研磨參數(shù)對α-Al2O3粉體粒度與分布的影響

劉 奎，李翔春，張成榮，金培鵬，劉江華，陳?；?/p>

（1.青海大學(xué)新型輕合金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海省輕金屬合金及深加工工程技術(shù)研究中心，青海西寧 810016；2.青海圣諾光電科技有限公司，青海西寧 810000）

α-Al2O3以其優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、透光性能等光、電、磁、熱和機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于藍(lán)寶石、鋰電池隔膜涂覆、拋光粉、研磨介質(zhì)和催化劑載體等領(lǐng)域[1-6]。然而，在制備過程中，存在粒度分布不均勻、晶粒尺寸大、團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重以及純度低等問題，嚴(yán)重影響了高純氧化鋁優(yōu)越的應(yīng)用性能，因此，提高粒度分布均勻性，減少粉體團(tuán)聚，是提高其應(yīng)用性能的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)制備高純氧化鋁的方法有改良拜耳法[7]、硫酸鋁銨法[8]、碳酸鋁銨法[9]、醇鋁鹽水解法[10]、火花放電法[11]、干燥法[12]、溶膠-凝膠法[13-14]以及水熱法[15-16]等多種制備方法。以上方法在制備過程中，存在生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)成本高、高純氧化鋁純度低以及環(huán)境污染等問題，制約了其工業(yè)化的生產(chǎn)及應(yīng)用。如改良拜耳法制備高純氧化鋁純度較低，一般不用于高純氧化鋁的制備生產(chǎn)；硫酸鋁銨法會產(chǎn)生SO3和NH3等有害氣體，現(xiàn)已逐漸退出國內(nèi)市場；碳酸鋁銨法是在硫酸鋁銨法的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)后的方法，這種方法雖能避免有害氣體的產(chǎn)生，但制備周期較長；醇鋁鹽水解法制備高純氧化鋁原料為異丙醇和高純鋁，該方法制備的高純氧化鋁具有純度高、粉體粒徑小、粉體均一等優(yōu)點(diǎn)，但原料為異丙醇，制備成本較高，工藝復(fù)雜，異丙醇為有機(jī)溶劑存在安全隱患[17-20]。

近幾年，研究人員針對高純氧化鋁制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低、環(huán)保無污染以及純度高等技術(shù)問題，開展新工藝技術(shù)開發(fā)，有等離子體法、噴霧熱解法、水析絡(luò)合法以及高純鋁直接水解法等。昆明大學(xué)劉建良博士曾對高純鋁直接水解法[21]進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究，高純鋁直接水解法以其原料來源豐富、生產(chǎn)周期短、工藝簡單和環(huán)保無污染等特點(diǎn)，在國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但在工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品存在團(tuán)聚嚴(yán)重、粒度不均勻和晶粒尺寸大等問題，嚴(yán)重影響高純氧化鋁的應(yīng)用性能[22-24]。為了解決制備過程中產(chǎn)品存在的團(tuán)聚、粒度不均勻和晶粒尺寸大等問題，在生產(chǎn)工藝中加入研磨工藝過程，能夠有效解決以上問題，本文中針對研磨工藝參數(shù)對團(tuán)聚、粒度及分布的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為高純鋁直接水解法制備高純超細(xì)氧化鋁提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用原料為高純鋁直接水解法生產(chǎn)的高純氧化鋁粉，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用SMARTS7-200臥式研磨機(jī)以及攪拌釜進(jìn)行攪拌研磨處理，研磨球采用直徑為 5、10 mm的氧化鋯球。研磨時(shí)間為1、1.5、2、2.5、3 h；研磨機(jī)轉(zhuǎn)速為 500、700、1 000、1 300、1 500 r/min；高純氧化鋁漿料配比（高純氧化鋁與純水的質(zhì)量比，下同）為25%、40%、60%的3種條件下進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)過程中采用激光粒度儀和掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品進(jìn)行粒度及分布和形貌測試分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 研磨時(shí)間對粉體粒度分布及形貌的影響

表1為不同研磨時(shí)間下氧化鋁粉體的粒徑。由表可看出，隨著研磨時(shí)間的延長，粉體粒徑得到明顯細(xì)化，達(dá)到0.7 μm以下，說明隨著研磨時(shí)間的增加，粉體粒度尺寸減小。

表1 不同研磨時(shí)間下氧化鋁粉體粒徑Tab.1 Size of powder at different sand milling time μm

圖1為在不同研磨時(shí)間下，用激光粒度分析儀對樣品進(jìn)行分析，獲得的氧化鋁粉體粒度分布圖。圖1a為高純鋁直接水解法制備的高純氧化鋁粉粒度分布，圖 1b—f分別為研磨 1、1.5、2、2.5、3 h 后的粒度分布圖。由圖1a可以看出，未研磨的高純氧化鋁粒度分布在0～78 μm，說明未經(jīng)研磨的粉體尺寸顆粒大，均勻性差；研磨能夠很好地減小粉體粒度，研磨1 h后粉體粒度分布在0～9 μm，如圖1b所示；隨著研磨時(shí)間的延長，粉體分布區(qū)間變窄，顆粒尺寸趨于集中，如圖1c—f所示；當(dāng)研磨 3 h 后，粉體分布在 0～4 μm，呈現(xiàn)最好的分布，見圖1f。圖2為不同研磨時(shí)間下氧化鋁的SEM圖像。

圖1 不同研磨時(shí)間下氧化鋁粉體的粒度分布圖Fig.1 Particle size distribution of alumina oxide particle size prepared at different sand milling time

圖2 不同研磨時(shí)間下氧化鋁的SEM圖像Fig.2 SEM images of aluminum oxide prepared different sand milling time

圖2a為未經(jīng)研磨時(shí)高純氧化鋁的SEM圖像，圖2b—f分別為研磨 1、1.5、2、2.5、3 h后高純氧化鋁的SEM圖像；由圖2a中可以看出，未研磨的粉體顆粒尺寸大，團(tuán)聚明顯；隨著研磨時(shí)間的延長，顆粒尺寸減小，團(tuán)聚現(xiàn)象弱化，分散性提高，如圖2c—f所示；當(dāng)研磨3 h后，顆粒的尺寸均一，分散性好，見圖2f。

2.2 研磨機(jī)轉(zhuǎn)速對粉體粒度分布及形貌的影響

不同轉(zhuǎn)速下氧化鋁粉體的粒徑如表2所示。由表可以看出，隨著研磨機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，粉體粒度隨之減小。

表2 不同轉(zhuǎn)速下氧化鋁粉體的粒徑Tab.2 Size of powder at different speeds

為在不同轉(zhuǎn)速下，用激光粒度分析儀對樣品進(jìn)行分析，獲得的氧化鋁粉體粒度分布圖見圖3。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下氧化鋁粉體的粒度分布圖Fig.3 Particle size distribution of alumina oxide prepared at different rotational speeds

圖3a為高純鋁直接水解法制備高純氧化鋁粉的粒度分布，圖3b—f分別為研磨500、700、1 000、1 300、1 500 r/min后的粒度分布圖。由圖3a中可知，未研磨的高純氧化鋁粒度分布在0～78 μm，說明未經(jīng)研磨的粉體尺寸顆粒大，均勻性差；研磨能夠很好地減小粉體粒度，在經(jīng)500 r/min研磨后，粉體粒度分布在0～6 μm，見圖3b；隨著研磨時(shí)間的延長，粉體分布區(qū)間變窄，顆粒尺寸趨于集中，見圖3c—f；當(dāng)1 300 r/min研磨后，粉體分布在0～4.5 μm，呈現(xiàn)最好的分布，見圖3e；轉(zhuǎn)速提高到 1 500 r/min 時(shí)，粒度分布在 0～4.5 μm，分布性與1 300 r/min類似，因此1 300 r/min可以達(dá)到生產(chǎn)需求。圖4為不同轉(zhuǎn)速下氧化鋁的SEM圖像。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下氧化鋁的SEM圖像Fig.4 SEM images of aluminum oxide prepared at different sand milling speeds

圖4a為高純氧化鋁粉未研磨的SEM圖像，圖4b—f分別在 500、700、1 000、1 300、1 500 r/min 研磨后的SEM圖像；由圖4a中可以看出，未研磨的粉體顆粒尺寸大，團(tuán)聚明顯；隨著研磨轉(zhuǎn)速的提高，顆粒的尺寸減小，團(tuán)聚現(xiàn)象弱化，分散性提高，見圖4c—f所示；當(dāng)在1 300、1 500 r/min研磨后，顆粒的尺寸均一，分散性好，如圖4e和4f所示。

2.3 漿料配比對粉體鋁粒度分布及形貌的影響

表3為不同漿料配比下粉體粒度，由表可以看出隨著漿料配比的增加，粉體粒徑尺寸減小，減小到0.7 μm 以下。

表3 不同漿料配比下氧化鋁粉體的粒徑Tab.3 Size of aluminum oxide powder of different slurry ratio

圖5為在不同漿料配比下，用激光粒度分析儀對樣品進(jìn)行分析，獲得的粉體粒度分布圖。

圖5a為高純鋁直接水解法制備的高純氧化鋁粉粒度分布，圖5b—d分別為漿料配比為25%、40%、60%研磨后的粒度分布圖。由圖5a中可以看出，未研磨的高純氧化鋁粒度分布在0～78 μm，說明未經(jīng)研磨的粉尺寸顆粒大，均勻性差；研磨能夠很好地減小粉體粒度，漿料配比25%研磨后粉體粒度分布在0～4.5 μm，見圖5b；隨著漿料配比的提高，粉體分布區(qū)間變寬，漿料配比為40%和60%時(shí)，粉體分布在 0～5 μm 和 0～7 μm，見圖5c、d。說明隨著漿料配比的增加，粉體粒度分布變寬。

圖6a為高純氧化鋁粉未研磨時(shí)的SEM圖像，圖6b—6d分別為漿料配比25%、40%、60%下研磨后的SEM圖像；由圖6a中可以看出，未研磨的粉體顆粒尺寸大，團(tuán)聚明顯；在漿料配比為25%研磨情況下，顆粒尺寸減小，團(tuán)聚現(xiàn)象弱化，分散性提高，見圖6b；隨著漿料配比的增加，粉體顆粒尺寸出現(xiàn)兩極化，存在大顆粒尺寸，見圖 6c、d。

圖5 不同漿料配比下氧化鋁粉體的粒度分布Fig.5 Particle size distribution of aluminum oxide prepared at different slurry ratio

圖6 不同漿料配比下氧化鋁粉體SEM圖像Fig.6 SEM images of aluminum oxide prepared at different slurry ratio

3 結(jié)論

通過對研磨時(shí)間、研磨機(jī)轉(zhuǎn)速、漿料配比因素進(jìn)行粒度及分布研究，得出以下結(jié)論：

1）高純鋁直接水解法制備出的高純氧化鋁粉分布在0～78 μm之間；研磨能夠有效降低高純氧化鋁粉體尺寸，使粉體分布在0～10 μm，并具有良好的分散性。

2）研磨時(shí)間、轉(zhuǎn)速和漿料配比對于粉體的分散性、粒度及分布有明顯作用，分散性提高、粉體均一性增加，粉體尺寸分布在0～4 μm。

3）在工業(yè)生產(chǎn)高純氧鋁的過程中，研磨過程中的指導(dǎo)參數(shù)為研磨時(shí)間3 h、轉(zhuǎn)速1 300 r/min和漿料配比25%情況下，粉體分散性、粒度及分布較好。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]NO K P，HEE Y C，et al.Purification of Al（OH）3synthesized by Bayer process for preparation of high purity alumina as sapphire raw material[J].Journal of Crystal Growth，2013，373（1）：88-91.

[2]YAN T，GUO X D，ZHANG X，et al.Low temperature sythsis of nano alpha-alumina powder by two-step hydrolysis[J].Materials Research Bulletin，2016，73（1）：21-18.

[3]CHEN R Y，LI Y B ，ZHAO Y，et al.Effect of inorganic acid on the phase transformation of alumina[J].Journal of Alloys and Compounds，2017，699（30）：170-175.

[4]ZHANG X，DENG B，SUN T，et al.Preparation of alumina nanorods from chromium-containing alumina sludge[J].Nanoscale Research Letters，2017，12（1）：1.

[5]LI L，KANG W M，ZHAO Y X，et al.Preparation of flexible ultra-fine Al2O3fiber mats via the solution blowing method[J].Ceramics International，2015，41（1）：409-415.

[6]MIKK V，MADIS U， BORIS P， Mechanical and structural characterizations of gamma-and alpha-alumina nano fibers[J].Materials Characterization，2015，107（1）：119-124.

[7]黃安斌.拜耳法生產(chǎn)氧化鋁鋁土礦溶出過程研究[J].世界有色金屬，2015，14（10）：40-42.

[8]趙海紅，歐陽朝斌，劉有智. 超細(xì)氧化鋁粉體的制備工藝及應(yīng)用[J].化工科技，2003，11（1）：45-48.

[9]申小清，李中軍，要紅昌，等.碳酸鋁銨熱分解制備納米氧化鋁粉體[J].無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2003，19（6）：650-654.

[10]唐芳瓊，郭廣生，侯莉萍.納米Al2O3粒子的制備[J].感光科學(xué)與光化學(xué)，2001，19（3）：198-201.

[11]朱永璋，蔣明學(xué)，馮秀梅，等.火花放電法制備高純氧化鋁粉末[J].有色金屬，2011，63（2）：110-113.

[12]XIAO J，WAN Y，DENG H，et al.Effects of drying method on preparation of nanometer α-Al2O3[J].Journal of Central South University of Technology，2007，14（3）：330-335.

[13]LI J，PAN Y B，XIANG C S，et al.Low temperature synthesis of ultrafine α -Al2O3powder by a simple aqueous sol gel process[J].Ceramics International，2006，32：587-591.

[14]ZHANGHH， HANGY， QINY， etal.Synthesisand characterization of sol gel derived continuous spinning alumina based fibers with silica nano-powders[J].Journal of the European Ceramics Society，2014，34（2）：465-473.

[15]張政陽.水熱法制備氧化鋁納米粉體及其形貌的研究[D].咸陽：陜西科技大學(xué)，2012.

[16]GHANIZADEH S，BAO X J，VAIDHYANATHAN B，et al.Synthesis of nano α-alumina powders using hydrothermal and precipitation routes:a comparative study[J].Ceramics Internal，2014，40（1）：1311-1319.

[17]于嚴(yán)淏.異丙醇鋁水解制備高純氧化鋁及水合氧化鋁[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[18]劉東亮，金永中，陳敏.納米Al2O3粉末的制備與防團(tuán)聚研究[J].山東陶瓷，2005，28（4）：19-23.

[19]韓東戰(zhàn)，尹中林，王建立.高純氧化鋁制備技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].無機(jī)鹽工業(yè)，2012，44（9）：1-4.

[20]張野.高純氧化鋁粉體的制備及燒結(jié)的研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2012.

[21]劉建良.單質(zhì)鋁水解法制備高純氧化鋁研究[D].昆明，昆明理工大學(xué)，2005.

[22]吳光進(jìn)，張穎，劉海林.工業(yè)氫氧化鋁制備高純超細(xì)氧化鋁[J].貴州大學(xué)（自然科學(xué)版），2009，26（4）：95-96.

[23]SARAH H，ALEXANDER S，ANNE G S H.Challenges and strategies in the synthesis of mesoporous alumina powders and hierarchical aluminamonoliths[J].Materials，2012，5（1）：336-349.

[24]張少明，胡雙啟，趙海霞.納米Al2O3粉末團(tuán)聚機(jī)理與防止方法研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2008，31（6）：94-96.