一种低温制备纳米氧化铝的方法
【专利摘要】本发明公开了一种低温制备纳米氧化铝的方法。通过加入晶种，采用两步水解法，在水解前后分别加入葡萄糖和聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，其中晶种的质量分数为2％-5％，异丙醇铝的摩尔浓度为0.5-1.5mol/L，葡萄糖的浓度为0.5-1.5g/ml，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.05-0.1g/ml。将所得到的溶液在通风橱中溶剂蒸发，待其溶剂蒸发完全后，在100-200℃下干燥2-5h，形成疏松的前驱体；在空气气氛中，对干燥后的前驱体进行高温煅烧得到高纯纳米氧化铝粉体。本发明具有操作简单，所需周期短，重复性好，便于实现工业化。α-Al2O3所需晶型转变温度(1000℃)较低，制备得到的氧化铝粒径小，小于50nm，分散性好。
【专利说明】
一种低温制备纳米氧化铝的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种低温制备纳米氧化铝粉体的方法，属于材料制备领域。
【背景技术】
[0002]纳米氧化铝由于表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应使其显示出常规材料所不具备的光、电、磁、热和机械性能，广泛的应用于航天航空、冶金、化工、陶瓷、电子、国防及其核技术等高科技领域。目前制备纳米氧化铝粉体的方法主要分为固相法、液相法和气相法。固相法包括:机械球磨法、高温固相反应法、盐类分解法和燃烧法等；气相法包括:气相冷凝法、化学气相沉积法等；液相法包括:沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、相转移分离法、喷雾法和溶剂挥发分解法等。固相法容易引入杂质，并且所制得的粉体粒径难以达到纳米级别；气相法由于装备庞大，设备昂贵等缺点限制了其使用；目前为止，对液相法来制备纳米氧化铝的研究比较多，所制得的粉体具有粒径小，分散性好等优点。
[0003]Jiang Li 等人(Ceramics Internat1nal.2006, 32, 587 - 591)以 Al (NO3)3和朽1檬酸作为原料，采用溶胶-凝胶法制得柠檬酸前驱体，在100tC下即可制得a -Al2O3，但是，该方法得到的a-Al2O3粉体粒径较大，约为200nm，且分散性不是很好。Fu Gao feng等人(ceramics internat1nal, 2010, 36, 1253-1257)通过向氧化招前驱体中添加 AlF3晶种，在900°C下既可制得Q-Al2O3，在该方法中，C1-Al2O3晶型转变温度有所降低，但是，实验过程中未加入任何分散剂，所制得的样品粒径较大，约为500nm，且分散性不好。在上述两种方法中，Ct-Al2O3晶型转变温度有所降低，但是C1-Al2O3粒径仍然较大，未达到纳米级别。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种低温制备纳米氧化铝的方法。
[0005]本发明的技术方案是:一种低温制备纳米氧化铝的方法，采用如下步骤制备:
[0006]①配置异丙醇铝溶液，加入a -Al2O3粉体晶种，搅拌混合均勾，其中，α -Al 203粉体晶种质量为异丙醇铝质量的2% -5% ;
[0007]②两步水解，向上述溶液中加入1/3的葡萄糖溶液，在80-82°C的温度下搅拌0.5-lh，加入剩余的葡萄糖溶液，在80-82°C的温度搅拌3-5h，其中，葡萄糖溶液浓度为0.5-1.5g/ml，溶剂为水，其中水与异丙醇铝的物质的量之比为3:1 ；
[0008]③向上述溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮溶液，在80_82°C的温度搅拌4_8h，其中，聚乙烯吡咯烷酮溶液浓度为0.05-0.lg/ml，溶剂为异丙醇，聚乙烯吡咯烷酮和异丙醇铝的质量之比为1:15 ；
[0009]④将所得溶液在室温下溶剂蒸发完全，在100_200°C的温度下干燥至水分完全蒸发，形成疏松的前驱体；
[0010]⑤将前驱体研磨后在空气中煅烧热处理，煅烧热处理完成后随炉冷却至室温，得到a -A I2O3粉体。
[0011]步骤①中，异丙醇铝溶液的摩尔浓度为0.5-1.5mol/L，其溶剂为甲苯和异丙醇的混合溶液，其中，甲苯和异丙醇的体积比为3:1，a -Al2O3粉体晶种的粒径〈lOOnm。
[0012]步骤④中所述的干燥时间为2h_5h。
[0013]步骤⑤中所述的热处理的时间为2h_5h，热处理温度为1000-1200°C，升温速率为5°C /min。
[0014]本方法与其它制备纳米氧化铝的方法相比，具有如下有益效果:
[0015]①本发明采用两步水解法，通过加入晶种，及在金属醇盐水解前后分别加入不同分散剂来得到粒径均匀，分散性好的纳米氧化铝；
[0016]②本发明操作简单，所述周期短，重复性高，便于实现工业化生产；
[0017]③氧化铝晶型转变温度较低，为1000°C ；
[0018]④制备的粉体粒径小，小于50nm，分散性好；
[0019]⑤制备过程中未引入其他无机杂质，制得粉体纯度高。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的实验流程图。
[0021]图2为本发明实施例1中a-Al2O3粉体的X射线衍射图。
[0022]图3为本发明实施例1中a-Al2O3粉体的扫描电子显微镜图片。
[0023]图4为本发明实施例1中a-Al2O3粉体的透射电子显微镜图片。
[0024]图5为本发明实施例2中a-Al2O3粉体的扫描电子显微镜图片。
[0025]图6为本发明实施例3中a-Al2O3粉体的X射线衍射图。
[0026]图7为本发明实施例3中a-Al2O3粉体的扫描电子显微镜图片。
[0027]图8为本发明实施例3中a-Al2O3粉体的透射电子显微镜图片。
【具体实施方式】
[0028]实施例1: a -Al2O3粉体的制备
[0029]将54ml的甲苯和18ml的异丙醇在80_82°C下搅拌均匀，称取15g异丙醇铝和0.75g a -Al2O3粉体，加入到上述混合溶剂中，搅拌待异丙醇铝完全溶解，形成A溶液，称取4.5g葡萄糖，加入到4.5ml去离子水当中，在80_82°C下搅拌使其溶解，形成B溶液，取1/3的B溶液加入到上述A溶液当中，搅拌反应30min后，缓慢加入剩余的B溶液，继续搅拌4h，形成C溶液，称取Ig聚乙烯吡咯烷酮，加入到20ml的异丙醇中，在80-82°C下搅拌至溶解，形成D溶液，将D溶液缓慢的加入到C溶液当中，继续搅拌4h。将所得溶液置于通风橱中，待其溶剂完全蒸发后，在110Γ下干燥2h，使其水分完全蒸发，得到疏松的前驱体。将干燥完全的前驱体放于刚玉坩祸中并将刚玉坩祸放于KSL-1400X-A4型马弗炉中，升温速率设定为5°C /min。升温至1000°C，在该温度下保温2h，随后马弗炉开始降温，在1000°C至500°C的温度区间内，降温速率控制为ΙΟΚ/min。温度降为500°C以下时，降温速率约为5°C /min。温度降为室温时，关闭马弗炉，取出产物。X射线衍射分析(图2)的结果表明，所制得的样品的衍射峰与α-Al2O3标准卡完全吻合，无其它杂峰。扫描电子显微镜(图3)和透射电子显微镜(图4)表明所制得到的a -Al2O3粉体粒径较小，<50nm，并且分散性较好，硬团聚不明显。
[0030]改变实施例1中的反应温度，其他参数保持不变，当反应温度低于80°C时，异丙醇铝溶解不完全，制备得到的a -Al2O3粒径不均匀，当反应温度高于82°C时，会造成溶剂的蒸发，反应过程中固体粉末析出，制备得到的a -Al2O3粒径较大，且不均匀。
[0031]实施例2: a -Al2O3粉体的制备
[0032]将54ml的甲苯和18ml的异丙醇在80_82°C下搅拌均匀，称取15g异丙醇铝和0.50g a -Al2O3粉体，加入到上述混合溶剂中，搅拌待异丙醇铝完全溶解，形成A溶液，称取4.5g葡萄糖，加入到4.5ml去离子水当中，80_82°C下搅拌使其溶解，形成B溶液，取1/3的B溶液加入到上述A溶液当中，搅拌反应30min后，缓慢加入剩余的B溶液，继续搅拌4h，形成C溶液，称取Ig聚乙烯吡咯烷酮，加入到20ml的异丙醇中，在80-82°C下搅拌至溶解，形成D溶液，将D溶液缓慢的加入到C溶液当中，继续搅拌4h.将所得溶液置于通风橱中，待其溶剂完全蒸发后，在110°C下干燥2h，使其水分完全蒸发，得到疏松的前驱体。将干燥完全的前驱体放于刚玉坩祸中并将刚玉坩祸放于KSL-1400X-A4型马弗炉中，升温速率设定为50C /min。升温至1000°C，在该温度下保温2h，随后马弗炉开始降温，在1000°C至500°C的温度区间内，降温速率控制为10°C /min。温度降为500°C以下时，降温速率约为5°C /min。温度降为室温时，关闭马弗炉，取出产物。扫描电子显微镜(图5)可以看出所制的a -Al2O3粒径较小，<50nm，硬团聚不明显。
[0033]将54ml的甲苯和18ml的异丙醇在80_82°C下搅拌均匀，称取15g异丙醇铝和
0.50g a -Al2O3粉体，加入到上述混合溶剂中，搅拌待异丙醇铝完全溶解，形成A溶液，将Ig聚乙烯吡咯烷酮和4.5g葡萄糖先混合，配置成水溶液，记为B溶液，将1/3的B溶液加入到A溶液中，搅拌反应0.5h，将剩下的B溶液加入到上述溶液中，继续搅拌反应8h。在110°C下干燥2h，使其水分完全蒸发，得到疏松的前驱体。其它实验参数与实施例2相同。该方法得到的a -Al2O3粉体同实施例2中所制得的α -Al 203粉体相比，粒径较大，团聚较严重。
[0034]实施例3: a -Al2O3粉体的制备
[0035]将54ml的甲苯和18ml的异丙醇在80_82°C下搅拌均匀，称取15g异丙醇铝和
0.35g a -Al2O3粉体，加入到上述混合溶剂中，搅拌待异丙醇铝完全溶解，形成A溶液，称取
4.5g葡萄糖，加入到4.5ml去离子水当中，80_82°C下搅拌使其溶解，形成B溶液，取1/3的B溶液加入到上述A溶液当中，搅拌反应30min后，缓慢加入剩余的B溶液，继续搅拌4h，形成C溶液，称取Ig聚乙烯吡咯烷酮，加入到20ml的异丙醇中，在80-82°C下搅拌至溶解，形成D溶液，将D溶液缓慢的加入到C溶液当中，继续搅拌4h.将所得溶液置于通风橱中，待其溶剂完全蒸发后，在110°C下干燥2h，使其水分完全蒸发，得到疏松的前驱体。将干燥完全的前驱体放于刚玉坩祸中并将刚玉坩祸放于KSL-1400X-A4型马弗炉中，升温速率设定为50C /min。升温至1000°C，在该温度下保温2h，随后马弗炉开始降温，在1000°C至500°C的温度区间内，降温速率控制为10°C /min。温度降为500°C以下时，降温速率约为5°C /min。温度降为室温时，关闭马弗炉，取出产物。X射线衍射分析(图6)的结果表明，所制得的样品的所有衍射峰与Ct-Al2O3标准卡完全吻合，无其它杂峰。扫描电子显微镜(图7)和透射电子显微镜(图8)表明所制得到的C1-Al2O3粒径较小，为<50nm，并且分散性较好，硬团聚不明显。
【主权项】
1.一种低温制备纳米氧化铝的方法，其特征在于，包括如下步骤: ①配置异丙醇铝溶液，加入a-Al2O3粉体晶种，搅拌混合均勾，其中，a -Al2O3粉体晶种质量为异丙醇铝质量的2% -5% ; ②两步水解，向上述溶液中加入1/3的葡萄糖溶液，在80-82°C的温度下搅拌0.5-lh，再加入剩余的葡萄糖溶液，在80-82 °C的温度搅拌3-5h，其中，葡萄糖溶液的浓度为0.5-1.5g/ml，溶剂为水，其中水与异丙醇铝的物质的量之比为3:1 ； ③向上述溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮溶液，在80-82°C的温度搅拌4-8h，其中，聚乙烯吡咯烷酮溶液的浓度为0.05-0.lg/ml，溶剂为异丙醇，聚乙烯吡咯烷酮和异丙醇铝的质量之比为1:15 ； ④将所得溶液在室温下溶剂蒸发完全，在100-200°C的温度下干燥至水分完全蒸发，形成疏松的前驱体； ⑤将前驱体研磨后在空气中煅烧热处理，煅烧热处理完成后随炉冷却至室温，得到a -A I2O3粉体。2.如权利要求1所述的低温制备纳米氧化铝的方法，其特征在于，步骤①中，α-Al 203粉体晶种的粒径〈lOOnm，异丙醇铝溶液的摩尔浓度为0.5-1.5mol/L，其溶剂为甲苯和异丙醇的混合溶液，其中，甲苯和异丙醇的体积比为3:1。3.如权利要求1所述的低温制备纳米氧化铝的方法，其特征在于，步骤④中所述的干燥时间为2h-5h。4.如权利要求1所述的低温制备纳米氧化铝的方法，其特征在于，步骤⑤中所述的热处理的时间为2h-5h，热处理温度为1000-1200°C，升温速率为5°C /min。
【文档编号】B82Y30/00GK105984891SQ201510054602
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月2日
【发明人】郭效德, 严婷, 李凤生, 刘宏英, 章祥, 王志祥, 吴飞, 林海勇, 李龙, 施金秋
【申请人】南京理工大学