超細(xì)氫氧化鋁制備工藝條件的研究

許智芳，郝云升，王科，張之強(qiáng)

（1山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東淄博　255051；2山東鋁業(yè)公司研究院，山東淄博　255065）

超細(xì)氫氧化鋁制備工藝條件的研究

許智芳1，郝云升1，王科2，張之強(qiáng)2

（1山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東淄博255051；2山東鋁業(yè)公司研究院，山東淄博255065）

影響超細(xì)氫氧化鋁質(zhì)量的主要因素為鋁酸鈉溶液苛性比ακ、溶液Al2O3濃度、種子系數(shù)、分解溫度等，選擇4因素5水平的正交試驗L25（54），根據(jù)試驗結(jié)果確定的用砂磨法種子鋁酸鈉溶液制備氫氧化鋁的最佳分解工藝條件為:鋁酸鈉溶液ακ1.7，溶液Al2O3濃度120 g/L，種子系數(shù)20%，分解溫度75℃，可制備粒徑1～2 μm的超細(xì)氫氧化鋁。

超細(xì)氫氧化鋁；鋁酸鈉溶液；分解溫度；苛性比；吸油率

1　前言

超細(xì)氫氧化鋁是指平均粒徑1 μm左右的超細(xì)氫氧化鋁，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒、無味及白度好等優(yōu)良性能，是電工、電子、地毯、塑料、橡膠等行業(yè)中必不可少的環(huán)保型阻燃劑。而從鋁酸鈉溶液中制備超細(xì)氫氧化鋁的關(guān)鍵，是要掌握決定粒子大小和形貌的主要影響因素及其作用機(jī)理，制定合理的分解工藝［1］。目前試驗表明，超細(xì)氫氧化鋁的制備技術(shù)關(guān)鍵在于晶種的制取和分解條件控制，此試驗主要研究同一個活性晶種的分解制備工藝，從分解原液鋁酸鈉溶液的苛性比（ακ）、Al2O3濃度、種子系數(shù)、分解制度、分解溫度、分解時間等影響因素進(jìn)行研究，使得到的氫氧化鋁產(chǎn)品是以結(jié)晶長大為主，晶體附聚現(xiàn)象得到抑制，使產(chǎn)品的晶體結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度較大，表面趨于光滑，產(chǎn)品粒度適中，改善產(chǎn)品的粒徑分布及顆粒形貌，降低吸油率，降低Na2O含量，提高使用性能，使主要產(chǎn)品指標(biāo)滿足市場要求，關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，并形成系列化和高附加值產(chǎn)品。

本研究采用砂磨法種子制備超細(xì)氫氧化鋁，為確定最佳分解工藝條件，選擇正交試驗方式。

2　試驗方法

2.1試驗原料與儀器

鋁酸鈉溶液:Na2Ok80～160 g/L±，Al2O380～160 g/L±，Na2OC2 g/L±；砂磨法種子:氫氧化鋁微粉車間磨制的α-Al（OH）3種子。

501型超級恒溫器，2003-3（JJ-1）型調(diào)速攪拌機(jī)，HC TP11B 10型天平，101-1A型恒溫干燥箱，顯微鏡。

2.2試驗工藝過程

用氫氧化鋁與氫氧化鈉配制好合適苛性比ακ及Al2O3濃度的鋁酸鈉溶液，準(zhǔn)備好磨制的α-Al（OH）3種子，使整個試驗過程使用同一個種子，確保試驗數(shù)據(jù)具有可比性。每次量取1 000 mL鋁酸鈉溶液在水浴中加熱至所需分解溫度，按不同的種子系數(shù)加入制備好的砂磨法種子，進(jìn)行恒溫分解，試驗確定6 h出料，過濾洗滌至pH值8左右，放入烘箱靜態(tài)烘干，分析試驗結(jié)果。

2.3正交試驗方案

鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性是指從過飽和鋁酸鈉溶液開始析出氫氧化鋁所需要的時間。影響鋁酸鈉溶液穩(wěn)定性的主要因素如下:1）鋁酸鈉溶液的分子比，在其他條件相同時，溶液的分子比越低，其對應(yīng)的過飽和度越大，溶液的穩(wěn)定性越低。2）鋁酸鈉溶液的濃度，由Na2O-Al2O3-H2O系平衡圖［1］可知，當(dāng)溶液苛性比一定時，中等濃度鋁酸鈉溶液的過飽和度大于更稀或更濃的溶液，也就是說中等濃度的鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性最小。3）溶液所含有的雜質(zhì)，工業(yè)鋁酸鈉溶液所含有的多數(shù)雜質(zhì)，一般使溶液的穩(wěn)定性增加［1］。

在鋁酸鈉溶液晶種分解過程中，同時發(fā)生以下物理化學(xué)作用:次生成核，結(jié)晶長大，晶粒附聚，晶粒破裂與磨蝕［2］（在工業(yè)分解槽中的攪拌強(qiáng)度不會導(dǎo)致顯著的顆粒破裂［3］）。Al（OH）3晶粒成核可分為原生成核和次生成核，它會使最終產(chǎn)品的粒度細(xì)化。原生成核又稱為一次成核，是指過飽和溶液中的均相成核。次生成核又稱為二次成核，它對產(chǎn)品的形貌影響較大［4］。二次成核與誘導(dǎo)期密切相關(guān)，二次成核與誘導(dǎo)期的長度成正比［5］。

影響超細(xì)氫氧化鋁質(zhì)量的分解因素中，種子系數(shù)對產(chǎn)品的粒度有很大影響，晶種的粒度發(fā)布直接影響著最終產(chǎn)品的粒度發(fā)布。為了得到粒度均勻和細(xì)小的氫氧化鋁，必須控制成核和晶體生長速度。其中溫度是決定附聚度大小的首要條件，溫度直接影響著反應(yīng)速度，對晶粒的生成和長大都有影響，溫度對晶粒長大速度的影響大于對晶粒生成速度的影響。鋁酸鈉溶液分解氫氧化鋁的質(zhì)量是各種影響因素綜合作用的結(jié)果［6］。

根據(jù)鋁酸鈉溶液分解氫氧化鋁的原理及以往鋁酸鈉溶液制備超細(xì)氫氧化鋁分解工藝條件的試驗，目前確定影響超細(xì)氫氧化鋁質(zhì)量的主要反應(yīng)因素為鋁酸鈉溶液苛性比ακ、溶液Al2O3濃度、種子系數(shù)、分解溫度等，根據(jù)各個因素在不同的水平對制備超細(xì)氫氧化鋁的質(zhì)量指標(biāo)的影響程度不同，為尋找最佳的液相反應(yīng)條件，選擇4因素5水平的正交試驗L25（54），試驗的分析指標(biāo)有分解率、粒度、吸油率、比表面、Na2O含量等。正交試驗的因素和水平如表1所示。

1.湖南省城鄉(xiāng)小學(xué)生英語水平的現(xiàn)狀。湖南省農(nóng)村地區(qū)與城市地區(qū)的小學(xué)生的實際英語水平有很大的差異，農(nóng)村地區(qū)小學(xué)生基礎(chǔ)知識非常薄弱，絕大部分學(xué)生不能掌握教材中的基本詞匯與句型，因此，在考試中亂做題目的現(xiàn)象屢見不鮮，他們看不懂考試題目，所以只能選擇猜答案，因而造成他們從一開始就沒有英語學(xué)習(xí)和考試的正確態(tài)度；而城市小學(xué)生能基本掌握課程主要知識并進(jìn)行消化，他們在學(xué)有余力的同時還會接受課外英語輔導(dǎo)與培訓(xùn)，有些小學(xué)生甚至可以在統(tǒng)考測試中獲得頭籌，他們的英語綜合素質(zhì)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于農(nóng)村小學(xué)生。

表1　L25（54）正交試驗的水平因素

2.4分析檢測方法

X—射線衍射儀檢測超細(xì)Al（OH）3的相組成；粒度采用粒度儀測定；比表面用氣體吸附儀分析；吸油率用蓖麻油測定；其他化學(xué)成分采用分析室常規(guī)分析方法。

3　正交試驗結(jié)果與分析

按砂磨法超細(xì)氫氧化鋁的制備工藝條件優(yōu)化正交試驗方案進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果及分析見表2。

表2　正交試驗L25（54）的試驗結(jié)果及分析

根據(jù)正交試驗結(jié)果，對制備超細(xì)氫氧化鋁分解工藝條件，如鋁酸鈉溶液苛性比ακ、Al2O3濃度、種子系數(shù)、分解溫度等各個因素的不同水平，對各個質(zhì)量指標(biāo)，如分解率、粒度、吸油率、比表面、Na2O含量等的影響規(guī)律及極差計算顯示的影響程度大小等進(jìn)行分析。

3.1分解工藝條件對粒度的影響

分解工藝條件對超細(xì)氫氧化鋁粒度D50的影響如圖1所示。影響超細(xì)氫氧化鋁粒度的因素一般包括一次性粒徑大小、一次性粒子團(tuán)聚程度等，超細(xì)氫氧化鋁的顆粒團(tuán)聚程度比粒度大小對最終產(chǎn)品的應(yīng)用影響更大。一般顆粒團(tuán)聚程度越小越好。

極差最大的是分解溫度影響的粒度D50，所以分解溫度是影響超細(xì)氫氧化鋁粒度D50的主要因素；極差最小的是溶液苛性比影響的粒度D50，所以溶液苛性比ακ是影響D50的較小因素。單從超細(xì)氫氧化鋁平均粒度D50最接近1 μm的數(shù)值來分析，最佳分解工藝條件是:用砂磨法種子，鋁酸鈉溶液ακ1.7，溶液Al2O3濃度120 g/L，種子系數(shù)20%，分解溫度45℃。

圖1　分解工藝條件對氫氧化鋁粒度的影響

3.2分解工藝條件對吸油率的影響

分解工藝條件對超細(xì)氫氧化鋁吸油率的影響見圖2。影響超細(xì)氫氧化鋁吸油率的因素主要有粒徑大小、粒度分布及顆粒形貌、表面團(tuán)聚程度等。當(dāng)粒度大小相同時，超細(xì)氫氧化鋁吸油率越低應(yīng)用狀態(tài)越好。

圖2　分解工藝條件對氫氧化鋁吸油率的影響

極差最大的是分解溫度影響的吸油率指標(biāo)，所以分解溫度是影響超細(xì)氫氧化鋁吸油率的主要因素；極差最小的是溶液Al2O3濃度影響的吸油率，所以溶液Al2O3濃度是影響超細(xì)氫氧化鋁吸油率的較小因素。單從超細(xì)氫氧化鋁吸油率來分析，最佳分解工藝條件是:用砂磨法種子，鋁酸鈉溶液ακ1.7，Al2O3濃度120 g/L，種子系數(shù)20%，分解溫度75℃。

3.3分解工藝條件對比表面積的影響

分解工藝條件對超細(xì)氫氧化鋁比表面積的影響見圖3。影響超細(xì)氫氧化鋁比表面積的因素主要有粒子的粒徑大小、顆粒形貌、表面生長狀態(tài)等。當(dāng)粒度大小相同時，超細(xì)氫氧化鋁比表面積越小顯示顆粒球形度、光滑程度越好。

極差最大的是分解溫度影響的比表面積，所以分解溫度是影響超細(xì)氫氧化鋁比表面積的主要因素；極差最小的是種子系數(shù)影響的比表面積，所以種子系數(shù)是影響超細(xì)氫氧化鋁比表面積的較小因素。單從比表面積來分析，最佳分解工藝條件是:用砂磨法種子，鋁酸鈉溶液ακ1.8，溶液Al2O3濃度100 g/L，種子系數(shù)25%，分解溫度75℃。

3.4分解工藝條件對Na2O含量的影響

分解工藝條件對超細(xì)氫氧化鋁Na2O含量的影響如圖4所示。影響超細(xì)氫氧化鋁Na2O含量的因素主要有顆粒的生長組成、團(tuán)聚程度等。超細(xì)氫氧化鋁的Na2O含量越小，電導(dǎo)率越低，純度越高，性能越穩(wěn)定等，應(yīng)用效果越好。因為超細(xì)氫氧化鋁的洗滌終點是pH值8左右，可能Na2O含量相差較小的數(shù)值有一定誤差。

圖3　分解工藝條件對氫氧化鋁比表面積的影響

圖4　分解工藝條件對氫氧化鋁Na2O含量的影響

極差最大的是分解溫度影響的Na2O含量，所以分解溫度是影響超細(xì)氫氧化鋁Na2O含量的主要因素；極差最小的是種子系數(shù)影響的Na2O含量，所以種子系數(shù)是影響超細(xì)氫氧化鋁Na2O含量的較小因素。單從超細(xì)氫氧化鋁Na2O含量來分析，最佳分解工藝條件是:用砂磨法種子，鋁酸鈉溶液ακ1.7，溶液Al2O3濃度80 g/L，種子系數(shù)5%，分解溫度90℃。

3.5分解工藝條件對分解率的影響

分解工藝條件對超細(xì)氫氧化鋁分解率的影響如圖5所示。影響超細(xì)氫氧化鋁分解率大小的因素主要有種子的活性、溶液的飽和程度、分解溫度、分解時間等，這直接關(guān)系著生產(chǎn)成本的高低，是衡量工藝條件能否產(chǎn)業(yè)化的重要指標(biāo)，是與產(chǎn)品的附加值高低有關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)。

極差最大的是鋁酸鈉溶液ακ影響的分解率，所以鋁酸鈉溶液ακ是影響超細(xì)氫氧化鋁分解率的主要因素；極差最小的是鋁酸鈉溶液Al2O3濃度影響的分解率，所以鋁酸鈉溶液Al2O3濃度是影響超細(xì)氫氧化鋁分解率的較小因素。單從超細(xì)氫氧化鋁分解率來分析，最佳分解工藝條件是:用砂磨法種子，鋁酸鈉溶液ακ1.3，溶液Al2O3濃度100 g/L，種子系數(shù)25%，分解溫度30℃。

3.6最優(yōu)工藝條件確定

根據(jù)制備超細(xì)氫氧化鋁的4因素5水平的正交試驗L25（54）結(jié)果，從影響超細(xì)氫氧化鋁質(zhì)量的主要反應(yīng)因素，包括鋁酸鈉溶液ακ、溶液Al2O3濃度、種子系數(shù)、分解溫度等方面綜合考慮，根據(jù)各個因素在不同的水平對制備超細(xì)氫氧化鋁的質(zhì)量指標(biāo)，如相組成、粒度、吸油率、比表面積、Na2O含量、分解率等綜合考慮，既要使產(chǎn)品性能好，又要生產(chǎn)成本不要太高，選擇的最佳分解工藝條件是:用砂磨法種子，鋁酸鈉溶液苛性比ακ1.7、溶液Al2O3濃度120 g/L、種子系數(shù)20%、分解溫度75℃左右時，制備1～2 μm的超細(xì)氫氧化鋁。其中，除分解率的主要影響因素是鋁酸鈉溶液苛性比ακ外，其他質(zhì)量指標(biāo)如粒度、吸油率、比表面積、Na2O含量的主要影響因素都是分解溫度?？筛鶕?jù)影響產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的規(guī)律，調(diào)節(jié)分解工藝條件，形成系列化超細(xì)氫氧化鋁產(chǎn)品。

圖5　分解工藝條件對氫氧化鋁分解率的影響

根據(jù)確定的工藝條件進(jìn)行單因素試驗，其中以正交試驗確定的最佳工藝條件分解的超細(xì)氫氧化鋁的質(zhì)量指標(biāo)如表3所示。

表3　最佳工藝條件分解的氫氧化鋁質(zhì)量指標(biāo)

根據(jù)同樣分解超細(xì)氫氧化鋁的工藝條件，在實驗室與車間設(shè)備條件下，對最終產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析表明，由于車間設(shè)備條件的打散分級作用，其超細(xì)氫氧化鋁粒度D50比實驗室數(shù)值低0.2～0.3 μm，吸油率低2～4 mL/100 g。由于正交試驗的分解時間為6 h，分解率偏低，一般車間設(shè)備條件分解超細(xì)氫氧化鋁的時間為16～24 h。通過延長分解時間，可提高分解率；降低分解終點溫度，也能提高分解率。

4　結(jié)論

通過正交試驗選擇，鋁酸鈉溶液制備氫氧化鋁的最佳分解工藝條件是，用砂磨法種子，鋁酸鈉溶液苛性比1.7，溶液Al2O3濃度120 g/L，種子系數(shù)20%，分解溫度75℃，可制備1～2 μm的超細(xì)氫氧化鋁。另外，可根據(jù)影響產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的規(guī)律，調(diào)節(jié)分解工藝條件，形成系列化超細(xì)氫氧化鋁產(chǎn)品。

［1］楊重愚.氧化鋁生產(chǎn)工藝學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993.

［2］謝雁麗，呂子劍.鋁酸鈉溶液晶種分解［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

［3］張蕾.高白填料氫氧化鋁晶體發(fā)育及應(yīng)用性能評價研究［R］.淄博:山東鋁業(yè)公司，2009.

［4］丁緒淮，談遒.工業(yè)結(jié)晶［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1985.

［5］葉鐵林.化工結(jié)晶過程原理及應(yīng)用［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［6］許智芳.提高砂磨法微粉使用性能研究［R］.淄博:山東鋁業(yè)公司，2009.

Abstrraacctt::Main factors affecting the quality of super-fine aluminum hydroxide are the caustic ratio ακ of sodium aluminate solution，the Al2O3concentration，seed coefficient，decomposition temperature，and so on.Orthogonal experimentL25（54）of 4 factors and 5 levels is chosen.According to the test results，the preparation of aluminum hydroxide by sodium aluminate solution and sand grinding method seeds，the best decomposition process conditions are as follows:theακ1.7，the predominate Al2O3concentration of 120 g/L，seed coefficient of 20%，the decomposition temperature 75℃.The preparation of ultrafine aluminium hydroxide with particle size of 1-2 microns can be made.

Key worrddss::ultrafine aluminum hydroxide；sodium aluminate solution；decomposition temperature；caustic ratio；oil absorption rate

Study on Preparation Technology of Ultrafine Alumina

XU Zhifang1，HAO Yunsheng1，WANG Ke2，ZHANG Zhiqiang2
（1 Shandong Aluminum Vocational College，Zibo 255051，China；2 Shandong Aluminum Inc Research Institute，Zibo 255065，China）

TF803.22；TQ133.1

A

1004-4620（2016）05-0039-04

2016-06-06

許智芳，女，1977年生，1995年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院化工工藝專業(yè)?，F(xiàn)為山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院工程師，從事化學(xué)品氧化鋁方面的工作。