萍鄉煤矸石熔鹽法合成片狀氧化鋁粉體的研究

熊里

摘 要：根據莫來石組成，在均化處理之后的萍鄉煤矸石中分別加入氧化鋁、氫氧化鋁和硫酸鋁等原料，并在硫酸鈉熔鹽中進行反應，研究了不同溫度對試樣產物的影響。實驗證明：加入硫酸鋁原料的試樣，在高于1200 ℃溫度條件下保溫3 h后，主要物相為α-Al2O3和硅鋁酸鈉，用10%的HF酸浸泡，溶去試樣中的硅鋁酸鈉和雜質相，得到較純的片狀α-Al2O3。

關鍵詞：萍鄉煤矸石；熔鹽法；片狀α-Al2O3；研究

1 引言

片狀氧化鋁是一種以剛玉（α-Al2O3）為主晶相的耐火原料，它的微觀結構與一般剛玉不同，具有兩大特征，一是在一定顯微尺度下斷面呈清晰的板片狀；二是晶體內部存在著較多的閉氣孔[1]。片狀氧化鋁具有耐高溫、耐酸堿性、熔點高、硬度高、導熱性高和電阻率高等很多優良的性能。另外，還具有其他片狀粉體所不具備的高機械強度、良好的附著力、顯著的屏蔽效應和光反射能力[2]。因此，片狀α-Al2O3廣泛地應用于化妝品、顏料、涂料、磨料、油墨、填充劑、汽車面漆和增韌陶瓷等領域[3]。片狀氧化鋁還可以替代云母基片，用于制備珠光顏料，還可以應用于各類耐火材料、滑動水口、噴嘴、套管、緩沖墊和澆鑄內襯。此外，還可以用于做催化劑載體、熱交換介質、電子點火、技術陶瓷等。據調查，國外的片狀氧化鋁用量為每萬噸鋼5 t，總用量為20萬t；我國目前每年產鋼近億噸，對耐火材料和制品特別是分區使用制品要求愈來愈高，年用量為3～4萬t。因此，片狀氧化鋁的發展前景良好。

片狀氧化鋁的制備方法有水熱法、熔鹽法、涂膜法、電熔法等，其中，水熱法要求在高溫高壓的環境下進行，反應周期較長，設備依賴性較大；涂膜法不能有效調節和控制片體的大小、厚度；電熔法要在1900 ℃以上的高溫中進行；而熔鹽法制備片狀α-Al2O3粉體的設備簡單，可在較低溫度和較短時間內完成，大小和厚度易控制，制備出的粉體純度高[1， 4]。

本實驗以萍鄉煤矸石為原料，在硫酸鈉熔鹽中制備合成高純度的片狀α-Al2O3粉體。同時，此工藝是工業廢料綜合回收再利用項目，可享受國家對此類項目在政策和稅收方面的優惠，具有很大的市場價值。

2 實驗內容

2.1 實驗原料

本實驗所采用的原料為均化處理后的萍鄉煤矸石，物相分析如圖1所示，化學成份如表1所示。

所用化學試劑為：化學純的Al（OH）3、氧化鋁Al2O3、硫酸鋁Al2（SO4）3·18H2O、硫酸鈉Na2SO4以及10%的HF酸。

2.2 制備工藝

根據莫來石（Al/Si摩爾比=3/2）的組成，將均化并磨細后的煤矸石分別與氧化鋁、氫氧化鋁和硫酸鋁混合，再分別加入硫酸鈉（硫酸鈉的加入量為試樣總質量的50% ），將三組混合物（編號分別為A、B、C）置于行星球磨罐中，以300轉/min的轉速研磨30 min。研磨后的漿料過篩、烘干并研磨粉碎，然后將三組混合物分別置于三個剛玉坩堝內，在設定的爐溫中燒結、保溫并冷卻。用蒸餾水洗滌試樣除去Na2SO4，得到所需試樣并用衍射儀對試樣的物相進行分析。在室溫條件下，將蒸餾水洗滌后的試樣用10%的HF酸浸泡3 h，過濾、洗滌后用掃描電鏡觀察試樣的形貌。

2.3 測試儀器

（1） X射線衍射分析：德國Bruker公司D8Advance型XRD衍射儀。

（2） 掃描電鏡分析：日本電子公司的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡。

3 結果分析與討論

3.1 三組樣品燒結后的形貌對比

圖1、圖2、圖3分別為三組樣品在1200 ℃溫度下燒結并保溫3 h后的掃描電鏡測試結果。

從圖1～圖3可以看出，三組樣品中都有生長出片狀的趨勢，但樣品A和樣品B中基本以塊狀的形貌存在，并沒有長出片狀的形貌。樣品C中可以看見明顯的薄片狀，但較為雜亂。從圖2中還可以看出，片形還未完全發育，層疊在一起。

樣品A和樣品B中未長出片狀，可能是因為熔鹽的氣氛不夠，而樣品C中外加了硫酸鋁作為鋁源，硫酸鋁除了增加鋁的含量之外，其中的硫酸根離子還配合外加的硫酸鈉一起充當了熔鹽的作用。因此，樣品C中的熔鹽氣氛比樣品A、樣品B都要好，更易促進片狀氧化鋁的生長。樣品C中的片狀氧化鋁還未完全發育，可能是因為試樣的燒結溫度還不夠。所以，下一步選取樣品C繼續做實驗，并把燒結溫度提高至1350 ℃，并保溫3 h。

3.2 對加入硫酸鋁的試樣進行高溫燒結

圖4為樣品C在1350 ℃溫度下燒結并保溫3 h后的掃描電鏡測試結果。

與圖3相比，圖4中的片形生長較為充分，但片形周圍還存在大量的雜質，這些雜質可能是莫來石在1200 ℃完全分解后所導致的。硫酸鈉與莫來石反映生成硅鋁酸鈉，其反應方程式如下：

Na2SO4（s） + 3Al2O3·2SiO2（s） ——2NaAlSiO4（s）+2Al2O3+SO3（g）

對該組樣品做XRD分析，其結果如圖5所示。

由圖5可知，主晶相是氧化鋁和硅鋁酸鈉，還有部分多余的石英存在，可能是煤矸石中過量的二氧化硅。

用蒸餾水洗滌1350 ℃煅燒后的樣品C，以除去試樣中的鹽分得到純凈的產物；然后用10%氫氟酸溶液浸泡3 h，再用蒸餾水洗滌。用HF酸浸泡是因為煤矸石中含有較多的其它氧化物（如：CaO、MgO、Fe2O3、TiO2），煅燒后的試樣經HF酸浸泡可使其溶于溶液中，從而得到較純的α-Al2O3物質。

HF酸浸泡后的樣品C的掃描電鏡如圖6所示。

從圖6中可以看出，合成的α-Al2O3粉體呈規則的片狀結構，片晶的大小、厚度均勻。可以看出，用熔鹽作為反應媒介能大大減小反應物之間的擴散距離，加快物質運動的速度，為α-Al2O3晶體提供自由生長的環境[4]。在溫度大于1200 ℃時的熔鹽體系中，由于Na2SO4、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3等液相物質的存在，致使液相量較多，液相粘度較低，有利于物質的傳輸，為片狀α-Al2O3提供了自由的生長環境[5]。

4 結論

本文以萍鄉煤矸石為主要原料，按照莫來石理論組成加入硫酸鋁，并以一定量硫酸鈉為反應介質，在溫度高于1200 ℃的條件下保溫3 h，可以獲得主要物相為α-Al2O3和硅鋁酸鈉的試樣。將試樣用10%的HF酸浸泡，溶去其中的雜質相，可以制備出較純的片狀α-Al2O3粉體。

參考文獻

[1] 楊德安，陳玉如，談家琪，等.電熔法板狀剛玉的制備及其性能[J].

天津大學學報，1999，32（1）：117～120.

[2] 馬淑龍，張利芳，卜景龍，等.鈦酸鋁一板狀氧化鋁復合材料合成

與性能[J].河北理工大學學報（自然科學版），2008，30（2）：57～61.

[3] 鄧三毛，葉紅齊，蘇周，等.片狀氧化物粉體的合成與性能[J].化工

新型材料，2004，32（7）：13～15.

[4] 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.

[5] 譚宏斌.粉煤灰制備片狀氧化鋁粉體[J].陶瓷，2010，2： 20～22.