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片状氧化铝粉体的制备与应用

平安
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楼主 发表于:2019-06-10 08:38:56
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1、片状氧化铝粉体简介


片状氧化铝粉体是近年来出现的一种性能优良的功能微粉材料,属于α-Al2O3,具有明显的鳞状结构特征和较大的径厚比。目前,片状氧化铝晶粒的径向尺度一般为5~50μm,厚度一般在100~500 nm之间,晶型发育良好的微粒还表现出规则的六角形貌。

 

片状氧化铝 图片来源:网络


通过人工方法合成的片状氧化铝微粉的径厚比例可调,并且具有纯度高,表面平整光滑,在水中分散性良好的优点。工业级的片状氧化铝粉体的粒径大小可以达到微米尺寸,厚度更是达到了纳米级或接近纳米尺度。这不仅使它具有显著的光线反射能力和屏蔽效应,还使其体现出了良好的表面活性和优越的附着力,现已广泛应用于涂料、化妆品、抛光粉、汽车面漆、增韧陶瓷等领域。同时,由于其价格是冶金级氧化铝的数十倍,片状氧化铝制备工艺具有巨大的研究意义。


2、片状氧化铝粉体的制备方法


(1)水热(醇热)法


水热结晶是片状氧化铝早期的常用制备方法。Yasuo等将氧化铝用球磨机研磨成亚微级颗粒(粒径≤1μm),并将其在碱液中进行水热结晶,制备出厚度小于0.1μm的氧化铝片晶。


尽管用水热法制备出来的片状氧化铝粉体纯度高,分散性好且具有较薄的平板状结构和均匀优良的晶体形貌,但是水热合成不仅周期长,而且在反应过程需要高温高压的反应釜,对设备有较强依赖,且晶体的相变温度较高(>400℃)。


(2)熔盐法


熔盐法的基本原理是将反应物在一定的温度下溶于一种或多种低熔点的盐中,在较低的温度下合成出目标产物。熔盐法制备粉体主要分为两个过程:晶粒形成和晶粒生长的过程。


Nitaa等最先将熔盐法用于片状氧化铝的制备,他们以硫酸盐为熔盐,以少量的二氧化钛和磷酸盐为添加剂诱导可溶性铝盐结晶,用反应制得的胶体在1200℃条件下煅烧5h,得到粒度大小3~22μm,厚度在0.2~0.5微米之间的片状六角形状粉体。


该法相对于常规固相法而言,具有工艺简单、合成温度低、保温时间短、合成的粉体化学成分均匀、晶体形貌好、物相纯度高等优点,但熔盐法制备过程中,常会分解出有毒有害气体,对煅烧设备有很大损害。煅烧后,熔盐、粉体和坩埚形成复杂固体混合物,后续处理较为困难。


(3)溶胶-凝胶法


溶胶-凝胶法是以可溶性盐为铝源(硫酸铝或者氢氧化铝),在液相体系中水解缩合并结晶,经过干燥处理后可以制得前驱体γ-Al2O3,再经高温环境中烧结固化完成由γ相向α相转变的过程。该法可以克服水热工艺中需要高温高压的反应釜的缺点,因此对设备的要求较低,应用的也较为广泛。其缺点是粉体粒径分布较大,制备的原料价格不菲,有些还对环境有害。


(4)溶胶-涂膜法


溶胶-涂膜法制备片状氧化铝和溶胶-凝胶法制备高纯超细的氧化铝类似,该法首先将氧化物的前驱体制备成溶胶,然后将溶胶涂膜在光滑的基片上,将涂膜置于烘干机里烘干后即可得到氧化物或者氢氧化物的薄片,进一步煅烧后即可得到所需的片状氧化铝粉体。


此法制备的产品易于控制各种工艺参数,例如粒度、厚度、化学组成等,此外所需的设备也比较简单,操作较为容易,但是所得产品机械强度不高、粒度分布不均匀,要得到所需粒度范围的产品还需要进一步筛选。


(5)机械法


机械法是将一定配比的粉末在机械力的作用下进行混合,一般采用球磨、搅拌磨、胶体磨、振动磨的方法,在长时间的运转过程中,粉末在研磨介质的反复冲撞下,经过反复挤压、冷焊及粉碎,成为弥散分布的超细离子的方法。


此法操作简便、成本低,但是制得的粉体纯度低,另外,机械力作用复杂多变,导致粉体结构不易控制,易产生相当数量的破碎片晶,抛光时可能导致刻痕和表面下的损伤。


希伯特等通过机械法采用湿磨的方式对原料进行研磨,制备出了晶体粒径为3~20μm的片状氧化铝粉体,该法制备出的粉体分散性好,但仍有不少细碎片晶。湿磨的粉体通过沉降分级可以去除细小颗粒,得到的粉体可以作为微电子基片的抛光粉。


(6)碳分法


碳分法属于铝酸钠的水解法,通常利用二氧化碳分解铝酸钠溶液,再添加适当的晶型控制剂,煅烧使氢氧化铝分解并发生晶型转变,并最终得到片状ɑ-Al2O3


(7)高温烧结法


Kebbede等研究了添加二氧化钛和复合掺杂二氧化钛、二氧化硅制备的氧化铝的显微结构。在1450℃烧结2h的单掺杂二氧化钛样品,呈等轴晶状,而双掺杂的样品,得到了片晶,但晶体粒径分布不均匀,径厚比也仅仅只有3.4。


3、片状氧化铝粉体的应用


(1)磨料抛光液


与常规的纳米氧化铝相比,平整光滑的片形表面对于被磨对象(如半导体硅晶片,智能手机外壳等等)来说不易划伤,产品的合格品率可因此提高10%至15%。所以,片状氧化铝已经成为了高精密微电子行业,宝石加工业和金属陶瓷行业的新宠。


 

图片来源:网络


(2)珠光颜料


片状氧化铝化学性能稳定,覆盖面积广,折射率高,并且其特有的光学性能使颜料能够产生强烈的珠光效应,因此以片状氧化铝作为珠光颜料的基片材料,已经成为开发性能优越的珠光颜料的新热点和行业经济增长点。


图片来源:网络


(3)无机填充剂


片状氧化铝在工业生产中是一种不可缺少的填充剂,应用在功能陶瓷,塑料和橡胶制品中,可以增加硬度和刚度,并且能够调节收缩性和热膨胀系数。


(4)化妆品


片状氧化铝粒度分布窄,径厚比大,化学性能稳定,表面光滑平整,在水中可以很好地分散开,最为重要的是,这种粉体无毒无味,因此也被广泛应用于化妆品领域。片状氧化铝作为一种可以改良化妆品导热性的添加剂,能够优化化妆品的光泽度和色彩,而且由于它的粘附性较好,贴附在皮肤表面有着很好的舒适度。它有着优越的铺展性和粘附性能,能够有效的防止油脂分泌或皮肤出汗造成的粉妆脱落。


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(5)功能涂膜


性能优越的片状氧化铝无团聚现象,且具有良好的附着力,易于与其他功能微粉相结合,制备成出各种前景诱人的新型功能涂膜。用于毛细管的氧化铝涂层可以显著提高其逆转电渗流性能和目标分析的选择性及稳定性能;用于隐形飞机的功能涂膜可以吸收电波以防止被雷达搜寻到;此外,氧化铝涂膜还有阻隔紫外线,进行光催化等功能,因此在太阳能电板上也有着不错的应用前景。

 

图片来源:网络


参考文献:

王玲等.片状氧化铝的发展历程与应用前景

孙敬会.碳分法制备超细片状氧化铝粉体

王玲.片状氧化铝的制备及形成机理研究

王迎.改良拜耳法制备不同形貌氧化铝


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