中國(guó)粉體網(wǎng)訊  2022年10月1日，由中鋁山東有限公司牽頭，國(guó)內(nèi)十家單位參與重新制訂的新《氧化鋁》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 24487-2022）正式實(shí)施。氧化鋁按照主要成分、物理性能分為三個(gè)牌號(hào)：AO-G、AO-1、AO-2。

我們看到，Na₂O氧化鈉的含量是劃分氧化鋁等級(jí)的重要指標(biāo)，這說(shuō)明氧化鈉的含量對(duì)氧化鋁的物理性能影響是十分大的。特別是隨著低鈉氧化鋁在高新技術(shù)材料領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛，優(yōu)化和控制低鈉氧化鋁的質(zhì)量顯得尤其重要。

例如，在電子陶瓷中，Na₂O的存在不但影響電子陶瓷的致密度，而且還由于Na₂O結(jié)合Al₂O₃生成具有一定導(dǎo)電性的β-Al₂O₃，從而影響其電氣性能。在LCD玻璃中，由于Na離子會(huì)使液晶和薄膜晶體管中毒，進(jìn)而使半導(dǎo)體液晶材料和薄膜材料劣化，縮短顯示器的壽命，并且還會(huì)污染生產(chǎn)線(xiàn)，通常液晶玻璃用α－Al₂O₃，要求其中Na₂O含量不大于0.03％。因此，電子級(jí)的α-Al₂O₃都必須是低鈉的產(chǎn)品。

電子陶瓷基板，圖源：中國(guó)鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司

氧化鈉的來(lái)源

氫氧化鋁產(chǎn)品是制備氧化鋁的中間原料，氫氧化鋁粉體原料的品質(zhì)（粒度和純度）直接影響氧化鋁產(chǎn)品的品質(zhì)，因此制備高品質(zhì)氫氧化鋁產(chǎn)品是制備高品質(zhì)氧化鋁的關(guān)鍵。氫氧化鋁中氧化納含量有３種：

（1）晶格堿，水無(wú)法洗去；

（2）硅酸鈉結(jié)合喊，此部分堿含量極少，主要由精液脫硅指數(shù)決定；

（3）AH附堿，主要由平盤(pán)的洗漆效果決定。

夾雜在氫氧化鋁水合物中的鈉在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)形成高鋁酸鈉（xNa₂O·yAl₂O₃），降低了α-Al₂O₃的轉(zhuǎn)化率和活性，進(jìn)而影響燒結(jié)產(chǎn)物氧化鋁的物化性能。因此，除去氫氧化鋁中的鈉已成為制備高性能氧化鋁工藝中的重要環(huán)節(jié)。

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氧化鈉對(duì)氧化鋁性能的危害

1、電熔白剛玉

電熔白剛玉一般以工業(yè)氧化鋁粉為原料，在電弧爐中熔融后冷卻再結(jié)晶而成的白色熔塊，主要化學(xué)成分為Al₂O₃，含量在99%以上，雜質(zhì)含量很少。其冶煉過(guò)程基本上是工業(yè)氧化鋁粉熔化再結(jié)晶的過(guò)程，不存在還原過(guò)程。而工業(yè)氧化鋁含Al₂O₃98.5%以上，還有少量的Na₂O、SiO₂、Fe₂O₃等雜質(zhì)。電熔處理雖有一定凈化提純作用，但還不能將其完全排除。其中Na₂O與Al₂O₃在熔融狀態(tài)中生成β-Al₂O₃，且生成量隨著Na₂O含量的增加而增大。由于β-Al₂O₃的熔點(diǎn)低，密度小，因此熔塊冷卻結(jié)晶時(shí)，偏析于熔塊的上中部，雖然通過(guò)碎選可以剔除，但仍會(huì)有少量留在剛玉熔體中，嚴(yán)重影響白剛玉熔塊的耐火性能。因此對(duì)工業(yè)氧化鋁中的Na₂O含量必須嚴(yán)格控制。

2、板狀剛玉

板狀氧化鋁是美國(guó)鋁業(yè)公司(ALCOA)研制開(kāi)發(fā)的。燒結(jié)板狀剛玉，是一種高純氧化鋁為原料，在不添加任何外加劑的情況下，經(jīng)豎窯1850℃-1950℃的高溫速燒而成，其主晶相為α-Al₂O₃。具有高的耐火度、優(yōu)異的抗熱震性、抗蠕變性和抗剝落性。廣泛應(yīng)用于鋼鐵、鑄造、石化、陶瓷、玻璃等行業(yè)的高性能耐火材料中。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)燒結(jié)板狀剛玉一般都是以拜耳法制備的工業(yè)氧化鋁粉，其Na₂O的含量在0.3%以上，導(dǎo)致板狀剛玉產(chǎn)品中Na2O的含量也較高。Na₂O含量的增加，在高溫下會(huì)和α-Al₂O₃發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)Na₂O·11Al₂O₃，導(dǎo)致α-Al₂O₃轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al₂O₃。而β-Al₂O₃熔點(diǎn)低于α-Al₂O₃，同時(shí)機(jī)械性能、抗蠕變性、抗剝落性都要差于α-Al₂O₃。因此，Na₂O含量的增高，會(huì)降低燒結(jié)板狀剛玉的高溫使用性能，如顯氣孔率增加、體積密度減小。

3、高溫α-氧化鋁

低鈉高溫α-氧化鋁是以工業(yè)氫氧化鋁為主要原料，經(jīng)焙燒脫水、晶型轉(zhuǎn)化而成。高溫氧化鋁具有化學(xué)惰性強(qiáng)、熔點(diǎn)高(2040℃)的性能而較適宜用于耐火注料、耐火材料等領(lǐng)域；具有高溫、高強(qiáng)度、優(yōu)異電絕緣性等性能而適宜用作電子基片、汽車(chē)火花塞、刀具等陶瓷制品的原料；具有好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、高硬度等特點(diǎn)而主要于研磨、耐磨的工程機(jī)械件及高鋁陶瓷的原料。

圖源：中鋁山西新材料有限公司

對(duì)高溫氧化鋁α相變影響最大的是Na₂O雜質(zhì)，Na₂O含量一提高，β相氧化鋁（Na₂O·11Al₂O₃）就會(huì)急劇結(jié)晶，從而使α相氧化鋁含量減少。

在應(yīng)用上，高溫氧化鋁用作陶瓷及耐磨制品時(shí)，Na₂O含量的高低直接影響氧化鋁制品的抗壓強(qiáng)度及電絕緣性，通常Na₂O含量越高，導(dǎo)電率也越高，氧化鋁陶瓷及耐磨制品的電絕緣性能越差、機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)降低，α-Al₂O₃轉(zhuǎn)化率就越低，從而達(dá)不到高溫氧化鋁α-Al₂O₃95%以上的質(zhì)量要求，導(dǎo)致氧化鋁陶瓷及耐磨制品的變形和開(kāi)裂。

因此，降低原料氧化鋁粉中雜質(zhì)含量，尤其是Na₂O的含量，是提高化學(xué)品氧化鋁生產(chǎn)質(zhì)量和降低其生產(chǎn)成本的一個(gè)重要技術(shù)手段。

4、氧化鈉對(duì)鋁電解的影響

氧化鋁中Na₂O含量的升高對(duì)電解槽的運(yùn)行有很大的影響，當(dāng)電解質(zhì)中的鈉含量增加時(shí)，必須多加入氧化鋁以維持正常的NaF/AlF₃比值，使氟化鹽的消耗量增加，同時(shí)增加了電解槽中電解質(zhì)的體積。氧化鋁中的Na₂O在電解質(zhì)化學(xué)變化和電解槽的傳料和工藝控制方面起著重要作用。氧化鈉在鋁電解時(shí)可與氟化鋁發(fā)生反應(yīng)生成氟化鈉，使電解質(zhì)的正常分子比發(fā)生改變，為了保持電解質(zhì)的正常組成，必須補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)量的氟化鋁。

如何脫鈉是關(guān)鍵

目前常見(jiàn)的脫鈉工藝主要有以下幾種:

一是在種分階段通過(guò)提高氫氧化鋁晶體顆粒度、加大水洗力度等方法來(lái)降低工業(yè)氫氧化鋁中的氧化鈉含量，從而間接降低氧化鋁中氧化鈉的含量，一般能降至0.2%；

二在以氫氧化鋁為原料煅燒成α-氧化鋁的過(guò)程中，通過(guò)加大添加劑使用量并適當(dāng)提高煅燒溫度來(lái)降低產(chǎn)品中氧化鈉的含量。該方法容易實(shí)現(xiàn)，但能耗偏高，廢氣排放量大，產(chǎn)品應(yīng)用性能受限；

三是通過(guò)濕法水熱處理脫鈉，Na₂O含量可降低至0.05%，該方法優(yōu)點(diǎn)是能有效降低工業(yè)氧化鋁中的氧化鈉含量，缺點(diǎn)是中間半成品是含水濕基物料，通常含水率較高，后期需要進(jìn)一步的烘干，設(shè)備投入大，流程長(zhǎng)，能耗高。

關(guān)于礦化劑

礦化劑的主要作用是能夠增大氧化鋁晶格缺陷，形成陽(yáng)離子和陰離子空位，從而有助于加速結(jié)晶，有效降低α相變的溫度；同時(shí)，礦化劑還能和氧化鋁中的氧化鈉反應(yīng)，生成易揮發(fā)的鈉合物，所以礦化劑廣泛應(yīng)用于高溫氧化鋁的煅燒工藝中。不同類(lèi)型礦化劑的工作過(guò)程各不相同，其機(jī)理基本相似，通過(guò)降低α相變的形核激活能，降低煅燒溫度100～200℃，常用的礦化劑有氟化鋁、硼酸、氧化鎂和硝酸銨等。

常用的幾類(lèi)礦化劑及其作用

參考來(lái)源：

[1]劉明珠等.低鈉氧化鋁生產(chǎn)工藝優(yōu)化及工業(yè)化應(yīng)用研究

[2]曹?chē)?guó)楚，馮延磊.一種低鈉氧化鋁粉在化學(xué)品氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

[3]馮國(guó)政.高溫低鈉氧化鋁的研制

[4]趙端霞，馮延磊.降低氧化鋁產(chǎn)品氧化鈉含量的探討

[5]李建忠等.低鈉α-Al₂O₃在電子領(lǐng)域的應(yīng)用