低鈉微晶氧化鋁粉體的制備工藝研究

王 哲

(中鋁山東新材料有限公司, 山東 淄博 255052)

高溫氧化鋁以工業氧化鋁或氫氧化鋁為主要原料，經高溫煅燒而成，具有熔點高﹑硬度大﹑機械強度高﹑電絕緣性好及耐磨性好等特點，廣泛用于耐火材料﹑電子陶瓷﹑結構陶瓷﹑基板玻璃﹑磨具磨料和拋光等領域。

在工業高溫氧化鋁生產過程中，氧化鈉含量是氧化鋁的最重要考量技術指標之一。由于工業氧化鋁和氫氧化鋁原料中的氧化鈉含量較高，在煅燒過程中起礦化作用，且不容易去除，影響了下游行業的應用。目前常見的脫鈉工藝主要有以下幾種：第一種方法是在氫氧化鋁分解過程中通過延長分解時間等手段降低結晶堿和晶間堿的含量，并通過多次洗滌盡可能降低附著堿含量，能夠將氫氧化鋁的氧化鈉含量降至0.2%以下；第二種方法是在以氫氧化鋁或者氧化鋁為原料煅燒過程中加入適量的脫鈉劑，使氧化鈉與脫鈉劑反應，一方面在冷卻過程中物理脫除，另一方面直接從煙氣中脫除，此方法在回轉窯系統中脫鈉效果較差，在隧道窯中能夠將氧化鈉含量降低至0.1%以下；第三中是將原料進行預處理，通過濕法工序引入酸進行酸堿中和脫鈉，再用熱水將反應后生成的鹽洗掉，根據原料中氧化鈉存在形式的不同，脫鈉效果有所差異，最低可降至0.05%以下，該方法能夠顯著改善產品質量[1]。

低鈉微晶氧化鋁是近年來發展起來的一種新材料，作為特種功能材料的原料，具有雜質含量低﹑一次晶粒小﹑粒度分布均勻﹑反應活性高和研磨加工容易等性能，被廣泛應用在功能陶瓷﹑結構陶瓷﹑高檔耐火材料和研磨拋光材料等領域[2]。低鈉微晶氧化鋁作為陶瓷材料的原料，能夠降低制品晶界之間的內應力，不易出現穿晶斷裂，并且能夠提高材料的密度﹑機械性能和化學性能，降低陶瓷制品的燒成溫度。目前國內外的研究多以醇鋁水解法制備高純度低鈉微晶氧化鋁粉體，但是在制備過程中存在產品形貌不均勻﹑粉體團聚嚴重及粒徑分布寬等問題。

本文采用原始粒度細且分布集中的工業氫氧化鋁微粉為原料[3]，進行預燒﹑酸洗降鈉和煅燒后水洗處理，制備得到低鈉微晶氧化鋁粉體，產品具有雜質含量低，粒度分布集中和易燒結等優點。

1 試驗過程

1.1 主要試驗原料

選用中鋁山東有限公司的工業氫氧化鋁微粉，其氧化鈉含量低于普通氫氧化鋁，理化指標如表1。

表1 工業氫氧化鋁微粉理化指標

1.2 試驗設備

電子天平：JL1502GE型；磁力攪拌器：SN-JJ-1型；pH計：S220-USP；電熱鼓風干燥箱：DHG-9030A型；高溫爐：KSL-1700X型；電動壓力機：YLJ-24TA型；行星式球磨機：QM-3SP2型，循環水式多用真空泵：SHB-95型；高速萬能粉碎機：FW100型；多功能固體密度計：DA-300M型。

1.3 試驗方法

將氫氧化鋁微粉置于高溫爐中進行預燒；預燒后樣品加去離子水配制成300g/L的料漿，攪拌成均勻懸浮料漿。加入弱酸調節料漿PH值，進行酸洗降鈉；然后將脫鈉后料漿抽濾﹑洗滌并烘干后置于高溫爐中煅燒；將煅燒后樣品用去離子水配置成料漿，然后進行抽濾水洗﹑烘干，利用行星式球磨機球磨，得到超低鈉微晶氧化鋁粉體；粉體直接壓制成壓片，并將壓片置于高溫爐中進行燒結。

采用離心沉降式粒度儀對粒度分布進行檢測，采用Phenom Pro掃描電鏡進行粉體形貌進行檢測，采用D/MAX-ULTIMA IV型X射線衍射儀α-Al2O3含量進行測定，AS6-I-2型比表面儀對比表面進行檢測，采用TAS-990型原子吸收分光光度計對Na2O含量進行分析，紫外可見光分光光度計對SiO2和Fe2O3進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 預燒結果

由于氫氧化鋁微粉的比表面比較小，只有4～6m2/g，而氧化鈉主要以晶間堿和結晶堿的形式存在，因此需要對其進行焙燒，提高其比表面，從而使晶間堿暴露在表面，氧化鈉與酸反應生成鹽溶于水中，從而起到脫鈉的效果。

從圖1中可以看出，氫氧化鋁微粉在500℃下預燒2h后，其物相大部分轉化為γ-Al2O3，存在部分的氫氧化鋁相，此時的比表面為140m2/g，有利于在酸洗過程中將晶間堿去除。

圖1 500℃預燒X射線衍射結果

2.2 酸洗處理

表2為不同處理方式脫鈉效果對比，從表中可以看出只用熱水水洗后氧化鈉含量略有降低，僅降低了0.04%左右，仍然處于較高水平；而進行酸洗中和反應后，其氧化鈉含量降至0.05%以下，降鈉效果較為理想。

表2 不同處理方式降鈉效果對比

通過控制加酸量分析了不同反應終點PH值下試樣的氧化鈉含量變化，PH為7時氧化鈉含量已經降低至0.05%以下，達到了低鈉的水平，繼續下調PH值至6.5時，氧化鈉含量進一步降低，而當PH為6時，氧化鈉不再降低，反而有所增加。這主要是因為隨著酸量的增加，反應后的鹽和多余的酸附著在粉體的表面，由于粒度比較細且比表面較大，造成洗滌難度加大，抽濾洗滌后濾餅的含水量在50%左右，使得氧化鋁中的氧化鈉含量不降反增。

2.3 煅燒后水洗處理

將PH值為6.5時酸洗得到的樣品在高溫試驗爐中1200℃﹑1300℃和1400℃條件下分別煅燒4h，煅燒后的試樣利用高速萬能粉碎機進行打散，打散后的樣品用90℃左右的去離子水配置成固含300g/L的料漿，使用磁力攪拌器攪洗30min，然后在布式漏斗中抽濾﹑淋洗，洗水溫度90℃，濾餅烘干后利用行星式球磨機將樣品進行球磨。

從表3中可以看出，不同溫度下煅燒處理后的樣品經過水洗氧化鈉含量較水洗前均降低，這主要是因為轉晶過程部分氧化鈉從晶格中釋放出來，溶解在水中脫除。在1200℃下煅燒后試樣水洗后氧化鈉降低最多，降低了0.025%，這與其比表面最大﹑原晶最小也有關系。隨著煅燒溫度的升高，水洗后氧化鈉升高，主要是因為溫度越高晶粒越大，比表面越小，更多的氧化鈉重新進入晶格成為結晶堿或晶間堿。1200℃和1300℃煅燒后的原晶粒度小于1μm，而1400℃溫度下煅燒原晶粒度已經大于1μm，因此利用微粉氫氧化鋁為原料通過酸洗加水洗脫鈉的方式制備低鈉微晶氧化鋁的煅燒溫度不能大于1400℃。

表3 水洗樣品理化指標

圖2中不同溫度下煅燒后的X射線衍射圖譜可以看出，1200℃以上煅燒后衍射峰全部為α-Al2O3衍射峰，并且隨著溫度的升高，衍射峰越來越尖銳，半峰寬變窄，表明結晶趨于完善，晶粒尺寸逐漸變大。

圖2 (a)(b)(c)分別為1200℃、1300℃和1400℃下煅燒后的X衍射圖譜

圖3中(a)(b)(c)分別為1200℃﹑1300℃和1400℃煅燒后電鏡圖，(d)(e)(f)分別為1200℃﹑1300℃和1400℃煅燒球磨后電鏡圖。從圖中可以看出，隨著煅燒溫度的升高，原晶粒度逐漸長大，在1200℃和1300℃下煅燒時為微晶料，研磨后的電鏡看顆粒分散性好，形貌均勻；而當煅燒溫度為1400℃時，晶粒長大比較明顯，原晶粒度超過了1μm，磨后電鏡看晶粒呈類球形。

圖3 (a)(b)(c)為不同溫度煅燒后電鏡圖；(d)(e)(f)為煅燒球磨后電鏡圖

圖4為1300℃煅燒研磨后的粒度分布圖譜，圖中可以看出研磨后晶粒幾乎全部小于1μm，粒度分布十分集中。

圖4 1300℃煅燒后球磨粒度分布

2.4 燒結活性分析

經過1300℃煅燒水洗后的樣品，在行星式球磨機中進行球磨，球磨后粉體不添加粘結劑壓制成1英寸圓片試樣，置于高溫爐中在1600℃溫度下進行燒結，保溫2h，燒結后樣品分析結果如下：

燒結后的試樣利用多功能固體密度計測得試樣的體積密度為3.902g/cm3，游標卡尺測量計算線收縮率為16.07%，表明產品具有較高的燒結活性，而且燒結較致密。從圖5中可以看出，與原始晶粒相比燒結后的晶粒進一步長大，達到了1μm左右，但并沒有過大晶粒。表面有微孔，主要是在粉體粒度細，壓片前沒有添加粘結劑進行造粒，粉體的流動性比較差，壓片緊實度不夠，導致壓片試樣中存在很多氣體，燒結過程晶粒長大，氣體膨脹外排形成微孔結構。

圖5 1600℃下燒結試樣電鏡

3 結論

（1）以工業微粉氫氧化鋁為原料，經過酸洗預處理及煅燒水洗后處理，1300℃左右能夠制備得到氧化鈉低于0.02%和原晶粒度小于0.5μm的低鈉微晶煅燒α氧化鋁，α相純度高，磨后晶粒分散性好，粒度分布窄且形貌均勻。

（2）壓片燒結結果表明，制備得到的低鈉微晶煅燒α氧化鋁具有很高的活性，高溫燒結未出現晶粒異常長大情況，比較容易加工，能夠應用到性能要求比較高的功能陶瓷和結構陶瓷等領域。