一种制备纳米α-Al₂O₃粉末的方法

专利名称：一种制备纳米α-Al₂O₃粉末的方法
技术领域：
本发明属于无机材料制备领域，涉及一种制备纳米a-Al2O3粉末的方法，特别涉及一种低焙烧温度制备纳米a -Al2O3粉末的方法。
背景技术：
纳米a -Al2O3因其表面原子与体相总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，所以显示出强烈的体积效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，进而在光、电、热力学和化学反应等许多方面表现出一系列的优异性能。因此它在磨料、结构材料、发光材料、航空航天、催化剂及其载体等领域具有广阔的应用和发展前景。目前纳米a-Al2O3的制备主要停留在探索试验阶段，虽然也进行了一些探索性的工业化水平的生产，但大多数制备方法得到的纳米氧化铝粒径分布较宽，并且制备过程重复性差。铝盐热分解法要求在高温条件下进行，需要特殊的加热设备，且热分解常释放大量有害气体，不利于环保。沉淀法和水解法很难有效的控制粒子的大小和团聚，其生成的中间产物为胶态的氢氧化铝沉淀，内含有大量水分和羟基，在干燥和高温煅烧过程中颗粒间毛细管力和羟基缩合的作用导致所得氧化铝粉体产生硬团聚，并严重影响烧结体的微观结构和性能。另外，纳米a-Al2O3的焙烧温度需要1300°C以上，既提高了对设备的要求又浪费了大量能源。CN 102328941A公开了一种制备纳米氧化铝的方法，采用超重力法，以硝酸铝和蔗糖为原料，在高速旋转的螺旋通道旋转床中循环滴加弱碱，然后分别在600-800°C、1100-1400°C下煅烧得到Y相和a相氧化铝，此方法步骤简单，原料易得，但是对设备要求高，成本高，并且煅烧温度很高，浪费能源。CN 02111001. 8公开了一种高烧结活性氧化铝粉体的制备方法，用铝无机盐和碳酸氢铵为原料，通过碳酸铝铵在高温下热分解制备了 a -Al2O3，尺寸小于400nm，此原料路线对环境污染小，但是此方法制备的氧化铝粒子颗粒不均匀，分布较宽。
CN 102040237A公开了一种制备纳米氧化铝的方法，采用气相合成法以铝盐为原料合成纳米氧化铝，用有机高分子网络定位法合成氧化铝前驱体，然后采用冷冻干燥法干燥，煅烧制得纳米氧化铝，此方法操作步骤简单、设备简易、成本低廉，但是添加的助剂较多，焙烧时产生的气体对环境污染严重。CN 200310100398. 8公开了一种超细氧化铝粉体材料制备技术。该方法用硝酸铝和氨水作为原料，通过添加分散剂、吸附剂、还原剂和螯合剂制备的Y-Al2O3粒径在8-1 lnm, a -Al2O3粒径在42_100nm，其原料成本低廉，提高了产品纯度，但添加的助剂较多，至少要添加四种有机物。Hui Li 等人在 Ceramics International 上发表的 Pi^paration of a Nano-Sizeda -Al2o3Powder from aSupersaturated Sodium Aluminate Solution 提到一种制备纳米a-Al2O3的方法。该方法采用硝酸铝和氢氧化钠作为原料，在制备过程中加入聚乙二醇20000作为分散剂，纳米a -Al2O3作为晶种，然后程序升温至1150°C焙烧，得到平均粒径为30-40nm的a -Al2O3，该方法原料成本低廉，得到的纳米a -Al2O3颗粒小且分布均匀，但是制
备周期长且重复性较差。YiQuan Wu 等人在Materials Letters 上发表的 Influence of AlF3 and ZnF2 onthe Phase Transformation of Gamma to Alpha Alumina 中提到一种制备纳米 a -氧化招的方法，以硝酸铝和氨水为原料，添加少量氟化铝或氟化锌，经过24小时球磨制成粒径约为40nm的a -Al2O3，该方法原料成本低廉，颗粒粒径较小，但制备耗时较长，并且需要机械球磨浪费能源，不适合工业化生产。Hongxia Lu 等人在 Materials Science & Engineering A 上发表了 Preparationof Plate-like a-Al203UsingNano_aluminum Seeds by Wet-chemical methods 中提至Ij一种棒状纳米a -Al2O3的制备方法。文中采用湿化学法，以硝酸铝和氨水为原料，同样加入高纯纳米a -Al2O3作为晶种,程序升温到1100°C制得平均粒径为80nm、长为300nm左右的棒状ct-Al2O3颗粒,操作步骤简单,成本低廉,但是需要闻纯超细的a-Al2O3作晶种且重复性差。Gaofeng Fu 等人在 Transactions of Nonferrous Metals Society of China 上发表的 Influence of AlF3 and Hydrothermal Conditions on Morphologies of a -Al2O3中提到一种采用水热合成发制备a -Al2O3的方法，以异丙醇铝为原料，添加少量氟化铝然后水热晶化24h，制得粒径约为IOum的片状a -Al2O3,颗粒大小均匀，产品纯度高，但成本较高，制备周期较长，产品颗粒较大，不适合工业化生产。

发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足，解决了工艺及设备复杂、环境污染、焙烧温度高、a -Al2O3颗粒容易烧结、难以实现工业化等问题。本发明的具体步骤是(I)纳米氧化铝前驱体的合成首先在室温下将氢氧化钠加入IOOg蒸馏水中，完全溶解后加入氢氧化铝粉末并搅拌均匀，然后在一定温度下回流并搅拌至溶液呈半透明状，待溶液冷却至室温后，在超声频率为40KHz、搅拌速度为800rpm的超声搅拌状态下，将溶有聚乙二醇的稀硝酸以5. 5mL/min的速度滴加到上述溶液中至pH值在6-7之间，继续搅拌2h后进行抽滤，将滤饼置于120°C下烘干得到纳米氧化铝前驱体；(2)纳米 a -Al2O3 的合成室温下，将制备的纳米氧化铝前驱体加到分散介质中，搅拌均匀后加入添加剂并继续搅拌4h，随后在120°C油浴中将所得浆液搅拌烘干得到白色粉末；然后将白色粉末置于马弗炉中，从室温开始以程序升温的方式升温至800-900°C焙烧2h，从而制得纳米a -Al2O3 粉末。与现有技术相比，本发明的优点在于(I)操作简单，成本低廉，且未引入任何杂质离子，产品纯度高；(2)反应步骤简单，反应仪器简易，制备周期短，易于实现工业化生产；(3)避免了大量有机助剂的加入，对环境无污染；(4)氟化铝的使用降低了 a -Al2O3的成相温度，降低了对焙烧设备的要求，减轻了能源损耗，并且产品颗粒均匀，粒径在300nm以下。


图I是本发明所述的制备纳米a -Al2O3粉末方法中实施例I所得到的a -Al2O3的XRD衍射谱图。图2是本发明所述的制备纳米a -Al2O3粉末方法中实施例I所得到的a -Al2O3的SEM照片。
具体实施方式

实施例I :(I)室温下，将50g氢氧化钠加入IOOg蒸馏水中，完全溶解后再加入70g氢氧化铝粉末并搅拌均匀，然后在120°C下回流并搅拌至溶液呈半透明状，待溶液冷却至室温后，在超声频率为40KHz、搅拌速度为800rpm的超声搅拌状态下，将450mL溶有0. 57g聚乙二醇6000、浓度为2. OmoI/L的稀硝酸以5. 5mL/min的速度滴加到上述溶液中至pH值在6_7之间，继续搅拌2h后进行抽滤，将滤饼置于120°C下烘干得到纳米氧化铝前驱体；(2)室温下称取IOg纳米氧化铝前驱体加入50g N，N- 二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后加入0. 5g氟化铝，常温状态下继续搅拌4h，然后置于120°C油浴中将所得浆液搅拌烘干得到白色粉末，然后将白色粉末置于马弗炉中，从室温开始，以2V Mn的升温速率升至900°C焙烧2h，从而制得纳米a -Al2O3粉末A，粒径基本上在200 300nm。实施例2 (I)室温下，将70g氢氧化钠加入IOOg蒸馏水中，完全溶解后再加入90g氢氧化铝粉末并搅拌均匀，然后在140°C下回流并搅拌至溶液呈半透明状，待溶液冷却至室温后，在超声频率为40KHz、搅拌速度为800rpm的超声搅拌状态下，将225mL溶有I. 70g聚乙二醇2000、浓度为4. OmoI/L的稀硝酸以5. 5mL/min的速度滴加到上述溶液中至pH值在6_7之间，继续搅拌2h后进行抽滤，将滤饼置于120°C下烘干得到纳米氧化铝前驱体；(2)室温下称取IOg纳米氧化铝前驱体加入50g N，N- 二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后加入0. 5g氟化铝，常温状态下继续搅拌4h，然后置于120°C油浴中将所得浆液搅拌烘干得到白色粉末，然后将白色粉末置于马弗炉中，从室温开始，以2V Mn的升温速率升至900°C焙烧2h，从而制得纳米a -Al2O3粉末B。实施例3:(I)室温下，将60g氢氧化钠加入IOOg蒸馏水中，完全溶解后再加入80g氢氧化铝粉末并搅拌均匀，然后在100°c下回流并搅拌至溶液呈半透明状，待溶液冷却至室温后，在超声频率为40KHZ、搅拌速度为800rpm的超声搅拌状态下，将450mL溶有2. 84g聚乙二醇1500、浓度为2. OmoI/L的稀硝酸以5. 5mL/min的速度滴加到上述溶液中至pH值在6_7之间，继续搅拌2h后进行抽滤，将滤饼置于120°C下烘干得到纳米氧化铝前驱体；(2)室温下称取IOg纳米氧化铝前驱体加入20g N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后加入0. 5g氟化铝，常温状态下继续搅拌4h，然后置于120°C油浴中将所得浆液搅拌烘干得到白色粉末，然后将白色粉末置于马弗炉中，从室温开始，以2V Mn的升温速率升至900°C焙烧2h，从而制得纳米a -Al2O3粉末C。
实施例4 (I)室温下，将50g氢氧化钠加入IOOg蒸馏水中，完全溶解后再加入70g氢氧化铝粉末并搅拌均匀，然后在120°C下回流并搅拌至溶液呈半透明状，待溶液冷却至室温后，在超声频率为40KHz、搅拌速度为800rpm的超声搅拌状态下，将300mL溶有2. 84g聚乙二醇6000、浓度为3. OmoI/L的稀硝酸以5. 5mL/min的速度滴加到上述溶液中至pH值在6_7之间，继续搅拌2h后进行抽滤，将滤饼置于120°C下烘干得到纳米氧化铝前驱体；(2)室温下称取IOg纳米氧化铝前驱体加入80g N，N- 二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后加入0. 2g氟化铝，常温状态下继续搅拌4h，然后置于120°C油浴中将所得浆液搅拌烘干得到白色粉末，然后将白色粉末置于马弗炉中，从室温开始，以2V Mn的升温速率升至900°C焙烧2h，从而制得纳米a -Al2O3粉末D。
实施例5 (I)室温下，将50g氢氧化钠加入IOOg蒸馏水中，完全溶解后再加入70g氢氧化铝粉末并搅拌均匀，然后在130°C下回流并搅拌至溶液呈半透明状，待溶液冷却至室温后，在超声频率为40KHz、搅拌速度为800rpm的超声搅拌状态下，将300mL溶有I. 70g聚乙二醇20000、浓度为3. OmoI/L的稀硝酸以5. 5mL/min的速度滴加到上述溶液中至pH值在6_7之间，继续搅拌2h后进行抽滤，将滤饼置于120°C下烘干得到纳米氧化铝前驱体；(2)室温下称取IOg纳米氧化铝前驱体加入80g N，N- 二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后加入I. Og氟化铝，常温状态下继续搅拌4h，然后置于120°C油浴中将所得浆液搅拌烘干得到白色粉末，然后将白色粉末置于马弗炉中，从室温开始，以2V Mn的升温速率升至900°C焙烧2h，从而制得纳米a -Al2O3粉末E。实施例6 操作步骤如实施例I中所述，只将氟化物改为氟化锌，制得纳米a -Al2O3粉末F。实施例I 操作步骤如实施例I中所述，只将氟化物改为氟化锂，制得纳米a -Al2O3粉末G。实施例8 操作步骤如实施例I中所述，只将氟化物改为氟化铵，制得纳米a -Al2O3粉末H。实施例9 操作步骤如实施例I中所述，只将升温速率改为5°C /min,制得纳米a -Al2O3粉末
Io实施例10 操作步骤如实施例I中所述，只将升温速率改为10°C /min,制得纳米a -Al2O3粉末J。实施例11 操作步骤如实施例I中所述，只将焙烧温度改为800°C，制得纳米a -Al2O3粉末K。
权利要求
1.一种制备纳米a-Al2O3粉末的方法，其特征在于包括以下步骤 (1)首先在室温下将氢氧化钠加入IOOg蒸馏水中，完全溶解后加入氢氧化铝粉末并搅拌均匀，然后在一定温度下回流并搅拌至溶液呈半透明状，待溶液冷却至室温后，在超声频率为40KHz、搅拌速度为800rpm的超声搅拌状态下，将溶有聚乙二醇的稀硝酸以5. 5mL/min的速度滴加到上述溶液中至PH值在6-7之间，继续搅拌2h后进行抽滤，将滤饼置于120°C下烘干得到纳米氧化铝前驱体； (2)室温下，将制备的纳米氧化铝前驱体加到分散介质中，搅拌均匀后加入添加剂并继续搅拌4h，随后在120°C油浴中将所得浆液搅拌烘干得到白色粉末；然后将白色粉末置于马弗炉中，从室温开始以程序升温的方式升温至800-900°C焙烧2h，从而制得纳米Ci-Al2O3粉末。
2.根据权利要求I所述的一种制备纳米a-Al2O3粉末的方法，其特征在于加入氢氧化钠的质量为50-70g，氢氧化铝粉末的质量为70-90g，稀硝酸的浓度为2. 0-4. Omol/L。
3.根据权利要求I所述的一种制备纳米a-Al2O3粉末的方法，其特征在于回流的温度为 100-140。。。
4.根据权利要求I所述的一种制备纳米a-Al2O3粉末的方法，其特征在于聚乙二醇为聚乙二醇1500、聚乙二醇2000、聚乙二醇6000、聚乙二醇20000中的一种，添加量占硝酸质量的 I. 0-5. 0%。
5.根据权利要求I所述的一种制备纳米a-Al2O3粉末的方法，其特征在于分散介质为N，N-二甲基甲酰胺，纳米氧化铝前驱体与分散介质的质量比为I : 2-1 8。
6.根据权利要求I所述的一种制备纳米a-Al2O3粉末的方法，其特征在于添加剂为氟化铝、氟化锌、氟化锂或氟化铵中的一种，添加量为纳米氧化铝前驱体质量的2. 0-10. 0%。
7.根据权利要求I所述的一种制备纳米a-Al2O3粉末的方法，其特征在于程序升温的速率为 2-10°C /min。
全文摘要
本发明涉及一种制备纳米α-Al2O3粉末的方法，其特征在于将氢氧化钠溶液和氢氧化铝粉末在一定温度下回流得到半透明状溶液，通过滴加稀硝酸得到氧化铝前驱体，然后将此烘干过的氧化铝前驱体在亲水性N，N-二甲基甲酰胺溶剂中与氟化物充分混合均匀，烘干，采用程序升温的方式，焙烧得到纳米α-Al2O3粉末，粒径均在300nm以下。本发明引入氟化物，降低了纳米α-Al2O3的成相温度，减轻了能源损耗，并且制备工艺简单、操作安全、成本低、产品纯度高，粒径均匀，易于实现大规模工业化生产。
文档编号C01F7/30GK102659154SQ201210151789
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者李伟, 王寰, 王晖, 韩冲 申请人:天津凯美科技有限公司