高纯球形氢氧化铝和氧化铝纳米粉体的制备方法与流程

本发明涉及无机非金属材料制备领域，尤其涉及一种高纯球形氢氧化铝和氧化铝纳米粉体的制备方法。

背景技术：

氧化铝有良好的物理性能和机械性能，尤其是其优良的电绝缘性、抗辐照性能，耐高温抗腐蚀性能，及其十分优良的化学稳定性，使其成为一种具备军事和民用价值的重要的功能材料。其中氧化铝多晶体材料，由于具有优异的光学和机械性能，是理想的高温窗口材料和红外整流罩材料，以及腕表镜面材料。上世纪六七十年代以来前人就致力于开发透明氧化铝材料，但因方法和工艺的限制，制备的氧化铝材料的光学透过率很低。直到上世纪末，随着原料制备工艺的优化和热压工艺的完善，有人才研制出光学性能优异的透明尖晶石材料。我国一些研究部门亦于90年代开始研制氧化铝多晶材料，目前其性能指标超过国外上世纪的水平，正一步步接近或赶超世界同类技术水平。

氧化铝粉体作为各种氧化铝产品及材料的制备原料，其制备方法有沉淀法、均匀沉淀法、、溶胶凝胶法、硫酸/碳酸铝铵、胆碱水解法和改良的拜耳法等。然而这些方法各有其不足之处，包括诸如制备的氧化铝粉体一次颗粒较小，易形成团聚体，利用球磨粉碎后粒度分布不均且多为不规则形貌；所需要的反应条件或烧结温度过于苛刻；粉体纯度低不能满足需要等问题。

醇盐水解法作为制备各种超细氧化物粉体的方法之一，通过醇盐在水中水解来获得所需产物；用醇盐水解法制备氧化铝会因条件的不同而得到不同的产物。现有技术中采用醇盐水解法制备氧化铝粉体依然存在着诸如粉体颗粒形貌不规则，分散性差，粒度分布不均等问题。

技术实现要素：

为了克服现有的制备氧化铝粉体方法中所存在的包括设备操作复杂，程序繁复，产品颗粒形貌不规则，纯度低，分散性差，粒度分布不均一等各种问题和缺陷，本发明提供了一种制备高纯球形纳米氧化铝粉体的制备方法，其基于醇盐水解法，通过对铝醇盐与水在添加剂存在的条件下进行一系列的优化处理，得到符合要求的高纯球形纳米氧化铝粉体。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种高纯球形氢氧化铝和氧化铝纳米粉体的制备方法，包括如下步骤：

s1，备料：按比例量取铝醇盐或铝醇盐的醇溶液a；用表面活性剂、ph调节剂、醇和高纯水混合得混合溶液b；

s2，水解反应：将所述铝醇盐或其醇溶液a与b混合进行水解并持续搅拌一段时间后，经固液分离、干燥得到粉体e；所述粉体e为氢氧化铝单分散球形颗粒，其粒度为200~600nm，纯度为≥99.999%；其中，所述水解反应如下：

s3，分解反应：焙烧e得到粉体f；所述粉体f为氧化铝单分散球形颗粒，其粒度为200~600nm，纯度为≥99.999%；其中，发生分解反应如下：

其中，s1中，所述醇为有机一元醇；a中，铝醇盐和醇的体积比为2:1~4；b中，所述表面活性剂：ph调节剂：醇：水的质量比为0.02~0.2：0.1~1：30~400：100~1000；

所述原料为高纯试剂或添加剂，其中所述铝醇盐和醇的纯度为99.999%以上，其他原料为99.99%以上，所述高纯水电阻率为12mω以上。

具体的，s1中所述的铝醇盐的制备可以采用如下方法：

（1）原料混合：按比例称取单质铝、醇和催化剂，混合得混合物m；

（2）铝醇盐合成：将m加热回流进行合成反应，反应结束后，对反应生成产物进行减压蒸馏，得到液相铝醇盐，其纯度≥99.999%；其中发生如下合成反应：

其中，（1）中，所述醇为有机一元醇，包括乙醇，异丙醇，正丙醇，异丁醇，仲丁醇中的一种以上；所述催化剂为无水氯化铝或氯化汞；所述单质铝纯度为98.0%以上；所述单质铝和醇的摩尔比为1:5~10，所述催化剂的用量为所述单质铝质量的0.1%~0.5%；所述单质铝，具体的，可以是包括粉状、屑状、片状、条状及块状等的任何形态。

（2）中，反应装置可采用标准化学器皿组合而成，主要包括圆底烧瓶、冷凝管、回流管、分流管、三角烧瓶和加热套等。所述铝醇盐的合成反应，具体的，将m在80℃~120℃下加热回流进行合成反应，经6~10小时反应结束后，蒸馏出未反应的醇（当醇过量时），所得产物在130℃~190℃温度和100pa~300pa压强下进行减压蒸馏，即得到液相铝醇盐。

具体的，s1中，所述醇为乙醇，异丙醇，正丙醇，异丁醇，仲丁醇中的一种以上；

所述表面活性剂为包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子型表面活性剂和两性表面活性剂中的一种以上；

所述ph调节剂为氨水、尿素或醋酸；

所述水为离子交换水或蒸馏水。

s1中，a中的醇：b中的ph调节剂的体积比为5~10:1。

具体的，s2中，混合铝醇盐或其醇溶液a与b采用边搅拌边往b中加入所述铝醇盐或a的方式进行；所述持续搅拌速率为300r/min以上，所述搅拌时间为15min~72h；所述固液分离方式可以为离心，蒸馏，抽滤或过滤；所述干燥方式为室温自然干燥或在干燥箱中30~140℃温度干燥。

具体的，s3中，其焙烧制度采用升温速率为2~10℃/min，焙烧温度为500~1200℃；保温时间为30~300min；降温方式为随炉冷却。

本发明采用醇盐水解法制备高纯球形纳米氧化铝粉体，突显出以下优势：

①可以精准控制化学组成；

②所制备的氢氧化铝或氧化铝纳米粉体的颗粒表面活性好；

③易于控制颗粒的形状，获得性能优良的球形氧化铝纳米粉体；

④可以设计粒度分布，以获得分散性良好的粉体；

⑤所制备的氢氧化铝或氧化铝纳米粉体的纯度达到99.999%以上；

⑥工业化生产成本低。

本发明成功克服了现有技术中所存在的各种问题与缺陷，制备出了高纯度、高均匀性能的分散性良好的球形的氧化铝纳米粉体；并且具有设备简单，操作方便，原料易得，绿色环保的优势，且产品性能稳定易于保存，可以满足不同领域的高科技产品的原料制备需求。

附图说明

图1是实施例1中单分散氧化铝纳米粉的sem图，放大5000倍；

图2是实施例3中单分散氧化铝纳米粉的sem图，放大20000倍；

图3是实施例4中单分散氧化铝纳米粉的sem图，放大30000倍。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的具体描述和验证：

实施例1

称取13.5g铝片和200ml乙醇放入500ml圆底烧瓶中，并加入0.03g无水氯化铝；

放入回流装置上80℃下加热回流，大约10小时后，铝片消失，反应结束；将该圆底烧瓶转移至蒸馏装置上继续加热，在蒸馏管末端不断有多余的乙醇流出，直至每分钟不超过8滴后，换一个新的接收三角烧瓶并抽真空压强达到150pa；当达到180℃时，蒸馏管末端缓慢流出液体——就是已经提纯的乙醇铝（或称铝乙醇盐），备用；

称取0.24g十六烷基三甲基溴化铵（ctab），加入到盛有15ml异丙醇、1.5ml氨水和75ml水的锥形瓶中，加入转子在磁力搅拌器上进行搅拌溶解，随后将前述制备的乙醇铝5g通过恒压漏斗加入到锥形瓶中反应，搅拌15min后将反应溶液进行离心分离，倒掉上面的清液，得到的湿粉饼（氢氧化铝）放入透水汽性良好的容器内室温下（15~35℃）干燥，所述氢氧化铝粉体完全干燥后经破碎之后在500℃下焙烧得到球形氧化铝纳米粉体，如图1所示，氧化铝单分散球形颗粒，粒度为240~380nm，纯度为≥99.999%。

实施例2

称取27g铝片和500ml异丙醇放入1000ml圆底烧瓶中，并加入0.8g无水氯化铝；

放入回流装置上85℃下加热回流，大约9小时后，铝片消失，反应结束；将该圆底烧瓶转移至蒸馏装置上继续加热，在蒸馏管末端不断有多余的异丙醇流出，直至每分钟不超过8滴后，换一个新的接收三角烧瓶并抽真空压强达到250pa；当达到150℃时，蒸馏管末端缓慢流出液体——就是已经提纯的异丙醇铝（或称铝异丙醇盐），备用；

称取1.2g柠檬酸铵，加入到盛有75ml乙醇、15ml氨水和150ml水的锥形瓶中，加入转子在磁力搅拌器上进行搅拌溶解，随后将前述制备的异丙醇铝25g的醇溶液通过恒压漏斗加入到锥形瓶中反应，搅拌1h后将反应溶液进行抽滤，得到的湿粉饼（氢氧化铝）放入90℃烘箱烘干，粉体完全烘干之后在840℃下焙烧得到γ相球形氧化铝纳米粉体，呈单分散球形颗粒，粒度为280~340nm，纯度为≥99.999%。

实施例3

称取27g铝片和260ml异丁醇放入1000ml圆底烧瓶中，并加入0.8g无水氯化铝；

放入回流装置上95℃下加热回流，大约8小时后，铝片消失，反应结束；将该圆底烧瓶转移至蒸馏装置上继续加热并抽真空压强达到300pa；当达到120℃时，蒸馏管末端缓慢流出液体——就是已经提纯的异丁醇铝（或称铝异丁醇盐），备用；

称取4.8g抗坏血酸，加入到盛有450ml乙醇、45ml氨水和300ml水的锥形瓶中，加入转子在磁力搅拌器上进行搅拌溶解，随后将前述制备的异丁醇铝150g的醇溶液通过恒压漏斗加入到锥形瓶中反应，搅拌3h后将反应溶液进行过滤，得到的湿粉体（氢氧化铝）放入100℃烘箱烘干，粉体完全烘干之后所得氢氧化铝粉体呈单分散球形颗粒，粒度为400~500nm，纯度为≥99.999%，在1150℃下焙烧得到α相球形氧化铝纳米粉体，如图2所示，所制备的氧化铝纳米粉体单分散球形颗粒，粒度为360~420nm，纯度为≥99.999%。

实施例4

称取27g铝片和500ml仲丁醇放入1000ml圆底烧瓶中，并加入0.8g无水氯化铝；

放入回流装置上118℃下加热回流，大约6小时后，铝片消失，反应结束；将该圆底烧瓶转移至蒸馏装置上继续加热，在蒸馏管末端不断有多余的仲丁醇流出，直至每分钟不超过8滴后，换一个新的接收三角烧瓶并抽真空压强达到200pa；当达到140℃时，蒸馏管末端缓慢流出液体——就是已经提纯的仲丁醇铝（或称铝仲丁醇盐），备用；

称取4.8g聚乙二醇，加入到盛有450ml乙醇、45ml氨水和300ml水的锥形瓶中，加入转子在磁力搅拌器上进行搅拌溶解，随后将前述制备的150g仲丁醇铝的醇溶液通过恒压漏斗加入到锥形瓶中反应，搅拌3天后将反应溶液体系进行抽滤，得到的湿粉饼(氢氧化铝)放入150℃烘箱烘干，完全烘干之后在1200℃下焙烧得到α相球形氧化铝纳米粉体，如图3所示，所制备的氧化铝纳米粉体单分散球形颗粒，粒度为480~560nm，纯度为≥99.999%。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其技术构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。