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提高α-氧化铝粉体分散性的方法简述

平安
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楼主 发表于:2019-03-25 10:17:37
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α-Al2O3粉体作为获得各种氧化铝材料的基础原料,其性能非常关键,高质量、高性能的氧化铝粉体要求做到高纯、超细、有较窄的粒径分布、没有严重的团聚现象、分散性好等。在氧化铝粉体的制备过程中,影响最终氧化铝粉体分散性的因素主要有以下两个方面。

1、前驱体对最终氧化铝粉体分散性的影响

目前用于制备高纯超细氧化铝的方法主要是沉淀法,即通过对前驱体进行锻烧制备粉体。在这一过程中,前驱体是影响最终产物分散性的关键因素。

制备氧化铝粉体的前驱体主要包括水合氧化铝、硫酸铝铵和碳酸铝铵,这些前驱体由溶液中经沉淀形成,其颗粒粒径、分散状态及相转变温度等均对产物的分散性有明显影响。

在铝盐与沉淀剂反应产生前驱体沉淀的过程中,所生成的沉淀物包括成核和晶核长大两个过程。在成核阶段,晶粒尺寸非常细小,具有极高的表面能。表面的缺陷较多,存在大量的悬键和不饱和键,使颗粒带电导致其自由能很高。根据热力学角度,团聚状态比分散状态要稳定,所以溶液中的细颗粒总是有团聚的趋势。

此外,在两种溶液混合时,总会出现混合浓度不均匀的现象。这时浓度高的区域或者两种溶液先接触的区域就会先生成晶核,随着反应的不断进行,先生成的晶核不断长大,成为粒径较大的粒子,而其他浓度低的或者后接触的区域才开始生成细小的粒子并逐渐长大。此时,后生成的细小的粒子会吸附在先生成的大粒子表面,通过表面反应和扩散熔合作用成为更大的粒子。但如果熔合的时间过长,则会吸附更多的细小粒子,从而形成团聚体。

总之,溶液内部颗粒的团聚是个十分复杂且可逆的过程,即团聚和分散处于动态平衡状态,任何细微的变化都会导致颗粒的状态发生改变。

氧化铝前驱粉体生成的同时,还伴随着生成其他副产物,所以要进行抽滤以洗去副产物。但是抽滤后的滤饼中,氧化铝前驱体含有大量的结构和吸附水。在烘箱干燥过程,水分不断蒸发,前驱体凝胶出现弯月液面的空隙,导致毛细管收缩,使粉体紧密的连接在一起形成团聚体。另一方面,抽滤过程中使用的去离子水在干燥时容易产生氢键粘合作用,造成硬团聚。这些团聚过程都是不可逆的,硬团聚体一旦形成,很难再将它们彻底分离开。因此,要获得分散性好的粉体,控制前驱体的团聚状态是至关重要的。

对前驱体团聚的调控手段主要包括以下几种:

(1)分散剂调控

当前驱体沉淀在液体中生成时,由于颗粒之间具有范德华和静电引力,故此一般在沉淀生成之前加入分散剂加以调控。一般地,根据分散原理的不同常选用硫酸铵[(NH4)2SO4]和聚乙二醇(PEG)。其中,硫酸铵具有静电分散的作用,使颗粒带上相同的电荷,相互排斥达到分布均匀的状态。

(2)有机物洗涤

采用无水乙醇等有机物洗涤前驱体,可以用表面张力小的有机溶剂置换颗粒表面吸附的自由水,减小氢键的作用和颗粒聚集的毛细管力,抑制颗粒的团聚。同时,有机试剂官能团(-OC2H5)能取代胶粒表面部分非架桥羟基(-OH),起到一定的空间位阻作用,这样就可减轻或消除硬团聚的产生。

(3)机械和超声分散

团聚的破坏主要是靠机械力和超声波。常用的机械分散方法有球磨法,球磨法又可分为球磨、气流磨、振动磨。球磨分散具有很强的机械力,打破粉体的团聚体,同时也可以减小粉体的粒径、提高粉体的球形度。但在球磨提高分散性的同时,容易引入杂质。另一方面,球磨时间以及转速都会对分散性有很大的影响,粉体在球磨的过程中会被打细,但是细到一定程度后,粉体的表面能急剧增加,又会出现“二次团聚”现象。

超声分散是在超声场中,利用超声波在溶液局部产生的巨大的冲击力和微射流等“空化”作用,使颗粒分散,但需注意的是,长时间的产生工作会使体系中的介质吸收波而转化为热能,大量的热量会影响粒子的成核以及长大过程。另外,超声分散虽可以获得理想的效果,但是大规模使用超声分散能耗过大,难以在工业范围中推广使用。

除以上几种方法外,在前驱体的干燥阶段,采用特殊干燥工艺如喷雾冷冻干燥和超临界流体干燥等,也可以进一步改善颗粒的团聚现象。

2、煅烧工艺对粉体分散性的影响

由于前驱体超细的粒径,使其具有超高的表面能和烧结活性。在低温烧结过程中团聚的前驱体优先烧结,形成烧结颈进而形成大的团聚体。当煅烧温度过高时,此时粉体的扩散速度加快,团聚体会继续烧结,降低粉体活性,同时也不利于后续陶瓷气孔的排除和致密化。因此控制合理的煅烧制度对减轻团聚现象尤为重要。

已有大量工作致力于降低α-Al2O3的形成温度,来达到控制α-Al2O3粉体的粒径分布及分散性的目的,比如通过引入无机添加剂、晶种或机械球磨等方法来制备性能良好的α-Al2O3粉体。

(1)加入晶种对α-Al2O3粉体分散性的影响

己有的研究表明在高温煅烧阶段添加晶种可以影响α-Al2O3相变过程中的成核势垒。晶种可以为体系提供低能量的异相成核点,降低形核势垒及相应的活化能,最终降低相变温度,从而避免高温下的烧结、团聚、颗粒粗化等现象,得到高分散性的α-Al2O3粉体。

(2)机械球磨处理对α-Al2O3粉体分散性的影响

基于机械能对固态反应的有益影响,机械球磨被广泛用于活化各种前驱物粉体,促降低其相转变温度。前驱体的球磨活化可有效降低α-Al2O3的形成温度,减弱因高温煅烧引起的烧结、团聚等现象,提高最终α-Al2O3粉体的分散性。

参考资料:

魏帅.化学沉淀法制备高分散氧化铝粉体及其性能表征

杨阳.高纯超细α-Al2O3粉体的制备与表征


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