氣相氧化鋁制備及在節(jié)能燈中應(yīng)用

吳春蕾，劉 莉，楊本意，康 旭

（廣州吉必盛科技實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510663）

氣相氧化鋁制備及在節(jié)能燈中應(yīng)用

吳春蕾，劉 莉，楊本意，康 旭

（廣州吉必盛科技實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510663）

介紹了氣相氧化鋁制備工藝及其特性，綜述了其在節(jié)能燈中的應(yīng)用研究進(jìn)展，對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望．

氣相氧化鋁；制備；節(jié)能燈

無機(jī)納米粉體材料是指顆粒尺寸介于1～100 nm的材料．當(dāng)無機(jī)粒子尺寸進(jìn)入納米級別時侯，會逐漸表現(xiàn)出表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致納米粒子呈現(xiàn)與宏觀物質(zhì)顯著不同的光、電、磁、聲、熱及超導(dǎo)性等特性．進(jìn)而在催化、非線性光學(xué)、功能陶瓷、磁性材料、照明、航空航天、醫(yī)藥及新材料開發(fā)等方面有廣闊的應(yīng)用前景[1]．

氣相法是制備納米粉體重要方法，具有所得粉末純度高、顆粒尺寸小、比表面積大、組分容易控制等優(yōu)點[2]．通過該法制備的納米氧化鋁除具備上述特點外，還具有硬度高、耐熱耐腐蝕、表面帶正電性的優(yōu)點，使其在諸多高新技術(shù)行業(yè)呈現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景，特別是在節(jié)能照明領(lǐng)域，更是發(fā)揮了關(guān)鍵作用．本文綜述了氣相納米氧化鋁制備方法及其在節(jié)能照明行業(yè)中應(yīng)用，對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望．

1 氣相氧化鋁制備

納米氧化鋁的制備核心關(guān)鍵是控制晶粒尺寸、缺陷尺寸、晶界寬度和晶型．氣相法制備氧化鋁方法主要有氣相蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法和惰性氣體加壓凝聚還原法．

1．1 氣相蒸發(fā)法

通過等離子體、激光蒸發(fā)、電子束加熱、電弧加熱等方式將高熔點的物質(zhì)蒸發(fā)汽化，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，最后在惰性氣體的沖撞中冷卻凝聚成超細(xì)微粉．由于顆粒的形成是在很高的溫度梯度下完成的，因此制備的氧化鋁顆粒很細(xì)，且顆粒的團(tuán)聚、凝聚等形態(tài)特征可以得到很好的控制，化學(xué)反應(yīng)方程式如下．

1．2 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法（CVD）是讓一種和幾種氣體在高溫下發(fā)生熱分解或者熱化學(xué)反應(yīng)，在氣相中析出超微細(xì)顆粒的過程．它作為納米粒子的合成方法具有多功能、產(chǎn)品純、工藝可控性好和過程連續(xù)性等優(yōu)點．利用這種方法可以大規(guī)模制備TiO2，SiO2，Zn O，Al2O3及Zr O2等無機(jī)納米氧化物材料．

利用化學(xué)氣相沉積法制備氣相氧化鋁是通過使AlCl3溶液在遠(yuǎn)離熱力學(xué)計算的臨界反應(yīng)溫度條件下，形成很高的過飽和蒸汽壓，高溫下與氫氣和氧氣混合氣水解反應(yīng)形成氧化鋁，然后高溫自動凝聚形成大量的晶核，這些晶核在加熱區(qū)不斷長大，聚集成

1．3 惰性氣體凝聚加原位加壓法

該法通常是在真空蒸發(fā)室內(nèi)充入低壓惰性氣體，通過加熱使原料氣化或形成等離子體，與惰性氣體原子碰撞而失去能量，然后聚冷使之凝結(jié)成超細(xì)粉體．此法成本太高，不適合工業(yè)化生產(chǎn)[6]．顆粒，進(jìn)而隨著惰性氣流進(jìn)入低溫聚集區(qū)，顆粒長大，聚集、晶化停止，最終在收集器內(nèi)收集到粉末[3－4]．該特殊的生產(chǎn)工藝是由 Degussa公司在60多年前發(fā)明的，注冊商標(biāo)為AEROXIDE＠．氣相法合成納米氧化鋁的優(yōu)點是反應(yīng)條件易控制、產(chǎn)物易精制，可通過控制反應(yīng)氣體來得到少團(tuán)聚或不團(tuán)聚的超細(xì)粉末，顆粒分散性好、粒徑小、分布窄．其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

2 氣相氧化鋁的性能

氣相法氧化鋁外觀為蓬松的白色潔凈粉末，原生顆粒直徑在7～40 nm之間，原生顆粒不是孤立存在，而是團(tuán)聚成幾百納米大小的團(tuán)聚顆粒，顆粒間堆密度低，容易在水體系里分散，圖1為氣相法氧化鋁的所擁有的獨特結(jié)構(gòu)的計算機(jī)模型．

氣相法氧化鋁的另外一個特點就是純度高，由于使用的原材料完全出自化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)品最終純度超過99．6%，重金屬含量一般低于常規(guī)方法的檢出極限．而且有多種方法改變氣相氧化鋁的表面和結(jié)構(gòu)．例如通過控制合成工藝，可以將氧化鋁的比表面積控制在50～150 m2/g，以滿足各種應(yīng)用的要求．氣相氧化鋁很多方面和氣相二氧化硅類似，但是在光特性，熱特性，電特性等方面不同于氣相二氧化硅．熒光燈保護(hù)膜中應(yīng)用最廣泛氣相氧化鋁的理化性能列于表1．

圖1 氣相法納米氧化鋁形貌計算機(jī)模型

表1 氣相法氧化鋁主要產(chǎn)品的物化數(shù)據(jù)

3 氣相氧化鋁在節(jié)能照明中的應(yīng)用

近年來，為實現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展、提高能源使用效率，照明用節(jié)能熒光燈被賦予了重大的意義，各國政府也花大力氣推行使用熒光燈，并鼓勵開發(fā)更高發(fā)光效率、更長壽命的熒光燈產(chǎn)品．氣相法生產(chǎn)的氧化鋁具有顆粒細(xì)、純度高、良好的可分散性和表面帶正電的特性，它廣泛的應(yīng)用于節(jié)能熒光燈等領(lǐng)域[6－7]．

3．1 氣相氧化鋁作為熒光粉層加固劑

常用的直管型熒光燈和玻管彎管型的緊湊型熒光燈，熒光粉相互之間以及和玻璃表面的粘合性較差，容易產(chǎn)生脫粉問題，因此通常需要在熒光粉中額外添加高純、納米級別的顆粒進(jìn)行加固．由于氣相氧化鋁純度高，對紫外光和可見光的吸收極少，添加后不影響燈管的可見光發(fā)射，因此氣相納米氧化鋁粉被廣泛應(yīng)用到照明熒光粉加固中．氣相法氧化鋁的聚集體顆粒粒徑在0．1～0．2μm，可以作為粒度為6～10μm左右的熒光粉的填充細(xì)粉，所以在熒光粉料漿中添加2%～5%氣相氧化鋁作為無機(jī)粘結(jié)劑，其表面帶有正電荷，而熒光粉和玻璃均帶有負(fù)電荷，因此可以明顯的增強(qiáng)熒光粉相互之間以及和燈管之間的粘結(jié)力，避免熒光粉的脫落．另外，這些氣相氧化鋁還會填入熒光粉涂層的空缺之處，使熒光粉層光滑、平整，發(fā)光均勻，還在一定程度上阻止了汞向玻璃的滲透和鈉從玻管內(nèi)表面向熒光粉粉層的熱擴(kuò)散，從而減緩了玻璃管的黑化進(jìn)程和黑色鈉汞齊在熒光粉層上的生成，使燈管的光衰降低[8]．馬林等研究結(jié)果也表明利用納米氧化鋁包覆可以保護(hù)熒光粉體、增進(jìn)穩(wěn)定性、改善其熱劣化性能、減少汞的吸附沉積，有效降低光衰[9]．

3．2 氣相氧化鋁作為選擇性紫外線反射材料

氣相氧化鋁粉末外觀呈白色不透明狀，光線照射到氣相氧化鋁表面會發(fā)生光散射．光散射特性以及原生粒子大小和集聚體結(jié)構(gòu)使得氣相法氧化鋁成為一種近乎完美的光學(xué)介質(zhì)，即可作為波長選擇性紫外線反射材料．圖2為氧化鋁的散射特性．從圖2可見，在可見光的范圍內(nèi)各種波長的散射因子區(qū)別不大，但是在紫外區(qū)散射因子急劇上升，這意味著在相同的情況下，光的散射強(qiáng)度在254 nm處要比在500 nm（綠光）處高出16倍；比800 nm（紅光）處的散射強(qiáng)度高出30倍．因此，熒光燈管內(nèi)側(cè)的氧化鋁保護(hù)膜對于可見光近乎透明，但卻會反射透過熒光粉層的紫外光，使其繼續(xù)激發(fā)熒光粉發(fā)光，從而提高了熒光燈的發(fā)光效率．

圖2 氣相氧化鋁光散射特性

3．3 氣相氧化鋁作為熒光燈中汞擴(kuò)散阻擋層

未應(yīng)用納米氧化鋁的燈管不斷有一些汞通過熒光材料層擴(kuò)散到玻璃管內(nèi)，形成鈉汞齊，并隨著時間的推移燈管漸變灰色．這種效應(yīng)一方面使產(chǎn)生紫外線的汞損失，另一方面灰色的燈管會吸收更多的可見光將其轉(zhuǎn)換成熱，造成發(fā)光效率降低．為了彌補(bǔ)這些損失必須增加汞的用量并提高功率，但這會導(dǎo)致燈管更熱，從而進(jìn)一步加劇汞的擴(kuò)散，并帶來環(huán)境壓力問題．如果涂覆一層氧化鋁在燈管內(nèi)側(cè)作為有效的汞阻擋層，可將所需的有毒重金屬用量大大減少，同時提高了熒光燈的光效、流明，延長了熒光燈的使用壽命．國際上一些著名的熒光燈制造商普遍采用這種設(shè)計生產(chǎn)高質(zhì)量的熒光燈．表2為氧化鋁保護(hù)膜和沒有氧化鋁保護(hù)膜熒光燈的實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果．從表中可以看出，在同樣的工藝條件下，沒有氧化鋁保護(hù)膜的第2組熒光燈的初始光通量更強(qiáng)，這是由可見光通過氧化鋁保護(hù)膜有1%左右的衰減造成的；但是1000小時后帶氧化鋁保護(hù)膜的第1組熒光燈的光通量和光衰明顯好于沒有保護(hù)膜的第2組熒光燈，充分顯示了帶氧化鋁保護(hù)膜設(shè)計的優(yōu)越性．

圖3 熒光粉層厚度對可見光相對透出量的影響

氣相氧化鋁保護(hù)膜的使用，除了降低水銀使用量，提高熒光燈壽命和光通量外，還可以在保持相同流明輸出的情況下，降低熒光層的厚度．如果取保護(hù)膜層的厚度為2．2 mg/cm2，并計算在此情況下，熒光粉層的厚度與熒光粉層產(chǎn)生的可見光的相對透出量的關(guān)系，如圖3中曲線2所示．由圖3可見，對于達(dá)到最大可見光透出量時侯，采用氧化鋁保護(hù)膜層后，熒光粉層的厚度僅為6．9 mg/cm2，比無氧化鋁保護(hù)膜時的熒光粉層厚度（9．3 mg/cm2）薄了不少．也就是當(dāng)保護(hù)膜層的厚度為2．2 mg/cm2及熒光粉產(chǎn)生的可見光的透出量相同時，熒光粉層的厚度可以減少約25%[10]．

表2 氣相氧化鋁保護(hù)膜對緊湊型熒光燈發(fā)光效率影響

4 結(jié) 語

氣相氧化鋁作為一種重要的功能材料，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，國外公司和研究機(jī)構(gòu)無論是在制備技術(shù)還是在應(yīng)用方面都取得了顯著的成就．而我國在該領(lǐng)域研究還處于起步階段，特別是大規(guī)模制備，還處在探索實驗時期．目前，國內(nèi)氣相氧化鋁基本全部依賴進(jìn)口，一定程度上制約了節(jié)能照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展．我國“十二五”期間將對能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點調(diào)整，加大節(jié)能力度，提高傳統(tǒng)清潔能源利用水平，節(jié)能低碳已成為社會可持續(xù)發(fā)展必然．這也直接推動了國內(nèi)節(jié)能照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使原料材料氣相氧化硅供求矛盾更為突出．

以廣州吉必盛科技實業(yè)有限公司為龍頭的企業(yè)，已經(jīng)積累了豐富的氣相法合成納米氧化硅的經(jīng)驗，加上廣大科研院校的合作努力下，可以預(yù)計，在不久的將來，氣相氧化鋁的規(guī)模制備技術(shù)會產(chǎn)生新的突破，從而使其在節(jié)能照明以及其它高科技尖端行業(yè)開辟出更加廣闊的應(yīng)用前景．

[1]張立德．超微粉體制備與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：中國石化出版社，2001．

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THE preparation of fumed alumina and its'application in energy－saving lamp

WU Chun－lei，LIU Li，YANG Ben－yi，KANG Xu
（Guangzhou GBS High－Tech ＆Industrial Co．，Ltd．，Guangzhou 510663，China）

The characteristics and preparation of fumed alumina was reviewed in this paper．The progress of its application in energy－saving lamp area was summarized，The future developing trend of fumed alumina was also prospected．

fumed alumina；preparation；energy－saving lamp

TB 383．1

A

1673－9981（2010）04－0454－04

2010－10－28

吳春蕾（1972—），男，山東人，博士，高級工程師．