醇鋁水解法制備高純氧化鋁工藝的論析

王 歡

(大連海藍光電材料有限公司)

醇鋁水解法制備高純氧化鋁工藝的論析

王 歡

(大連海藍光電材料有限公司)

高純氧化鋁作為一種特殊的功能材料具有很好的物理化學性質，因而被廣泛應用于機械、電子、冶金、化工以及國防航天等重要的尖端高科技領域。本文主要介紹醇鹽水解法制備高純氧化鋁的主要工藝，并分析該工藝的優(yōu)缺點，最后對高純氧化鋁的應用前景進行了展望。

醇鹽水解法 高純氧化鋁 功能材料 提純工藝

1、高純氧化鋁概述

高純氧化鋁這種具有優(yōu)良理化性質的精細化工產品，在國內外發(fā)展速度相對較快。高純氧化鋁因其具有較高的純度、均勻細小的粒度，較大的比表面積和很好的熱穩(wěn)定性、力學性能而被廣泛應用到許多高尖端科技領域，例如：高級陶瓷材料、催化劑、生物醫(yī)療、防護材料、半導體材料等等諸多領域。高純氧化鋁中的痕量雜質元素大多以氧化物的形式存在于氧化鋁中，例如：Fe、Ca、Mg、Cr、Si、Na等等。而雜質元素的存在會嚴重影響高純氧化鋁的物化性質，如：鐵雜質元素的存在會使用氧化鋁制備的發(fā)光材料的發(fā)光性能下降，鈉和硅會分別導致氧化鋁燒結瓷體介質損耗和燒結性能下降，以及氧化鎂和氧化鈣含量增多會使氧化鋁減少等等，從而使高純氧化鋁無論是在使用范圍還是使用環(huán)境方面大大受限。因此，高純氧化鋁的提純工藝成為各國科研工作者奮發(fā)努力的新目標。

2、高純氧化鋁的純化工藝

目前高純氧化鋁主流生產的技術有醇鹽水解法、硫酸鋁銨熱解法和碳酸鋁銨熱解法，所以這三種方法的純化工藝相對來說比較成熟，其他方法要么處于中試階段，要么處于研究開發(fā)階段，再或者國外有用該方法，而國內限于技術條件或者硬件設施等原因，還沒用到該種方法。不同的純化工藝都有各自的優(yōu)缺點，對各種純化工藝進行集中比較分析有利于純化技術的優(yōu)化升級。

2.1 硫酸鋁銨熱解法制備高純氧化鋁的純化工藝

硫酸鋁銨熱解法需先用硫酸溶解氫氧化鋁制得硫酸鋁溶液，之后往溶液中加入硫酸銨與之反應制得銨明釩，再根據純度要求多次重結晶得到精制銨明釩。一般采用絡合和吸附的方法去除高純氧化鋁前驅體中的雜質元素。雖然絡合和吸附方法對于去除高純氧化鋁前驅體中的雜質起到了一定作用，但是對于微量元素雜質的去除率則不是很大，相反可能還會引入新的雜質。然后將得到的精制銨明釩在1250℃下分解制得氧化鋁粉。

該方法雖然工藝較為簡單，成本也相對較低，但是，其生產周期長，存在熱溶解現象，且分解過程中產生的SO3、NH3會對環(huán)境造成嚴重污染，因此該方法正被逐漸淘汰。

它的缺點就是金屬鐵、鎳、鈦、鋯等離子以及鹵素元素難以去除，純度最多可以達到4N，基本已經極限了；從純度上說，它的缺陷很大，無法拿來做大尺寸藍寶石晶體，無法滿足高端要求。

2.2 碳酸鋁銨熱解法制備高純氧化鋁的純化工藝

碳酸鋁銨熱解法制備高純氧化鋁是在硫酸鋁銨熱解法的基礎改進而來的，碳酸鋁銨熱解法中所用到的原料有硫酸鋁和碳酸氫銨等等，因而在純化除雜方面可以借鑒一下硫酸鋁銨熱解法中的一些工藝，將硫酸鋁和碳酸氫銨預處理，得到精制的原材料，這為后續(xù)的提純減小了壓力。

2.3 醇鋁水解法

醇鋁水解法，是通過將鋁和異丙醇加催化劑合成、提純、水解和焙燒等工藝，制得高純超細氧化鋁粉體。提純又分蒸餾和精餾， 蒸餾的純度比精餾的低一些。

首先將鋁片加入異丙醇中反應生成異丙醇鋁，然后異丙鋁經過蒸餾、精餾提純，水解生成水合氧化鋁，水合氧化鋁加熱分解得到氧化鋁。此方法生產的氧化鋁純度可達5N，甚至可達6N。

一般對于醇鹽的除雜純化方法有很多，例如：減壓蒸餾法、結晶法、萃取法等等。減壓蒸餾法利用了金屬醇鹽沸點在加熱條件下又很容易分解的特點，從而來實現純化醇鹽，因為其操作簡單，耗時少，見效快，所以在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。結晶法的過程是將醇鹽溶解在某種有機溶劑中，然后根據醇鹽在不同溫度條件下的有機溶劑中的溶解度不同，最后通過降溫使金屬醇鹽結晶出來。這種方法相對于減壓蒸餾來說有能耗低，設備體積小，造價不高的優(yōu)點，但是由于非常耗時，所以很難在工業(yè)生產中推廣。萃取法的主要原理是將金屬醇鹽溶解在有機溶劑中，使得不溶性物質沉降到反應器底部進而得到比較純凈的物質從而來實現醇鹽和雜質分離的，這種方法主要可以彌補異辛醇鋁等醇鹽不能被減壓蒸餾的特點，由于該方法同樣耗時因而也不能在工業(yè)生產中批量生產。一般的純化方法，在一定程度上能為純化醇鋁起到初步除雜的目的，但是要獲得高純氧化鋁，就必須對微量的雜質元素也能有很好的除去效果。

高純氧化鋁粉雜質含量ICP檢測結果

上表為本公司用醇鹽水解法制備的高純氧化鋁ICP檢測結果，從該結果可以看出，醇鹽水解法制備的高純氧化鋁中雜質含量低，且產品狀態(tài)比較穩(wěn)定。適合藍寶石晶體、LED襯底的生產。

目前日本和美國用于LED藍寶石長晶行業(yè)的高純度氧化鋁，主要采取這種工藝生產，這種工藝比較復雜。和其他工藝相比，這種工藝的主要優(yōu)點是：

1）高純鋁和醇類反應速度快，不需要加工成粉末或箔片，避免加工過程中帶入金屬雜質。

2）反應得到的異丙醇鋁可以通過精餾，以氣態(tài)的形式收集高純異丙醇鋁，有效去除鐵、鈦、鎳、鋯、鉛、鎂等金屬雜質。 冷凝下來的高純異丙醇鋁還可以再次提純，除去游離金屬雜質鉀，鈉，鋅等。這個是其他工藝沒法做到的。

這種方法生產的氧化鋁粉體純度高、粒徑小，該工藝對產品的純度可控性強，能滿足藍寶石長晶的要求。

這個工藝要用到醇，而且需要高溫，高壓，產品成本也高，但是由于這個工藝生產出來的產品純度高，只有具有此純度的氧化鋁長出的藍寶石晶體，才能達到LED襯底的要求。所以世界上做高品質5N氧化鋁廠家都選擇了醇鹽水解法。

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