中國粉體網訊 高純氧化鋁粉體純度高（Al2O3≥99.99%）、粒度細且均勻，具有優于常規材料的光、熱、磁、電等特性，是現代化工重要的特種功能材料之一。隨著我國工業技術的發展，對于高純超細氧化鋁粉體的需求有增無減，因此加強對高純、超細、低有害元素的氧化鋁粉體制備研究意義重大。
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高純氧化鋁粉體制備方法
高純氧化鋁粉體制備方法可分為三大類：液相法、氣相法、固相法，但液相法在產品質量、生產成本及環境保護等方面均優于后兩者，是最重要的氧化鋁制備技術，下面重點對液相法進行分析總結。
1 結晶熱解法
1.1 硫酸鋁銨結晶熱解法
硫酸鋁銨法應用較廣，其產品活性好，粒度均勻。精制過的硫酸鋁在硫酸銨體系下進行結晶，在多次重結晶過程中硫酸鋁銨被提純，最終將提純后的硫酸鋁銨熱解制得氧化鋁粉體。該法的工藝簡單、成本低、粉體質量高且易于大規模工業生產，但過程中易出現熱溶解現象，對于鉀、鈣、鹵素等雜質的去除困難。此外，熱分解過程中產生的氨氣和硫氧化物造成環境污染，是限制其發展的主要因素。
1.2 碳酸鋁銨結晶熱解法
對于硫酸鋁銨法的完善和改進研究是多年來人們所關注的點。基于硫酸鋁銨法改進后的碳酸鋁銨結晶熱解法一定程度上控制了空氣污染問題，在目前的工業生產中應用較多，將提純后的硫酸鋁銨與碳酸氫銨反應，轉化為碳酸鋁銨，避免了后續熱解產生硫氧化物氣體。與硫酸鋁銨法相比，碳酸鋁銨法的產品粉體粒度分布不均勻，有團聚現象產生，生產成本也較高。生產過程中需要嚴格控制各參數及反應條件。
2 水解法
2.1 醇鋁水解法
醇鋁水解法在催化劑體系下，有機醇和金屬鋁反應生成醇鋁溶液，然后進行水解，所得高純氫氧化鋁燒結后得到高純氧化鋁。針對該方法，保證氧化鋁品質的技術關鍵有以下三點：一，保障原料純度；二，醇鋁的進一步精餾提純，除去高熔點雜質；三，醇鋁的干燥、燒結條件和粉體制備裝置調控粉體的粒度。該法環境友好，對所得氧化鋁的純度高，但高純度的有機醇前驅體造成生產成本高、工藝復雜、純度難控制。
2.2 直接活化水解法
氯化汞活化水解法，使用氯化汞將鋁片或鋁屑活化，然后置于1%濃度的硫酸鋁溶液中水解，將所得氫氧化鋁溶膠高溫干燥后得到凝膠，進一步高溫處理制得氧化鋁粉體。該工藝的重點在于鋁的活化水解，要保證原料為高純度的鋁薄片，若水解不充分，產品中殘留有單質鋁，過程中引入的汞處理不好會污染環境，水解時產生的氫氣排放也要考慮安全因素。高純鋁活化水解法生產周期短，所得氧化鋁粉體可提高透明陶瓷的透過率和耐腐蝕性，但對原料金屬鋁的純度要求較高，需要嚴格的過程控制以保證產品純度，其苛刻的水解條件以及環保問題使該法僅限于實驗室應用。
3 改良拜耳法
改良拜耳法將數次脫硅、除鐵后的偏鋁酸鈉溶液析出氫氧化鋁，在高溫條件下焙燒得到所需晶型的高純氧化鋁，溶液凈化除雜和結晶過程均會對最終產品的純度和粉體質量產生影響，是該法的關鍵。該法應注意對鈉的脫除，在焙燒時添加礦化劑或在氫氧化鋁水熱轉相時添加脫鈉劑均是有效的除鈉手段。結晶過程中溶液過飽和度、結晶溫度、晶種大小等參數直接影響氧化鋁的純度及粉體質量，通過準確的控制反應條件，使結晶過程緩慢地進行，避免異常晶核的形成，有利于減少 Na、Si 等雜質的夾雜。該工藝成本低，原料來源廣，但過程復雜，焙燒溫度高，產品獲得率低，純度也相對較低。
4 溶膠凝膠法
溶膠凝膠法是一種低溫制備高純氧化鋁的重要方法。將高純度的鋁鹽在高純度的無機鹽或有機酸中水解生成水合物前驅體透明溶膠，然后將溶膠聚合凝膠化得到透明凝膠，凝膠進一步高溫加熱得高純氧化鋁。據報道，溶膠凝膠法生產氧化鋁過程中 α-氧化鋁的相轉化在 1000℃即可發生，明顯較其它方法低。該法所使用的溶劑無毒，但工藝復雜、溶劑等的純度要求高、生產成本較高、工業化擴大生產難度大，此外粉體團聚嚴重，需要添加適當的表面活性劑或采用其它方法抑制團聚現象。
5 水熱合成法
水熱合成法對產品的純度和粒度控制容易，利用水溶液作為反應體系，通過加熱加壓增大前驅體的溶解度，高純鋁與水蒸氣作用直接水解為氫氧化鋁，在降溫的過程中析出氧化鋁，避免氫氧化鋁煅燒產生硬團聚，再經干燥、煅燒等工序即可制得氧化鋁粉體。該法的缺點是設備投資大，高溫高壓具有一定的危險，氫氧化鋁轉化為氧化鋁的效率低，通常需要添加晶種降低相轉變溫度。
6 沉淀法
沉淀法分為三類：直接沉淀法得到的產品粒度不均勻，分散性差；均勻沉淀法團聚少、反應速度可控性好；共沉淀法作用于混合后的溶液，各組分混合沉淀。沉淀法工藝簡單、成本低、易于工業化生產，但在成核結晶，前驅體的洗滌、干燥、煅燒等工序都易產生團聚現象，對于優質的粉體制備必須嚴格控制全過程。
7 其它制備方法
除上述較常用的方法外，代表性的其它方法有電火花放電法、微乳液法、等離子體法、噴霧熱分解法等。電火花放電法通過高溫及火花放電產生的沖擊力，使金屬鋁轉化為具有高活性的小顆粒鋁，高活性鋁與水反應生成氫氧化鋁，再經煅燒生成氧化鋁，該法產生的粉體品質好，可達微米級，不污染環境，但該法擴大困難、能耗高，難以工業化應用。微乳液法可在納米級對材料的粒徑和穩定性進行精確控制，是制備納米粒子的一種先進手段，乳化溫度、表面活性劑及水箱濃度是決定粉體粒度的重要參數。等離子體法溫度易控，包括等離子體發生、化學反應、驟冷反應三個過程，氧化鋁的熱解過程較其它方法能耗低，產品粒徑可控，是一種比較新穎的方法。噴霧熱解法通過將鋁鹽溶液在高溫空間霧化，在短時間內完成溶劑的蒸發和鋁鹽的熱分解，直接制得氧化鋁粉體，但裝置較沉淀法復雜。
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高純氧化鋁粉體應用
高純氧化鋁可用于生長單晶藍寶石，藍寶石可用于制作半導體、薄膜襯底等; α 晶型的高純氧化鋁可用于制作陶瓷，其制作的透明陶瓷性能優于傳統不透明陶瓷，也可用于制作燈管從而代替石英玻璃；在電子領域也可用于制作基片；其陶瓷材料生物相容性良好，對人體無害，在醫學領域可作為人造牙、骨骼等; β 晶型的氧化鋁的離子導電能力強，可作為高蓄電量鈉/硫蓄電池的電解質；高品質的高純氧化鋁可用于制作激光晶體；γ 晶型高純氧化鋁具有良好的催化性能，可作為純凈的催化劑以滿足反應無雜質引入的要求；此外，還可作為鋰電池的絕緣、隔熱材料部分;用于增強橡膠的各種性能; 可用于制作傳感器等。
高純氧化鋁粉體具有優良的物化特性而成為重要的特種功能材料之一，在機械、電子、化工、光學和能源等技術領域具有重要用途。由于我國制備高純氧化鋁粉體技術較國外起步稍晚一些，盡管目前取得了很大的研究進展，但是在先進性方面還是存在一定的差距。因此，不斷探索并開發高純氧化鋁粉體的制備及其應用依舊是我國有待突破的重要領域。中國粉體網旗下粉體公開課平臺將于2021年6月10日舉辦“2021高純氧化鋁粉體材料制備及應用技術網絡研討會”，來自福州大學的洪若瑜研究員將走進本次粉體公開課的直播間，給大家帶來題為《高純氧化鋁粉體材料制備與應用》的報告。屆時洪研究員將向大家詳解高純氧化鋁的主要生產方法，并對各生產方法的特點進行分析，介紹其最新應用領域。
專家介紹
洪若瑜， 福州大學石化院材料化工系研究員，博士生導師，閩江學者特聘教授。
研究方向：(1) 納米粉體（氧化鋁、鐵氧體、陶瓷、石墨烯）、納米流體（磁性流體）和陶瓷前驅體的制備與應用；(2) 高分子與無機納米復合材料（如硅碳、復合氧化物）和功能涂料；(3) 計算流體動力學、多相流等。
主要論文發表：已發表132篇SCI論文，14篇進入JCR一區，54篇進入二區；他引逾四千次，H因子40。在斯坦福大學世界學者排名中位居前13萬名（福州大學上榜27人中位列21、全國化工排名35、世界化工學者前1.3%）。
主持科研項目：主持完成國家自然科學基金3項（Nos. 20476065, 20876100, 21246002），科技部創新基金2項，省部級項目5項，國家重點實驗室基金4項，橫向課題6項，地方工業項目和科技領軍項目3項。目前承擔省級重大課題3項，海裝預研1項，橫向課題5項。
獲獎：Featflow Fellowship, Dortmund Univ., Germany, 2000；2005~2010年度Elsevier中國大陸高被引作者獎，2010年；2005~2015年Elsevier中國大陸高下載作者獎（第1、第19、第37，共3篇論文），2015年；2010年度閩江學者獎（福建省教育廳和財政廳）；2010年度蘇州國家高新區領軍人才獎（C類排名第一）。
參考來源：
【1】饒兵，戴惠新等.高純氧化鋁粉體制備技術.價值工程.2017.
【2】張立生，李慧，等.高純氧化鋁應用及制備工藝研究進展.輕金屬.2018.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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