料，干燥，在1 200℃煅燒1 h，可獲得粒度在20 μm左右、徑厚比為（5～8）∶1的六角形片狀α-氧化鋁。

［1］ 黎少華，袁方利，胡鵬，等.固相法制備片狀α-Al2O3粉體及影響因素的研究［J］.中國稀土學報，2006，24：310-312.

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［3］ 張倩影，朱麗慧，劉偉，等.添加劑在熔鹽法合成片狀α-Al2O3中的作用［J］.材料研究學報，2008，22（2）：205-208.

［4］ 周靜靜.熔鹽法合成片狀氧化鋁研究現狀及片狀氧化鋁應用［J］.遼寧化工，2010，39（3）：295-299.

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Preparation and characterization of flaky alumina by high temperature solid phase method

Zhao Yanyu1，Hu Xinglan1，Zhang Zhihong1，Shang Liandi2
（1.School of Biology and Environment Engineering，Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300410，China；2.CNOOC Tianjin Chemical Research&Design Institute）

The flaky α-alumina is prepared by high-temperature solid phase method using aluminum hydroxide with different particle sizes as raw material.The products were characterized by laser particle size analyzer，scanning electron microscopy，and X-ray diffraction，and the optimum preparation conditions were determined.Result showed that flaky α-alumina under the optimum preparation conditions had the particle size about 20 μm，diameter to thickness ratio of（5～8）∶1，and most of hexagonal flakes.And the degree of overlap of adsorption-desorption isotherms to characterize flaky alumina was first used in its preparation.

flaky alumina；high-temperature solid phase method；adsorption-desorption isotherms

TQ133.1

A

1006-4990（2014）04-0046-03

2013-11-05

趙燕禹（1968— ），男，碩士，副教授，主要從事化工專業教學和科研工作，已發表論文 10余篇，申請專利10項，授權2項。

天津職業大學科學研究基金項目（20131101）。

聯系方式：15302168198@163.com