一种采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法
【专利摘要】本发明属于铝镁尖晶石的制备【技术领域】，尤其涉及一种采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，包括以下步骤：将金属铝和金属镁真空熔炼成铝镁合金；将铝镁合金熔体通过气流雾化法粉碎成微粉，并在雾化过程中用高纯水冷却，获得合金粉浆；将粉浆浓缩后导入反应器中加热，使其发生水解反应生成铝镁复合物前驱体；将前驱体微粉干燥煅烧，即可制得纯相的MAS高纯微粉。相对于现有技术，本发明首先采用真空熔炼的方法将镁和铝合金化，然后采用高压气体雾化法雾化成微粉，再采用复合水解法得到氢氧化铝和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体，再经过脱水和煅烧，即可制得一次颗粒尺寸小、活性高、杂质含量低、产品稳定性好、成本低廉的MAS高纯微粉。
【专利说明】一种采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铝镁尖晶石的制备【技术领域】，更具体地说，本发明涉及一种采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法。
【背景技术】
[0002]铝镁尖晶石(化学式为MgAl2O4，英文缩写为MAS)粉体以前主要用在耐火材料、耐磨材料和精细陶瓷等领域，近年来逐渐应用领域逐渐向电子、催化剂及其载体材料、透明陶瓷、尖晶石单晶等领域扩展。
[0003]例如，MAS可用作背投电视基片，以代替目前常用的YAG晶体，且相对于YAG基体而言，MAS具有如下优点:折射率小，利于增加电视亮度；热导率大，利于面板热传导和荧光粉使用寿命的提高；抗热冲击性能优于YAG单晶；同时，尖晶石多晶体采用陶瓷材料的制备技术，比用单晶生长法生长的YAG制作成本低得多，且易规模生产，并且可制备成大尺寸(4英寸以上)及异形制品。
[0004]MAS粉体的主要性能包括纯度、粒度、颗粒形态、相态及组成等，其中，纯度是衡量粉体性能优劣的关键指标。高纯MAS粉体的纯度一般大于99.99%，主要用于人工晶体、透明陶瓷材料和精密电子元器件等。
[0005]此外，由于MAS同时具有酸性和碱性两种活性中心，而且其饱和结构使其具有较高的热稳定性，其晶相结构可以在高温下保持不变，这使得其性质稳定，不易烧结，可用作催化剂。目前，其催化 作用及其作为载体的重要作用业已引起了人们的关注。
[0006]目前常见到的MAS粉体制备技术主要有:固相反应法、化学沉淀法、溶剂蒸发法、溶胶-凝胶法等方法。各种制备技术都存在一定局限性:如固相反应法成本低廉、工艺简单，但存在转化率低、平均粒径大、颗粒形貌难以控制的问题；化学沉淀法获得的粉体活性高、组分均匀，但水洗过滤困难，沉淀剂易残留，影响粉体纯度，此外粉体分散性差，易形成硬团聚；溶剂蒸发法基本解决了颗粒分散性问题，但粉体多为中空结构，影响了粉体的应用；溶胶-凝胶法产品纯度较高，但成本高昂，同时还存在粉体分散困难的问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于:针对现有技术的不足，而提供一种采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，采用该方法制备的MAS微粉具有化学组分均匀、一次颗粒尺寸小、活性高、杂质含量低、产品稳定性好、成本低廉、大规模生产时工艺稳定性好等优点,而且该方法工艺流程简单，不产生废气排放等问题，绿色环保。
[0008]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，包括以下步骤:
步骤一，将金属铝和金属镁按照摩尔比(1-4):1加入容器中进行真空熔炼，使金属铝和金属镁合金化，形成招镁合金；
步骤二，将步骤一制得的铝镁合金熔体采用气流雾化法粉碎成微粉，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的微粉，获得粉浆；
步骤三，将步骤二得到的粉浆浓缩至质量浓度为20~30%后导入反应器，然后加热粉浆使其保持在沸腾状态至所述粉浆水解为氢氧化铝和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体；
步骤四，将步骤三得到的前驱体在120~150°C下干燥，脱去自然水，然后在700-1100°C下煅烧，制得高纯铝镁尖晶石微粉。
[0009]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，步骤一所述金属铝为铝锭，其纯度为99.80~99.999% ;步骤一所述金属镁为镁锭，其纯度为99.9 ~99.999%。
[0010]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，步骤一所述容器为中频感应电炉的石墨坩埚。
[0011]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，在步骤一的真空熔炼过程中添加掺杂元素,所述掺杂元素为Fe、T1、N1、Cr、Mn、Co、V中的至少一种，制得含有一定浓度掺杂元素的复合粉体。
[0012]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，步骤二所述气流雾化粉碎使用压缩空气，所述压缩空气的压力为2~4MPa，气体为氮气、氩气或空气；所述压缩空气的流量为2~4m3/min，雾化温度为700-1000°C。步骤二采用的是高压气体雾化法，其原理是利用高压气流(空气、惰性气体)击碎液态金属或合金使其碎化成粉末的制粉方法。
[0013]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，步骤二所述高纯水的电阻率大于IOMQ ? cm。
[0014]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，步骤三所述反应器为搪瓷反应器或带有有机内衬(如PP、特氟龙等)的反应釜；步骤三所述沸腾状态的温度为80~100°C，持续时间为1`8~72h。
[0015]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，在步骤三的加热过程中还添加有掺杂元素的可溶性金属盐的水溶液。
[0016]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，所述掺杂元素为Fe、T1、Cr、N1、Mn、Co和V中的至少一种，所述Fe的加入量占反应产物(即含有掺杂元素的高纯铝镁尖晶石微粉)的0.001~5wt%，所述Ti的加入量占反应产物的
0.001~5wt%，所述Cr的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Ni的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Mn的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Co的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Mn的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述V的加入量占反应产物的0.001~5wt%。
[0017]作为本发明采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法的一种改进，所述掺杂元素的可溶性金属盐为FeSO4、TiCl4、重铬酸铵、Ni (NO3) 2、Mn (NO3) 2、Co (NO3) 2和偏钒酸铵中的至少一种。
[0018]相对于现有技术，本发明首先采用真空熔炼的方法将金属镁和金属铝合金化，然后采用高压气体雾化法将高纯铝镁合金雾化成微粉，然后采用复合水解的方法得到氢氧化铝和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体，再经过后续的脱水和煅烧的步骤，即可制得化学组分均匀、一次颗粒尺寸小、活性高、杂质含量低、产品稳定性好、成本低廉、大规模生产时工艺稳定性好的MAS高纯微粉，该微粉的一次粒径为30-80nm，二次粒径为0.5-20 u m,晶形完整。采用本申请的方法制得的MAS微粉再经过后续的工艺可烧制成透明的MAS多晶陶瓷或者生长出MAS单晶，可用于人工晶体、透明陶瓷材料和精密电子元器件等领域；而采用本申请的方法制得的MAS微粉可直接用作某些催化剂的载体，如甲烷化催化剂载体，烷基苯酚氨化制烷基苯胺的催化剂载体和汽车尾气氧化的载体等，具有较好的脱硫效果。
[0019]此外，本发明的方法工艺流程简单，不产生废气排放等问题，绿色环保。
[0020]由于金属态的单质铝和单质镁很容易在工艺上实现高纯化，同时在高纯铝和高纯镁的水解过程中无需添加任何催化剂，从而保证了氢氧化铝和氢氧化镁具有极高的纯度，即使掺杂也不会引入太多的杂质元素，因此，就保证了产物的高纯度。
[0021]而且，本发明采用的高压气体雾化法制得的氢氧化铝和氢氧化镁具有粒度均匀、化学组分均匀、一次颗粒尺寸好、活性高的特点，利于掺杂元素的吸附，且使得制得的MAS微粉具有较高的活性。
【具体实施方式】
[0022]实施例1
本实施例提供的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，包括以下步骤:步骤一，将纯度为99.996%的铝锭和纯度为99.993%的镁锭按照摩尔比例2:1置于中频感应电炉的石墨坩埚中进行真空熔炼，使铝锭和镁锭合金化，形成铝镁合金。
[0023]步骤二，然后将铝镁合金导入雾化喷嘴内用压缩氮气予以雾化粉碎成微粉，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得粉浆，雾化条件为:压缩氮气的压力为2MPa，流量为3m3/min，雾化温度为850°C，雾化压力为3.5MPa，高纯水的电阻率为13MQ ? cm。
[0024]步骤三，将步骤二得到的粉浆浓缩至质量浓度为25%后导入搪瓷反应器中，然后加热粉浆使其保持在沸腾状态至粉浆水解为氢氧化铝和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体；沸腾状态的温度为95°C，持续时间`为48h。
[0025]步骤四，将步骤二得到的前驱体在130°C下干燥，脱去自然水，然后在1200°C下煅烧，制得純相的高纯铝镁尖晶石微粉。经测试，其粒径为1-8 u m,晶形完整，可用于精密电子元器件及透明尖晶石陶瓷。
[0026]实施例2
本实施例提供的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，包括以下步骤:
步骤一，将纯度为99.99%的铝锭和纯度为99.98%的镁锭按照摩尔比例4:1置于中频感应电炉的石墨坩埚中进行真空熔炼，使铝锭和镁锭合金化，形成铝镁合金。
[0027]步骤二，然后将铝镁合金熔体导入雾化喷嘴内用压缩氮气予以雾化粉碎成微粉，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得粉浆，雾化条件为:压缩氮气的压力为3MPa，流量为4m3/min，雾化温度为850°C，雾化压力为2.5MPa，高纯水的电阻率为12MQ ? cm。
[0028]步骤三，将步骤二得到的粉浆浓缩至质量浓度为20%后导入搪瓷反应器中，然后加热粉浆使其保持在沸腾状态，加热过程中滴入六水硝酸钴水溶液，使得钴的质量为反应产物的质量的0.1%，加热至粉浆水解为掺杂有钴的氢氧化铝和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体；沸腾状态的温度为80°C，持续时间为48h。[0029]步骤四，将步骤二得到的前驱体在140°C下干燥，脱去自然水，然后在1200°C下煅烧，制得可生产天蓝色尖晶石的高纯铝镁尖晶石微粉。该微粉经研磨、造粒后热等静压压块，脱胶后在1650°C下烧结5h，得到天然色、半透明或完全透明的尖晶石料块，可用于装饰宝石。
[0030]实施例3
本实施例提供的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，包括以下步骤:步骤一，将纯度为99.993%的铝锭和纯度为99.99%的镁锭按照摩尔比例2:1置于中频感应电炉的石墨坩埚中进行真空熔炼，使铝锭和镁锭合金化，形成铝镁合金。
[0031]步骤二，然后将铝镁合金熔体导入雾化喷嘴内用压缩空气予以雾化粉碎成微粉，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得粉浆，雾化条件为:压缩气体的压力为2.5MPa，流量为3.5m3/min，雾化温度为900°C，雾化压力为4.5MPa，高纯水的电阻率为12MQ ? cm。
[0032]步骤三，将步骤二得到的粉浆浓缩至质量浓度为22%后导入带有特氟龙内衬的反应釜中，然后加热使其保持在沸腾状态，加热过程中滴入偏钒酸铵水溶液，使得钒的质量为反应产物的质量的0.1%，加热至粉浆水解为掺杂有钒的氢氧化铝和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体；沸腾状态的温度为90°C,持续时间为28h。
[0033]步骤四，将步骤二得到的前驱体在120°C下干燥，脱去自然水，然后在1100°C下煅烧，制得钒掺杂的高纯铝镁尖晶石微粉。该微粉可用于制作人工晶体、透明陶瓷材料。
[0034]实施例4` 本实施例提供的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，包括以下步骤:
步骤一，将纯度为99.85%的铝锭和纯度为99.98%的镁锭按照摩尔比例4:1置于中频感应电炉的石墨坩埚中进行真空熔炼，使铝锭和镁锭合金化，形成铝镁合金。
[0035]步骤二，然后将铝镁合金熔体导入雾化喷嘴内用压缩氩气予以雾化粉碎成微粉，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得粉浆，雾化条件为:压缩气体的压力为3.5MPa，流量为2.5m3/min，雾化温度为880°C，雾化压力为3MPa，高纯水的电阻率为IOMQ ? cm。
[0036]步骤三，将步骤二得到的粉浆浓缩至质量浓度为27%后导入搪瓷反应器中，然后加热粉浆使其保持在沸腾状态，加热过程中滴入TiCl4水溶液，使得钛的质量为反应产物的质量的0.5%,加热至粉衆水解为掺杂有钛的氢氧化招和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体；沸腾状态的温度为88°C，持续时间为32h。
[0037]步骤四，将步骤二得到的前驱体在135°C下干燥，脱去自然水，然后在1030°C下煅烧，制得钛掺杂的高纯铝镁尖晶石微粉。该微粉可用于制作人工晶体、透明陶瓷材料。
[0038]实施例5
本实施例提供的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，包括以下步骤:步骤一，将纯度为99.85%的铝锭和纯度为99.9%的镁锭按照摩尔比例2:1.2置于中频感应电炉的石墨坩埚中进行真空熔炼，使铝锭和镁锭合金化，形成铝镁合金。
[0039]步骤二，然后将铝镁合金导入雾化喷嘴内用压缩氮气予以雾化粉碎成微粉，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得粉浆，雾化条件为:压缩气体的压力为4MPa，流量为2m3/min，雾化温度为880°C，雾化压力为4.0MPa，高纯水的电阻率为IOMQ ? cm。[0040]步骤三，将步骤二得到的粉浆浓缩至质量浓度为30%后导入搪瓷反应器中，然后加热粉浆使其保持在沸腾状态至粉浆水解为氢氧化铝和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体；沸腾状态的温度为85°C，持续时间为36h。
[0041]步骤四，将步骤二得到的前驱体在130°C下干燥，脱去自然水，得到尖晶石配方的氢氧化物，该微粉进行球磨或气流粉碎，获得粒径为0.5-2 的具有高比表面积的尖晶石前驱体微粉，该微粉可用于某些催化剂的载体，如甲烷化催化剂载体，烷基苯酚氨化制烷基苯胺的催化剂载体和汽车尾气氧化的载体等，具有较好的脱硫效果。
[0042]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和 修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【权利要求】
1.一种采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一，将金属铝和金属镁按照摩尔比(1-4):1加入容器中进行真空熔炼，使金属铝和金属镁合金化，形成铝镁合金； 步骤二，将步骤一制得的铝镁合金熔体采用气流雾化法粉碎成微粉，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的微粉，获得粉浆； 步骤三，将步骤二得到的粉浆浓缩至质量浓度为20~30%以后，导入反应器中，然后加热粉浆使其保持在沸腾状态至所述粉浆水解为氢氧化铝和氢氧化镁相互渗透共生的前驱体； 步骤四，将步骤三得到的前驱体在120~150°C下干燥，脱去自然水，然后在700-1200°C下煅烧，制得高纯铝镁尖晶石微粉。
2.根据权利要求1所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:步骤一所述金属铝为铝锭，其纯度为99.80~99.999% ;步骤一所述金属镁为镁锭，其纯度为 99.9 ~99.999%o
3.根据权利要求1所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:步骤一所述容器为中频感应电炉的石墨坩埚。
4.根据权利要求1所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:步骤二所述气流雾化 粉碎使用压缩空气，所述压缩空气的压力为2~4MPa，气体为氮气、氩气或空气；所述压缩空气的流量为2~4m3/min ;雾化温度为700-1000°C。
5.根据权利要求1所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:步骤二所述高纯水的电阻率大于IOMQ ? cm。
6.根据权利要求1所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:步骤三所述反应器为搪瓷反应器或带有有机内衬的反应釜；步骤三所述沸腾状态的温度为80~100°C，持续时间为18~72h。
7.根据权利要求1所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:在步骤一的真空熔炼过程中添加掺杂元素，所述掺杂元素为Fe、T1、N1、Cr、Mn、Co、V中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:在步骤三的加热过程中还添加有掺杂元素的可溶性金属盐的水溶液。
9.根据权利要求8所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:所述掺杂元素为Fe、T1、N1、Cr、Mn、Co、V中的至少一种，所述Fe的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Ti的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Ni的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Cr的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Mn的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述Co的加入量占反应产物的0.001~5wt%，所述V的加入量占反应产物的0.001~5wt%。
10.根据权利要求8所述的采用复合水解法制备高纯铝镁尖晶石微粉的方法，其特征在于:所述掺杂元素的可溶性金属盐为FeS04、TiCl4、重铬酸铵、Ni (NO3) 2、Mn (NO3) 2、Co (NO3) 2和偏钒酸铵中的至少一种。
【文档编号】C01F7/16GK103754910SQ201410021454
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】李晖云, 李晨晖 申请人:东莞市精研粉体科技有限公司