制备α-氧化铝粉末的方法 【技术领域】
本发明涉及一种制备α-氧化铝粉末的方法，所述的α-氧化铝粉末具有高α-比率和大的BET比表面积。
背景技术
α-氧化铝是一种铝的氧化物，由式Al2O3表示且具有刚玉结构，广泛地用作制备烧结体例如半透明管的原料。
考虑到改善烧结体的强度，需要用作原料的α-氧化铝具有高α-比率和大的BET比表面积。
【发明内容】
发明概述
本发明人已经研究了一种制备α-氧化铝粉末的方法，结果导致本发明的完成。
即，本发明提供了一种制备α-氧化铝粉末的方法，该方法包含以下步骤：
(1)在粉碎剂的存在下，粉碎在X-射线衍射(以下简称“XRD”)图中具有主峰的半宽度(以下简称为“FWHM”)(Ho)的金属化合物，以得到在XRD图中具有主峰的FWHM(H)的晶种，(2)将得到的晶种与铝盐混合，
(3)煅烧所述的混合物，和
其中H/Ho的比值为1.06或以上。
【附图说明】
图1所示为计算金属化合物地FWHM Ho和晶种的FWHM H的方法。
优选实施方案详述
本发明制备α-氧化铝粉末的方法包含：粉碎在XRD图中具有主峰的FWHM(Ho)的金属化合物，以得到在XRD图中具有主峰的FWHM(H)的晶种的步骤(1)。
金属化合物可以有利地促进在稍后描述的煅烧中将铝化合物相转变为α-氧化铝。金属化合物的实例包括金属氧化物例如α-氧化铝(Al2O3)、α-氧化铁(Fe2O3)和α-氧化铬(Cr2O3)；金属氢氧化物例如水铝石(AlOOH)，优选金属氧化物，更优选α-氧化铝。
粉碎是在粉碎剂的存在下进行的。
粉碎剂可以有效地促进粉碎。粉碎剂的实例包括醇类例如乙醇、丙醇；二元醇例如1，2-亚乙基二醇(分子量[mw]：62，沸点[bp]：197.2℃)、聚乙二醇、丙二醇(mw：76，bp：187.4℃)、聚丙二醇(在双丙甘醇的情况下，mw：134，bp：231.8℃)、1，3-丁二醇(mw：90，bp：207.5℃)和1，4-丁二醇(mw：90，bp：235℃)；胺类例如三乙醇胺；脂肪酸例如棕榈酸、硬脂酸和油酸；金属醇盐例如铝醇盐；碳材料例如碳黑和石墨。优选二元醇，更优选MW为50至300和沸点为150℃至300℃的二元醇，进一步优选聚丙二醇。粉碎剂可以单独使用或组合它们中的两种或多种使用。基于100重量份的金属化合物，粉碎剂的量通常为约0.01重量份或以上，优选为约0.5重量份或以上，再优选为约0.75重量份或以上，且通常为约10重量份或以下，优选约5重量份或以下，更优选约2重量份或以下。
当在水的存在下进行时，粉碎还可以在分散剂或表面活性剂的存在下进行。分散剂的实例包括酸类例如硝酸、盐酸、硫酸、乙酸和草酸；醇类例如甲醇、乙醇、异丙醇；铝盐例如硝酸铝、氯化铝、草酸铝和乙酸铝。表面活性剂的实例包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂。
粉碎可以通过间歇或连续方法进行。粉碎可以有利例如通过使用粉碎机例如球磨机、振动磨机、行星式轧机、针式磨机(pin mill)、中级搅拌磨机和喷射磨机来进行。在粉碎中，优选减少污染，为此，推荐使用氧化铝，优选纯度为99重量％或以上的氧化铝作为与铝化合物接触的构件的原料，构件如粉碎介质、容器、喷嘴和衬里。
此外，可以将通过粉碎得到的晶种进行分级。通过分级，可以从晶种中去除50重量％或以上，优选为70重量％或以上，更优选为90重量％或以上的粗糙粒子(例如，粒子直径为约1μm或以上的粒子)。
在上述方法中得到的晶种的初级粒子平均直径通常为约0.01μm或以上，优选为约0.05μm或以上，且通常为约0.5μm或以下。晶种具有的BET比表面积通常为约12m2/g或以上，优选为15m2/g或以上，且通常为约150m2/g或以下。
粉碎在将FWHM为Ho的金属化合物改变为FWHM为H的金属化合物的条件下进行，其中H与Ho的比值为约1.06或以上，优选为约1.08或以上，且通常为约5或以下，优选为约4或以下，更优选为约3或以下。H/Ho的比值表示粉碎度，是由在粉碎前测量的XRD图中45度和70度之间的主峰和在粉碎后测量的XRD图中该主峰的FWHM(H)计算的，如图1所示。
当金属化合物是α-氧化铝和X-射线源是CuKα光束时，H/Ho表示的比值可以由在粉碎前的XRD图中，在2θ为约57.5度的条件下观察的氧化铝(116)衍射峰的FWHM(Ho)和在粉碎后的XRD图中，氧化铝(116)衍射峰的FWHM(H)计算的。
至于α-氧化铁(Fe2O3)、α-氧化铬(Cr2O3)或水铝石(AlOOH)，其在45度和70度之间的主峰，通常是(116)峰，是在使用CuKα光束作为X-射线源测量的XRD图中α-氧化铝的(116)峰的附近位置观察到的。
本发明的方法还包含将得到的晶种与铝盐混合的步骤(2)。
铝盐可以是通过稍后描述的煅烧转化为α-氧化铝的化合物，且其实例包括无机铝盐如硝酸铝、硫酸铝、硫酸铝铵和铵铝碳酸盐氢氧化物(ammonium aluminum carbonate hydroxide)；或有机铝盐，如草酸铝、乙酸铝、硬脂酸铝、乳酸铝和月桂酸铝，优选为无机盐铝，再优选为硝酸铝。
通过使用球磨机、带搅拌器的容器等进行步骤(2)中的混和。
混和可以通过下面的方法有利地进行，例如，通过一种方法，其中向溶剂中加入铝盐以得到溶液或浆料，向其加入晶种，然后，去除溶剂。通过上述的混和，得到铝盐，其中晶种是均匀粉散的。
在混和中，可以在向上述溶液或浆料中加入之前，在溶剂中分散晶种，然后，去除溶剂。
此外，混和还可以通过下面方法进行，其中向铝盐中加入晶种，搅拌混合物。搅拌可以通过使用设备例如立式磨机和亨舍尔混和机有利地进行。在这种混和中，可以在向上述铝盐加入之前，在溶剂中分散晶种，然后，去除溶剂。
基于100重量份的晶种和铝盐的总量，晶种的量通常为约1重量份或以上，优选为约2重量份或以上，更优选为约4重量份或以上，且通常为约50重量份或以下，优选为40重量份或以下，更优选为30重量份或以下。
还可以将得到的混合物进行干燥。干燥可以通过使用冷冻干燥机、真空干燥机等在通常约100℃或以下的温度下进行。
本发明的方法还包含煅烧上面得到的混合物的步骤(3)。
煅烧可以有利通过使用下面设备来进行：例如管式电炉、箱式电炉、隧道炉、远红外炉、微波炉、竖炉、反射炉、旋转炉和辊底式炉。煅烧可以间歇地或连续地进行。它可以以静态方式或流动方式进行。
煅烧温度不低于铝化合物转化为α-氧化铝的温度，通常为600℃或以上，优选为约700℃或以上，且通常为约1000℃或以下，优选为约950℃或以下。煅烧时间通常为10分钟或更长，优选为约30分钟或更长，且通常为约24小时或更短，优选为10小时或更短。
煅烧通常在空气或惰性气体例如N2和Ar下进行。煅烧还可以在具有受控的水蒸汽分压的空气，例如水蒸汽分压为600Pa或以下的空气中进行。
可以对得到的α-氧化铝粉末进行粉碎。粉碎可以通过使用例如通过中级粉碎机例如振动磨和球磨机，或气动磨机例如喷磨机来进行。此外，α-氧化铝粉末可以进行分级。
通过本发明方法得到的α-氧化铝粉末的平均粒子直径通常约为0.01μm或以上，优选为约0.05μm或以上，且通常为约1μm或以下，优选为约0.1μm或以下，α-比率为约90％或以上，优选为约95％或以上，和BET比表面积为约8m2/g或以上，优选为13m2/g或以上，更优选为约15m2/g或以上，和约100m2/g或以下，优选为约50m2/g或以下，更优选为约30m2/g或以下。
α-氧化铝具有如上所述的高α-比率和大的BET比表面积，因此，这种粉末可以用作制备具有高强度的α-氧化铝烧结体的原料。得到的α-氧化铝烧结体适宜作为需要高强度的构件，例如切削工具、生物陶瓷、低电阻互连图(routing pattern)陶瓷(例如，在其上具有铜图案(patter)的氧化铝陶瓷)和防弹板。α-氧化铝烧结体由于化学稳定性例如优异的耐腐蚀性而被用作制备半导体设备的部件，例如晶片装卸器；电子部件例如氧传感器；半透明管例如钠灯和金属卤化物灯；或陶瓷过滤器。陶瓷过滤器用于去除包含在废气中的固体组分，用于过滤铝熔体，过滤饮料例如啤酒，或选择性渗透石油加工产生的气体或CO、CO2、N2、O2、H2气体。α-氧化铝粉末可以用作陶瓷如导热性陶瓷(例如，AlN)、YAG和荧光体用的烧结剂。
此外，α-氧化铝粉末可以用作调色剂或树脂填料的添加剂，通过将其加入至应用类型的磁介质的涂布层中，以改善磁头清洁性能和耐摩擦性。此外，α-氧化铝粉末还可以用作化妆品或刹车垫片的添加剂。
此外，α-氧化铝粉末可以用作抛光材料。例如，通过在介质例如水中分散α-氧化铝粉末得到的浆料可以适用于半导体CMP的抛光和硬盘基材的抛光。通过在带的表面上涂布α-氧化铝粒子得到的抛光带适用于硬盘和磁头精确抛光。
【具体实施方式】
实施例
本发明通过下面的实施例来更详细地描述，所述的实施例不应当解释为对本发明范围的限制。
评估α-氧化铝和晶种的性能如下。
(1)α-比率
它通过使用在2θ＝25.6°的峰强度I25.6和在2θ＝46°的峰强度I46，根据下式(i)计算，所述的峰强度I25.6对应于α-氧化铝(012)的峰强度，且所述的峰强度I46对应于除α-氧化铝外的氧化铝的峰强度，所述的峰强度来自于通过使用粉末X-射线衍射仪在下面的条件测量的衍射光谱：辐射源：CuKα光束，40kV×20mA，单色仪：石墨，
α-比率＝I25.6/(I25.6+I46)×100(％) (i)
(2)BET比表面积
它通过使用比表面积分析仪(商品名“FLOWSORB II 2300”，由SHTMADZU CORPORATION制备)，采用氮吸附法来测量。
(3)初级粒子平均直径
由α-氧化铝粉末的透射电子显微镜相片，测量沿着任何20颗或以上的粒子的每一颗初级粒子的恒定方向的最大直径，并且计算测量值的平均值。
(4)粉碎度
通过X-射线衍射计测量粉碎前后晶种(α-氧化铝)的XRD光谱。由XRD光谱得到相(116)的半宽度，即HO(116)(前)和H(116)(后)，接着通过等式(ii)计算：
粉碎度＝H(116)/HO(116) (ii)
实施例1
[金属化合物(α-氧化铝)的制备]
通过水解异丙醇铝得到氢氧化铝，接着预煅烧，得到过渡型氧化铝，其中主要晶相为θ相且含有3重量％的α相；通过喷射磨机粉碎过渡型氧化铝，得到堆积密度为0.21g/cm3的粉末。
在下面的条件下，通过充满露点为-15℃的空气(水蒸汽的分压：165Pa)的炉子煅烧得到的粉末：
方式：连续进料和卸料，
平均保留时间：3小时，
最高温度：1170℃，
然后，得到半宽度为HO(116)和BET比表面积为14m3/g的α-氧化铝。
[α-氧化铝的粉碎]
将100重量份的α-氧化铝和1重量份作为粉碎剂的丙二醇装入振动磨机中，在下面的条件下粉碎α-氧化铝粉末：
介质：直径为15mm的氧化铝珠粒
保留时间：12小时，
因而，得到半宽度为H(116)、BET比表面积为16.6m3/g和平均粒子直径为0.1μm的晶种。在该实施例中，H(116)/HO(116)的粉碎度为1.1。
[晶种浆料的制备]
在80重量份的0.0001摩尔/L硝酸铝水溶液中，分散20重量份的晶种，得到浆料。将浆料和直径为2mm的氧化铝珠粒装入球磨机中，然后搅拌。取出球磨机中的内容物，通过过滤去除氧化铝珠，于是得到晶种浆料。
[晶种和铝盐的混和]
将375.13g(1摩尔)的九水合硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)(由Kansai CatalystCo.，Ltd.制备，试剂级，外观：粉末)溶解于水中，得到1000cm3硝酸铝溶液。用2.83g上述晶种(按Al2O3计0.566g)加入100cm3硝酸铝溶液，以得到混合物。然后，通过使用减压干燥机在75℃的条件下从混合物中蒸发水，得到粉末。对于每100重量份的粉末，晶种的量按Al2O3计为10重量份。
[煅烧]
将2.8g的粉末装入氧化铝坩锅中，在25℃下将氧化铝坩锅放置入箱式电炉中。在空气中，以300℃/小时的升温速度加热粉末至850℃，接着在950℃煅烧3小时，得到α-氧化铝粉末。α-氧化铝粉末的α-比率为95％，比表面积为15.9m2/g和初级粒子平均直径为96nm。