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球形氧化铝粉体宏量化制备技术盘点

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球形氧化铝粉体宏量化制备技术盘点

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球形氧化铝粉体因其耐高温、高硬度、高导热性、形貌规则、粒径均匀等优良特性,在催化剂载体、表面防护涂层、导热复合材料添加剂和陶瓷添加剂等领域被广泛应用。随着球形氧化铝粉体应用领域的不断拓宽、对粉体质量要求的不断提升,适应市场需求的可行制备路线期望被开发和工业化应用。下面根据制备原理的不同,分析和探讨当前主要制备方法以及存在的问题,并展望未来工业化的发展方向。

当前球形氧化铝粉体制备主要包括以下四种常用制备路线,主要制备流程如下图所示。

图1球形氧化铝粉体常用制备路线

01高温等离子体法

高温等离子体法制备球形氧化铝粉体过程中反应原料不同时,高温等离子体的作用和球形氧化铝的形成原理截然不同。金属铝粉用作原料时,利用高温等离子体可以将金属铝汽化,随后铝蒸气与氧气发生反应并在反应室内壁上凝结成核,然后氧化铝晶核被反应室的冷却水快速淬火后即可获得球形氧化铝粉体。无定形氧化铝用作原料时,采用等离子体法使其在高温环境中短时间内发生相变,同时在表面张力作用下发生球化即可形成球形氧化铝。

高温等离子体制备的氧化铝粉体具有结晶程度高、导热等性能优良、形貌规则、球化率高和产率高等优势,但同时也有着高温等离子体设备价格昂贵、维护困难和系统复杂等不足,这在一定程度上限制了等离子体法的应用。

02喷雾热解法

喷雾热解法主要应用于硝酸铝等铝盐溶液制备球形氧化铝粉体,铝盐溶液既可直接商业获得,也可通过金属铝粉或无定形氧化铝混酸制备。其主要原理是将铝盐溶液喷雾置于高温环境中使溶剂快速汽化,溶质析出后经过高温热解即可获得球形氧化铝。

喷雾热解法可通过调节铝盐喷雾液滴尺寸和环境温度来控制局域内铝源含量和反应速率,从而更有利于形成细小且具有更高球化率和更优分散性的氧化铝粉体。但是高纯度铝盐等原材料价格昂贵,同时铝盐在高温热分解时往往伴随产生强污染性的气体,这些缺点使得喷雾热解法的大规模工业化使用受到一定阻碍。

(a) 高温等离子体法制备的氧化铝SEM[1];

(b)喷雾热解法制备的氧化铝SEM[2]

03液相沉淀法

液相沉淀法适用范围较广,硝酸铝、氯化铝和硫酸铝等铝盐均可应用。首先将铝盐溶解或将金属铝混酸后获得铝盐溶液,然后在沉淀剂作用下使混合溶液发生沉降,过滤得到白色沉淀并进行煅烧处理,最终获得球形氧化铝粉体。

液相沉淀法制备球形氧化铝粉体时操作步骤相对简单、反应条件较为温和,制备门槛较低,更容易实现小批量制备。与高温等离子体法和高温热解法相比,通常情况下液相沉淀法制备的氧化铝粉体球化率不高、颗粒易团聚且分散性较差,虽然控制沉淀剂、分散剂与硝酸铝原料之间的摩尔比可一定程度上对其进行改善,但制备过程中往往伴随大量废水产生,从而限制了该方法进一步应用。

04水解法

水解法又称溶胶-凝胶法,首先醇铝与水混合后发生水解生成氧化铝水合物,然后经过煅烧后即可获得粒径细小的球形氧化铝粉末。

以醇铝为原材料制备氧化铝粉体时,制备条件温和,所获产品纯度高,制备过程不易引入杂质。但是醇铝水解反应难以控制,产品通常具有较宽的粒径分布和较差的球形度,同时醇铝价格相对较高,制备过程中的有机溶剂也会造成环境污染,因此醇铝水解制备球形氧化铝粉体在工业中的应用较少。

(a) 液相沉淀法制备的氧化铝SEM[3];

(b)水解法制备的氧化铝SEM[4]

总结

综上所述,综合考虑球形氧化铝粉体产率、球化率、分散性、结晶质量、环境污染、加工成本等因素,高温等离子体法更具优势。虽然工艺条件对设备要求较高,但随着能耗问题的解决以及工艺参数的持续优化,高温等离子体法在超细粉末制备领域一定大有可为。

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