高溫固相法制備片狀氧化鋁及表征*

趙燕禹，胡興蘭，張志鴻，商連弟

（1.天津職業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，天津300410；2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院）

工業(yè)技術(shù)

高溫固相法制備片狀氧化鋁及表征*

趙燕禹1，胡興蘭1，張志鴻1，商連弟2

（1.天津職業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，天津300410；2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院）

利用高溫固相法以不同粒度的氫氧化鋁為原料制備片狀α-氧化鋁。通過(guò)激光粒度分析儀、掃描電子顯微鏡及X射線衍射儀對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了表征，得出了最佳制備工藝條件。結(jié)果表明，在最佳制備條件下制備的片狀α-氧化鋁粒度在20 μm左右，徑厚比為（5～8）∶1，大多為六角形片狀。并首次提出了利用吸附-脫附等溫線的重疊程度來(lái)表征片狀氧化鋁，可在片狀氧化鋁制備中應(yīng)用。

片狀氧化鋁；高溫固相法；吸附-脫附等溫線

20世紀(jì)中期，美國(guó)鋁業(yè)公司（ALCOA）首先研制開(kāi)發(fā)出了片狀氧化鋁。20世紀(jì)70年代日本引進(jìn)了該技術(shù)開(kāi)始生產(chǎn)片狀氧化鋁。20世紀(jì)90年代以后，中國(guó)山東等地也開(kāi)始研發(fā)片狀氧化鋁。雖然現(xiàn)在國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的研究人員從事片狀氧化鋁產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研究，但產(chǎn)品質(zhì)量跟國(guó)際水平仍有差距。片狀α-氧化鋁粉體不僅具有普通氧化鋁的熔點(diǎn)高、硬度大、耐磨性好、耐腐蝕、抗氧化等性能，而且由于其特有的二維片狀形貌 （厚度尺寸可達(dá)到納米級(jí)，在徑向方向尺寸為微米級(jí)）而表現(xiàn)出較強(qiáng)的附著力、反射光線能力和屏蔽效應(yīng)，作為填料、顏料、增韌劑、耐火材料而用于化妝品、汽車面漆、陶瓷和拋光等領(lǐng)域［1-4］。例如：利用氧化鋁熱導(dǎo)率高的性質(zhì)使其作為填料用于聚合物-陶瓷復(fù)合材料制備電子元件，可大大延長(zhǎng)使用壽命［5-6］。在陶瓷基體中加入一定量的片狀氧化鋁，增加裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)作用，明顯提高陶瓷的抗折強(qiáng)度和斷裂韌性［7］。以片狀氧化鋁為基體，表面包覆高折射率金屬氧化物薄膜（如，二氧化鈦）制備出的珠光顏料具有極好的珠光效應(yīng)、明亮的色澤和很好的化學(xué)穩(wěn)定性，大大提高了珠光顏料的性能［8］。由于片狀氧化鋁有廣泛用途，其制備方法已成為片狀氧化鋁的研究熱點(diǎn)。目前制備片狀氧化鋁的方法有多種，主要有高溫?zé)Y(jié)法、水熱法、熔鹽法等。其中高溫?zé)Y(jié)法是將氧化鋁在較高溫度下燒結(jié)制備出片狀氧化鋁，通過(guò)加入助劑降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)片狀氧化鋁各向異性生長(zhǎng)。水熱法需要在高溫高壓的密閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，對(duì)設(shè)備要求高，反應(yīng)周期長(zhǎng)。熔鹽法制備片狀α-氧化鋁粉體可以在較低溫度下進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間較短，形貌可控，但有些熔鹽具有毒性，而且面臨如何提高摻雜均勻性等問(wèn)題［3］。筆者通過(guò)高溫固相法制備了片狀α-氧化鋁并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品

氫氧化鋁（粒徑分別為<1 μm、<2 μm、<8 μm），PEG表面活性劑，氟化鋁，晶籽（自制）。

1.2 儀器

托盤(pán)天平，研缽，瓷蒸發(fā)皿，瓷坩堝，烘箱，硅鉬棒電爐，XL-30型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡，ASAP2010快速比表面積測(cè)定儀，D/max 2500型X射線衍射儀，Mastersizer 2000型激光粒度儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)工藝流程

稱取一定質(zhì)量的 Al（OH）3放入研缽中，加適量PEG表面活性劑和水，研磨直至均勻，制得研磨混料1，在110℃左右烘干，經(jīng) 650℃灼燒，灼燒后樣品再次放入研缽中，加適量自制晶籽、氟化鋁和水，繼續(xù)研磨一段時(shí)間制得研磨混料 2，然后再次烘干，最后移至硅鉬棒電爐中煅燒，得到片狀 α-Al2O3。

1.4 條件實(shí)驗(yàn)

在條件實(shí)驗(yàn)中，用不同粒度的Al（OH）3為原料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在研磨混料1中考察了PEG和水加入量因素；在研磨混料2中，進(jìn)行了晶籽加入量、氟化鋁加入量、煅燒溫度及煅燒時(shí)間實(shí)驗(yàn)等。條件實(shí)驗(yàn)后，將測(cè)定片狀α-Al2O3主要技術(shù)指標(biāo)——粒子大小的數(shù)據(jù)列于表1。

表1 片狀α-氧化鋁條件實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

1.5 樣品的表征

1.5.1 片狀α-氧化鋁吸附、脫附曲線的測(cè)定

用快速比表面積測(cè)定儀對(duì)5號(hào)樣品進(jìn)行了吸附-脫附曲線的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 片狀α-Al2O3吸附、脫附曲線

1.5.2 掃描電鏡測(cè)定

采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)5號(hào)樣品的微觀粒子外形進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，片狀α-氧化鋁粒子徑厚比為（5～8）∶1，形貌多為六角形片狀。

1.5.3 片狀α-氧化鋁結(jié)晶晶相的測(cè)定

圖2 片狀α-Al2O3掃描電鏡照片

對(duì)5號(hào)樣品用X射線衍射儀進(jìn)行晶相的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可看出，在衍射角2θ為25.57、35.12、43.35、57.49°處附近出現(xiàn)了 α-氧化鋁所特有的典型特征衍射峰，峰位置與衍射強(qiáng)度都同JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片（10-0173）中α-氧化鋁的衍射峰相一致，譜圖中沒(méi)有出現(xiàn)其他雜質(zhì)相的衍射峰。

圖3 片狀α-Al2O3X射線衍射圖

1.5.4 片狀α-氧化鋁顆粒大小及分布的測(cè)定

采用激光粒度儀對(duì)5號(hào)片狀α-氧化鋁樣品粒子大小及分布進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4看，粒度分布范圍主要集中在20 μm左右。

圖4 片狀α-Al2O3顆粒大小及分布

2 結(jié)果及討論

2.1 片狀α-Al2O3制備結(jié)果及討論

從表1中1號(hào)樣品可知，采用粒徑較大的氫氧化鋁（<8 μm）為原料所制備的片狀α-Al2O3樣品粒度較大，因此宜選用粒徑較小的氫氧化鋁（<2 μm）為原料。通過(guò)對(duì)3號(hào)與4號(hào)樣品對(duì)比，看出研磨混料1中加入的水量對(duì)樣品影響不大，但水量較大時(shí)不利于生產(chǎn)。2號(hào)與 3號(hào)、4號(hào)樣品對(duì)比結(jié)果表明，通過(guò)加大晶籽加入量來(lái)增加研磨混料2中的晶籽個(gè)數(shù)，并縮短煅燒時(shí)間，可制得粒度更小的片狀α-Al2O3。

參考表1中4號(hào)樣品的制備條件，并以3倍的Al(OH)3質(zhì)量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到5號(hào)樣品。所得樣品粒度檢驗(yàn)結(jié)果為平均粒度為20 μm左右、徑厚比為（5～8）∶1的六角片狀α-Al2O3。確定5號(hào)樣品的制備條件為最佳制備條件。

2.2 片狀α-Al2O3表征及討論

在片狀α-Al2O3的制備過(guò)程中，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)完成之后，都先用快速比表面積測(cè)定儀進(jìn)行檢測(cè)，從檢測(cè)的吸附-脫附曲線的重疊程度可以判斷所制備片狀α-Al2O3的結(jié)構(gòu)及外形。如果吸附-脫附曲線有較大的滯后環(huán)，顯示制備的片狀α-Al2O3樣品質(zhì)量差；如果兩條曲線幾乎全部重疊，表示制備的樣品幾乎都是片狀α-Al2O3。這是因?yàn)闆](méi)有（或極少）小顆粒，未堆積形成小孔，隨測(cè)定氮?dú)獾姆謮航档停肿釉谄瑺瞀?Al2O3上脫附很快，不形成滯后環(huán)。這樣，就可以利用氮吸附-脫附曲線形成滯后環(huán)的形狀和大小，鑒別實(shí)驗(yàn)中所制備片狀α-Al2O3的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

3 結(jié)論

研究了高溫固相法片狀α-Al2O3的制備及表征，確定了5號(hào)樣品的制備條件為最佳制備條件。實(shí)驗(yàn)選用兩次研磨混料的方法，第一次研磨混料中，加入150 g粒徑<2 μm的Al(OH)3原料，加入表面活性劑PEG及適量的蒸餾水，研磨均勻，放入烘箱中，于110℃烘干，在650℃灼燒。灼燒后的氧化鋁細(xì)粉，再加入晶籽及氟化鋁和適量蒸餾水，二次研磨混料，干燥，在1 200℃煅燒1 h，可獲得粒度在20 μm左右、徑厚比為（5～8）∶1的六角形片狀α-氧化鋁。

［1］ 黎少華，袁方利，胡鵬，等.固相法制備片狀α-Al2O3粉體及影響因素的研究［J］.中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，2006，24：310-312.

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［3］ 張倩影，朱麗慧，劉偉，等.添加劑在熔鹽法合成片狀α-Al2O3中的作用［J］.材料研究學(xué)報(bào)，2008，22（2）：205-208.

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［5］ Bigg D M.Thermally conductive polymer compositions［J］.Polymer Composites，1986，7（3）：125-140.

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［8］ Cramer W R，Gabel P W.Measuring special effects［J］.European Coatings Journal，2001（7）：34-39.

Preparation and characterization of flaky alumina by high temperature solid phase method

Zhao Yanyu1，Hu Xinglan1，Zhang Zhihong1，Shang Liandi2
（1.School of Biology and Environment Engineering，Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300410，China；2.CNOOC Tianjin Chemical Research&Design Institute）

The flaky α-alumina is prepared by high-temperature solid phase method using aluminum hydroxide with different particle sizes as raw material.The products were characterized by laser particle size analyzer，scanning electron microscopy，and X-ray diffraction，and the optimum preparation conditions were determined.Result showed that flaky α-alumina under the optimum preparation conditions had the particle size about 20 μm，diameter to thickness ratio of（5～8）∶1，and most of hexagonal flakes.And the degree of overlap of adsorption-desorption isotherms to characterize flaky alumina was first used in its preparation.

flaky alumina；high-temperature solid phase method；adsorption-desorption isotherms

TQ133.1

A

1006-4990（2014）04-0046-03

2013-11-05

趙燕禹（1968— ），男，碩士，副教授，主要從事化工專業(yè)教學(xué)和科研工作，已發(fā)表論文 10余篇，申請(qǐng)專利10項(xiàng)，授權(quán)2項(xiàng)。

天津職業(yè)大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目（20131101）。

聯(lián)系方式：15302168198@163.com