超細(xì)Al（OH）3的粒度控制研究

錢程，郝世雄，劉興勇，羅霜，蘭雅婧

（四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢643000）

超細(xì)Al（OH）3的粒度控制研究

錢程，郝世雄，劉興勇，羅霜，蘭雅婧

（四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢643000）

采用鋁酸鈉種子分解法制備超細(xì)Al（OH）3。用X射線衍射儀（XRD）表征了樣品的晶相組成，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了樣品的形貌，用激光粒度分析儀測(cè)定樣品的粒度分布。研究了NaOH濃度、NaOH/Al（OH）3摩爾比，分解溫度，分解時(shí)間、晶種率和攪拌速率等因素對(duì)Al（OH）3的粒度的影響。結(jié)果表明:NaOH濃度越高，分解溫度越低，NaOH/Al（OH）3摩爾比越小，得到的Al（OH）3顆粒的粒度越小。試驗(yàn)條件為:NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3摩爾比1.15，分解溫度40℃，分解時(shí)間26 h，晶種率8%，攪拌速率200 rpm時(shí)，氫氧化鋁顆粒的平均粒度為2.89μm。

超細(xì)氫氧化鋁；鋁酸鈉；粒度

引言

阻燃劑是合成高分子材料加工的重要助劑之一，其功能是使高分子材料具有難燃性、自熄性和消煙性［1-3］。無(wú)機(jī)阻燃劑在高分子材料中除了有阻燃效果外，還有抑制發(fā)煙以及氯化氫生成的作用，因而在近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用［4］。超細(xì)Al（OH）3作為一種無(wú)機(jī)阻燃劑，已被廣泛應(yīng)用于電子、化工、塑料和橡膠等行業(yè)中［1，4］。目前，超細(xì)Al（OH）3微粉的生產(chǎn)有機(jī)械法和化學(xué)法兩大類［2］?；瘜W(xué)法有Na2Al2O4溶液種子分解法、金屬醇鹽法、微乳液法、溶膠-凝膠法、超重力法等，其中Na2Al2O4溶液種子分解法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)［1］。隨著新興材料工業(yè)的發(fā)展以及人類對(duì)環(huán)保要求的提高，超細(xì)Al（OH）3微粉需求量越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能也提出了更為嚴(yán)格的要求［5］。目前，國(guó)內(nèi)主要采用二段種分法制備超細(xì)Al（OH）3，流程復(fù)雜，且產(chǎn)品存在粒度分布寬，顆粒大等問(wèn)題［6］。因此，研究Na2Al2O4分解過(guò)程中超細(xì)Al（OH）3粒度控制技術(shù)對(duì)我國(guó)超細(xì)Al（OH）3的生產(chǎn)具有重要意義。

Na2Al2O4溶液晶種分解過(guò)程中，存在晶體附聚和晶體成核現(xiàn)象［7］，它們對(duì)Al（OH）3粒度調(diào)控起主要作用。附聚使產(chǎn)品粒度增大，成核使產(chǎn)品細(xì)化。這兩種現(xiàn)象同時(shí)存在于Na2Al2O4溶液晶種分解過(guò)程中，只不過(guò)在特定條件下，其中一種現(xiàn)象占主導(dǎo)地位而已。已有研究表明晶體附聚和晶體成核與反應(yīng)條件密切相關(guān)［8］。因此，可以通過(guò)控制反應(yīng)條件來(lái)控制顆粒的粒徑。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑

工業(yè)Al（OH）3（純度99.6%，漢魯環(huán)保技術(shù)有限公司）；NaOH（分析純，重慶川東化工有限公司）。

1.2 主要設(shè)備和儀器

DK98-IIA型恒溫水浴鍋（天津泰斯特儀器有限公司），JHS-1型電子攪拌器（杭州儀表電機(jī)有限公司），SHZ-D（III）型循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），WGZ型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上?？坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司），MP5002型電子天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司），X射線衍射分析儀（D2 PHASER，德國(guó)），掃描電子顯微鏡（VEGA 3 SBU，德國(guó)），BT-9300Z型激光粒度分析儀（丹東市百特儀器有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定量Al（OH）3和NaOH于500 mL三口燒瓶中，加入少量蒸餾水，90℃下，在一定的攪拌速率下反應(yīng)成透明的液狀，然后冷卻。待三口燒瓶中的Na2Al2O4溶液冷卻至預(yù)定的分解溫度時(shí)，按試驗(yàn)設(shè)定的NaOH濃度，加入一定量的已預(yù)熱至分解溫度的蒸餾水，恒溫?cái)嚢琛⒎纸?。分? h后添加一定量的Al（OH）3原料作為晶種，繼續(xù)攪拌、分解一定時(shí)間后將產(chǎn)物抽濾、洗滌，然后將所得濾餅置于80℃的烘箱中干燥24 h后得到超細(xì)Al（OH）3。采用激光粒度分析儀對(duì)氫氧化鋁顆粒的粒度進(jìn)行測(cè)定；采用X射線衍射分析儀對(duì)氫氧化鋁的晶相進(jìn)行分析；采用掃描電子顯微鏡對(duì)氫氧化鋁的形貌進(jìn)行表征。典型的制備條件如下∶Al（OH）3的質(zhì)量為15.6 g，NaOH的質(zhì)量為9.6 g，即NaOH/Al（OH）3摩爾比1.2∶1，加水量80 mL，加入晶種1.56 g，即種子率10%，分解時(shí)間10 h，NaOH濃度120 g/L，分解溫度45℃，攪拌速度400 rpm。

2 結(jié)果與討論

2.1 NaOH濃度對(duì)粒度的影響

在NaOH與Al（OH）3摩爾比為1.2，分解溫度為45℃，分解時(shí)間10 h，種子率10%，攪拌速度400 rpm條件下，濃度范圍為100～240 g/L，研究NaOH濃度對(duì)粒徑的影響（圖1）。

從圖1可知，隨著NaOH濃度增加，粒度逐漸減小，當(dāng)NaOH濃度大于180 g/L時(shí)，粒度減小趨勢(shì)變緩。這是由于高濃度的NaOH下，溶液過(guò)飽和度低［9］，晶體附聚的推動(dòng)力小，晶體附聚作用弱，有利于顆粒的細(xì)化。但是堿濃度過(guò)高降低了Na2Al2O4溶液的分解率。因此，NaOH濃度控制為180 g/L。

2.2 NaOH/Al（OH）3摩爾比對(duì)粒度的影響

為研究NaOH/Al（OH）3摩爾比對(duì)粒徑的影響，采用的試驗(yàn)條件為∶NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.1～1.35，NaOH濃度180 g/L，分解溫度45℃，分解時(shí)間10 h，種子率10%，攪拌速度400 rpm（圖2）。

從圖2可知，在較低NaOH/Al（OH）3摩爾比（1.1～1.35）范圍內(nèi)隨著摩爾比的增加，粒度也逐漸增大。這是由于在低摩爾比下，Na2Al2O4溶液分解過(guò)快，出現(xiàn)了明顯的二次成核［9］現(xiàn)象，導(dǎo)致了晶體顆粒的細(xì)化，平均粒度減小。此外，低摩爾比下，Na2Al2O4分解率較高，因此，控制NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.15。

2.3 分解溫度對(duì)粒度的影響

為了研究分解溫度對(duì)產(chǎn)物顆粒大小的影響。采用的反應(yīng)條件為∶NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.15，分解時(shí)間10 h，種子率10%，攪拌速度400 rpm（圖3）。

如圖3所示，溫度越低，顆粒的粒度越小。較低溫度下，Na2Al2O4溶液有更高的黏度［11］，分子擴(kuò)散阻力大，導(dǎo)致附聚作用減弱，并且低溫下Na2Al2O4溶液分解較快，二次成核頻率增加，進(jìn)一步增強(qiáng)了顆粒細(xì)化效果［9］。但是，溫度過(guò)低，濾餅中未反應(yīng)掉的反應(yīng)物不易洗出，影響產(chǎn)品純度，因此，分解溫度為40℃較好。

2.4 分解時(shí)間對(duì)粒度的影響

為探究時(shí)間對(duì)粒度的影響，采用的試驗(yàn)條件控制為∶分解時(shí)間6～34 h，NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.15，分解溫度40℃，種子率10%，攪拌速度400 rpm（圖4）。

圖4表明，Al（OH）3顆粒粒度隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化。8～14 h，附聚作用占主導(dǎo)，粒徑增大，然而，反應(yīng)時(shí)間在14～26 h，成核作用明顯增強(qiáng)，這是由于顆粒間，顆粒與器壁間，顆粒與攪拌器的碰撞和磨蝕作用增強(qiáng)［7］，一部分小晶體進(jìn)入溶液中，成為二次晶核，導(dǎo)致二次成核，使顆粒細(xì)化。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步增加，顆粒又出現(xiàn)了增大的趨勢(shì)。隨著反應(yīng)時(shí)間增加，在分解時(shí)間為26 h，分解率較高，達(dá)到85.7%，所以最佳反應(yīng)時(shí)間為26 h。

2.5 種子率對(duì)粒度的影響

試驗(yàn)種子率的研究范圍為0～12%，NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3摩爾比為1.15，分解溫度40℃，分解反應(yīng)時(shí)間26 h，攪拌速度400 rpm。結(jié)果如圖5所示∶在研究范圍內(nèi)，隨著種子率的增加，產(chǎn)品粒度先減小后增大，種子率為8%時(shí)粒度最小。在種子率小于8%時(shí)，隨著種子率的增加，Na2Al2O4溶液分解速率加快，析出的氫氧化鋁細(xì)顆粒增加，其中一部分Al（OH）3細(xì)顆粒做粘結(jié)劑，但粘結(jié)效果不明顯，附聚作用較弱，使Al（OH）3粒度減小。當(dāng)種子率大于8%時(shí)，Na2Al2O4分解速率進(jìn)一步增大，在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了足夠的｝3細(xì)顆粒，粘結(jié)效果加強(qiáng)，附聚作用明顯，Al（OH）3粒度增大。

2.6 攪拌速率對(duì)粒度的影響

試驗(yàn)研究了攪拌速度100 rpm～500 rpm范圍內(nèi)粒度的變化情況。其它條件為∶NaOH濃度180 g/L，［NaOH］/［Al（OH）3］摩爾比為1.15，分解溫度40℃，反應(yīng)時(shí)間26 h，種子率大于8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著攪拌速度增大，Al（OH）3顆粒粒度有增大的趨勢(shì)，但從總體上說(shuō)，粒度的變化幅度較小。一方面，攪拌速度增大顆粒間的碰撞機(jī)會(huì)增大，使顆粒間的附聚作用增強(qiáng)，使粒度增大，另一方面，攪拌速度增大，顆粒間，顆粒與器壁間，顆粒與攪拌器的碰撞和磨蝕作用增強(qiáng)［12］，導(dǎo)致二次成核作用增強(qiáng)，使顆粒細(xì)化。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，攪拌速度200 rpm較合適。

2.7 原料與產(chǎn)品的XRD表征

超細(xì)Al（OH）3與工業(yè)Al（OH）3的X射線衍射分析（掃描步長(zhǎng)0.02°掃描范圍∶2θ=10-50°），并將其與Al（OH）3的XRD標(biāo)準(zhǔn)卡對(duì)比后結(jié)果圖7所示。超細(xì)Al（OH）3具有與原料相同的結(jié)構(gòu)，都是三水鋁石（Gibbsite）Al（OH）3。

2.8 原料與產(chǎn)品的SEM表征

由原料和超細(xì)Al（OH）3的電子顯微鏡圖片可知（圖8），在本試驗(yàn)的最佳條件下，細(xì)化效果非常明顯。

2.9 原料與產(chǎn)品的粒度表征

原料和超細(xì)Al（OH）3粒度分析結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，原料顆粒較大，細(xì)顆粒含量很少，96%的顆粒直徑大于10 um；超細(xì)Al（OH）3粒度分布較窄，顆粒直徑10 um以下的積累量達(dá)到100%。在最佳試驗(yàn)條件下顆粒細(xì)化效果明顯。

3 結(jié)論

（1）NaOH濃度越高，分解溫度越低，NaOH/Al（OH）3摩爾比越小，Al（OH）3顆粒的粒度越小。

（2）試驗(yàn)條件∶NaOH濃度180 g/L，NaOH/Al（OH）3初始摩爾比1.15，分解溫度40℃，分解時(shí)間26 h，晶種率8%，攪拌速率100 rpm時(shí)，Al（OH）3顆粒的平均粒度為2.89μm。

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Study on the Control of Particle Size of Superfine Al（OH）3Powder

QIAN Cheng，HAO Shixiong，LIU Xingyong，LUO Shuang，LAN Yajing
（School of Material and Chemical Engineering，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

Superfine Al（OH）3powder is prepared by Na2Al2O4seed decomposition.The crystalline phase of sample is analyzed by X-ray diffraction（XRD）.Its surfacemorphology is analyzed by scanning electronmicroscopy（SEM）.And the particle size distribution of the sample is characterized by laser particle size analyzer.The influences of sodium hydroxide concentration，themolar ratio of sodium hydroxide and aluminum hydroxide，decomposition temperature，decomposition time，seed rate and stirring rate on the particle size of Al（OH）3are investigated.The results show that higher concentration of sodium hydroxide，lower decomposition temperature，lower themolar ratio of sodium hydroxide and aluminum hydroxide，the smaller the particle size of superfine Al（OH）3powder are prepared.The experiment conditions are:NaOH concentration is 180 g/L，themolar ratio of sodium hydroxide and aluminum hydroxide is 1.15，the decomposition temperature is 40℃，decomposition time is26 h，seed rate is8%，and stirring rate is100 rpm，then the average particle size of Al（OH）3 particles is 2.89μm.

superfine aluminum hydroxide；sodium aluminate；particle size

TQ330.38

A

1673-1549（2014）01-0023-05

10.11863/j.suse.2014.01.07

2013-10-09

973國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2011CB201202）；自貢市科技局重點(diǎn)項(xiàng)目（2012H08）；四川理工學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201210622007）

錢程（1989-），男，四川射洪人，碩士生，主要從事納米粉體制備方面的研究，（E-mail）986579032@qq.com