中國粉體網(wǎng)訊 納米氧化鋁具備高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特性,因而被廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)、磨料、精細(xì)陶瓷、耐火材料、催化、光學(xué)材料等領(lǐng)域。納米氧化鋁的制備方法可以分為固相法、液相法和氣相法,此外還有一些新型制備工藝。
納米氧化鋁(圖片來源:匯富納米)
1 固相法
1.1 機(jī)械法
機(jī)械法是指用研磨機(jī)對原料進(jìn)行研磨以得到含有一定雜質(zhì)的納米氧化鋁粉體,然后通過后續(xù)一系列化學(xué)工藝逐步將雜質(zhì)除去,從而得到高純納米氧化鋁。這種方法過程簡單、成本較低,但所得產(chǎn)品粒徑分布范圍較寬,且生產(chǎn)過程中存在一定的噪聲和粉塵污染。
1.2 熱解法
熱解法一般以硫酸鋁銨和碳酸鋁銨等鋁鹽為原料,經(jīng)過反應(yīng)和提純得到氧化鋁的前驅(qū)體,再經(jīng)過加熱分解便可獲得納米氧化鋁。熱解法工藝簡單,常用于工業(yè)制備。硫酸鋁銨熱解時會產(chǎn)生SO2等有毒氣體,污染環(huán)境,因此碳酸鋁銨熱解法逐漸成為主流。
1.3 燃燒法
燃燒法是將反應(yīng)物按一定比例放入爐中燃燒,直接得到產(chǎn)物的方法。這種方法可以制備出活性較高的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物,產(chǎn)物具有粒徑小、純度高的優(yōu)點(diǎn)。但是燃燒法得到的產(chǎn)物不易收集,且燃燒過程有較高危險性,燃燒溫度也難以控制。
2 液相法
2.1 沉淀法
沉淀法是在鋁鹽溶液中加入沉淀劑,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化鋁前驅(qū)體沉淀,再經(jīng)過濾、洗滌、干燥和煅燒得到氧化鋁粉體的方法。沉淀法可以分為直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法,其中共沉淀法一般用于多組分氧化物的制備。
直接沉淀法就是利用沉淀反應(yīng)從溶液中直接得到納米顆粒。常見的鋁源有AlCl3、Al(NO3)3等,常用的沉淀劑有氨水等。直接沉淀法工藝較為簡單,但難以保證沉淀組分的單一性,所以制備的粉體往往雜質(zhì)較多。
均勻沉淀法是以尿素等為沉淀劑,通過反應(yīng)離子的均勻釋放,使其與鋁離子在微觀層面混合均勻。由于沉淀劑的緩慢水解,化學(xué)反應(yīng)緩慢發(fā)生,氧化鋁形核速率得到控制,在某一時刻發(fā)生爆發(fā)性形核的概率比直接沉淀法小,顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象得到一定控制,因此制備出的納米顆粒更均勻、粒徑更小。
2.2 水熱法
水熱法是以水為反應(yīng)介質(zhì),在高溫高壓密閉容器中發(fā)生反應(yīng)制得氧化鋁前驅(qū)體,再經(jīng)高溫煅燒得到納米氧化鋁粉體的方法。例如,以Al(NO3)3和尿素這一水熱體系可以合成納米碳酸鋁銨粉體,進(jìn)而得到納米氧化鋁。
水熱法制備納米氧化鋁,不僅過程簡單、操作方便,而且避免了煅燒時氫氧化物轉(zhuǎn)化為氧化物這一容易形成硬團(tuán)聚的步驟,所制備的粉體團(tuán)聚程度很低。此外,這種方法可以通過改變反應(yīng)條件對產(chǎn)物的微觀形貌進(jìn)行調(diào)控。然而,水熱法的條件控制嚴(yán)格,如改變反應(yīng)釜大小等條件對產(chǎn)物影響很大,氧化鋁產(chǎn)量也。煌瑫r,水熱法需要在密閉的反應(yīng)釜中保溫較長時間,無法觀察到物質(zhì)的中間狀態(tài),這些限制均不利于其應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)上。
2.3 溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是以鋁醇鹽或無機(jī)鋁鹽溶液為原料,經(jīng)水解和縮合形成溶膠,再經(jīng)陳化形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠,最后凝膠干燥、煅燒得到納米氧化鋁粉體。
醇鹽溶膠-凝膠法制備納米氧化鋁,獲得的粉體顆粒細(xì)小、粒徑分布均勻;但醇鹽價格昂貴,工藝過程不易控制。無機(jī)鹽溶膠-凝膠法避免了昂貴的醇鹽和有毒的有機(jī)溶劑,但會引入雜質(zhì)離子,需要對凝膠進(jìn)行洗滌。
總體而言,溶膠-凝膠法制備的氧化鋁粒徑小、純度高、分散均勻且制備過程簡單可控。此方法對實驗條件要求不高,受到國內(nèi)外許多研究人員的關(guān)注,不斷擴(kuò)展反應(yīng)物的多樣性。
2.4 微乳液法
微乳液法是指在由水相、油相和添加劑三種物質(zhì)組成的體系中制備納米氧化鋁的方法。以微小液滴的形式將反應(yīng)液體滴入油相中,在表面活性劑的作用下均勻分散,水相就會被添加劑所組成的微小單分子層界面包圍,最終形成微乳顆粒,尺寸可以控制在納米級。這些顆粒經(jīng)過沉淀、洗滌、干燥、煅燒即可得到納米氧化鋁粉體。
微乳液法具有實驗裝置簡單、顆粒大小和形狀可控等優(yōu)點(diǎn),但添加物易與納米產(chǎn)物混合,影響產(chǎn)物純度。
3 氣相法
氣相法是通過一定方法使原料變?yōu)闅怏w,在氣相條件下發(fā)生反應(yīng),經(jīng)冷卻沉積在基體上形成納米顆粒的方法。氣相法包括電弧噴涂法、等離子氣相合成法和化學(xué)氣相沉積法。
氣相法的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)條件易于控制、顆粒粒徑小且分散性好、產(chǎn)物易于精制,缺點(diǎn)是設(shè)備氣閉性要求高、實驗過程能耗大、產(chǎn)率低且產(chǎn)物不易收集。氣相法適合實驗室規(guī)模的納米氧化鋁制備,難以用于工業(yè)化生產(chǎn)。
4 新型工藝
近年來,研究人員通過對傳統(tǒng)方法進(jìn)行組合與創(chuàng)新,提出來一些制備納米氧化鋁的新型工藝。例如,基于溶膠-凝膠法的溶膠-凝膠-自蔓延法、溶膠凝膠-靜電紡絲法和無水解溶膠凝膠法。
這些新型制備方法還處在實驗室階段,且存在產(chǎn)率低、成本高、實驗條件要求高等諸多問題,但隨著技術(shù)的逐漸成熟,相信會發(fā)展出滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的創(chuàng)新方法。
小結(jié)
綜上所述,液相法在納米氧化鋁制備的主流方法中具有明顯優(yōu)勢,但也存在產(chǎn)物不純等現(xiàn)象。因此,低成本高性能納米氧化鋁粉體的工業(yè)化生產(chǎn)中仍有許多問題有待解決。
參考資料:
【1】賈昆侖, 等. 納米氧化鋁粉體制備與應(yīng)用進(jìn)展. 中國陶瓷, 2020.
【2】王宏. 單分散納米氧化鋁粉體的制備及表征. 東北大學(xué), 2020.
【3】孫躍軍, 等. 納米氧化鋁粉體制備方法與工藝的研究進(jìn)展. 中國材料進(jìn)展, 2017.
【4】韓蕓, 等. 納米氧化鋁粉體的制備方法及應(yīng)用. 中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊, 2011.
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