一种单分散纳米Α－氧化铝颗粒粉体的制备方法.pdf

本发明公开一单分散无团聚α－氧化铝颗粒粉体制备方法。本发明的方法是在铝盐溶液中加入水溶性盐的辅助隔离相，再在体系中加入α－氧化铝晶种及亲水性表面活性剂，搅拌使亲水性表面活性剂充分溶解后再在反应液体中缓慢滴入碱的水溶液，反应完成后对反应体系进行均质化处理，在干燥后进行研磨混合，将经研磨的粉末在950～1100℃煅烧，即得到10～30nm单分散α－氧化铝纳米颗粒粉体。

1、  一种单分散纳米α-氧化铝颗粒粉体的制备方法，将无机铝盐水溶液中滴入碱的水溶液液进行反应，反应完成后进行干燥处理，将所得固体进行煅烧，再将经煅烧处理后的固体进行清洗，得到单分散的纳米α-氧化铝，其特征是铝盐溶液中铝离子的摩尔浓度为0.005～0.1mol/l，在铝盐水溶液中加入水溶性盐的辅助隔离相，水溶性盐与铝盐的摩尔比为10≤m≤80，经搅拌使辅助隔离相在铝盐溶液中充分溶解，再在体系中按0.5～1.0g/100ml(铝盐溶液)加入亲水性表面活性剂，搅拌使亲水性表面活性剂充分溶解后再在反应液体中缓慢滴入碱的水溶液，使体系的最终pH值为8.5～10，对反应体系进行均质化处理，进行再进行干燥处理，对所得粉末再进行研磨混合，将经粉淹没后的粉末在950～1100℃进行煅烧，得到单分散α-氧化铝的纳米颗粒。

2、  根据权利要求1所述的单分散纳米α-氧化铝颗粒粉体的制备方法，其特征是在辅助隔离分散相充分溶解后再在反应体系中加入α-Al₂O₃晶种，所加入的晶种量为铝盐物质的量的1～3％。

3、  根据权利要求2所述的单分散纳米α-氧化铝颗粒粉体的制备方法，其特征在于反应体系中铝离子的摩尔浓度为0.01～0.05mol/l，加入的水溶性盐与铝盐的摩尔比为20～60，所加入的晶种量为无机铝盐分子量的1.5～2.5％，所加入的表面活性剂为PEG200与PEG1000以任意比例的组合的混合物。

4、  根据权利要求1至3所述的单分散纳米α-氧化铝颗粒粉体的制备方法，其特征在于所用的铝盐为Al(NO₃)₃，所加入的水溶性盐为氯化钠或氯化钾，所用的碱水溶液为氨水，反应体系最终的pH值为9。

一种单分散纳米α-氧化铝颗粒粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷、催化剂、电子工业、涂层材料、生物医学及光学材料等领域应用的单分散无团聚纳米α-氧化铝颗粒粉体的制备方法。
背景技术
单分散无团聚的纳米α-氧化铝颗粒粉体是制备高致密度、细晶粒纳米α-氧化铝陶瓷的必不可少的原料。由于纳米α-氧化铝独特的化学稳定性及热、电、光学性能，在很多领域具有重要的应用价值。α-氧化铝是氧化铝热力学最稳定的结构，一般是采用氢氧化铝或过渡相氧化铝经过1100℃以上的高温煅烧制得，但在高温煅烧时不可避免地会产生硬团聚。目前，α-氧化铝的制备多采用化学气相沉积、液相溶胶-凝胶法、化学沉淀法及固相燃烧分解法等工艺。其中化学气相沉积可精确控制反应条件，在不同操作条件下得到不同粒度和形貌、分散较好的纳米粉体，但成本高、产率低、难以实现工业规模化生产。溶胶-凝胶法可制得高纯超细粉体，但原料价格高、有机溶剂有毒及高温处理时会形成硬团聚。固相法易于工业化生产，但热解过程易造成粉体的硬团聚。目前常用的化学沉淀制备法，其工艺简单、成本低、适合工业化生产，但却存在严重的硬团聚问题。
中国发明专利申请200310114455.8公开一种无团聚纳米α-Al₂O₃粉体的制备方法，它是将纳米炭黑充分分散在浓度为0.5～3.0mol/L的无机铝盐溶液中，然后在具有湍动作用的反应场中，缓慢加入一定浓度的碱液，控制最终反应液的pH值在5.0～8.0，反应完毕后沉化7～12小时，然后进行过滤、洗涤，滤饼在1000～1200℃的惰性气体炉罐中处理1～3小时，在600～800℃的空气炉罐中煅烧至表面包覆物除尽，得到不需碾磨即为30～60nm、分布均匀、无团聚的α-Al₂O₃粉体。这一专利由于是采用不能溶解的纳米炭黑为分散剂，因此要保证其作用效果，在制备过程中对炭黑在反应溶液中的分散要求就特别高。另一方面这一技术的制备成本也将较高。
发明内容
本发明提供一种可以克服现有技术不足，由以较低成本和较为简单的工艺得到单分散纳米α-氧化铝颗粒粉体材料的方法。
本发明的方法是在铝离子摩尔浓度为0.005～0.1mol/l铝盐溶液中加入水溶性盐的辅助隔离相，水溶性盐与铝盐的摩尔比为10≤m≤80，经搅拌使辅助隔离相在铝盐溶液中充分溶解，再在体系中按0.5～1.0g/100ml(铝盐溶液)加入亲水性表面活性剂，搅拌使亲水性表面活性剂充分溶解后再在反应液体中缓慢滴入碱的水溶液，使体系的最终pH值为8.5～10，反应完成后对反应体系进行均质化处理，再进行干燥处理，对所得粉末再进行研磨混合，将经研磨混合后的粉末在950～1100℃进行煅烧，得到单分散无团聚10～30nm的α-氧化铝纳米颗粒粉体。
本发明的方法的概念是为了避免在煅烧过程中氧化铝从过渡相转化为α-Al₂O₃相时形成硬团聚，在煅烧时氧化铝从过渡相转化为α相的过程中，利用水溶性盐的辅助隔离相将氧化铝纳米颗粒相互隔离开，从而避免了Al₂O₃纳米颗粒在煅烧时发生热聚或形成烧结颈而引起的硬团聚问题，保证了所获得α-Al₂O₃的无团聚单分散性。
本发明中，如在辅助隔离分散相充分溶解后在反应体系中再加入其物质的量为铝盐物质的量的1～3％的α-Al₂O₃晶种。α-Al₂O₃晶种提供成核点，降低了过渡态氧化铝到α-Al₂O₃的转化势垒，从而降低α-Al₂O₃的形成温度。
本发明的方法最佳控制范围是：反应体系中铝离子的摩尔浓度为0.01～0.05mol/l，加入的水溶性盐与铝盐的摩尔比为20～60，所加入的晶种物质的量为无机铝盐物质的量的1.5～2.5％，而所加入的表面活性剂可以是PEG200与PEG100(聚乙二醇，Polyethylene Glycol，HO(CH₂CH₂O)_nH)以任意比例的组合形成的混合物。本发明所使用的铝盐最好为Al(NO₃)₃，所加入的水溶性盐为氯化钠或氯化钾，所用的碱水溶液为氨水，反应体系最终的pH值为9。
试验表明本发明的方法中所采用的辅助隔离相与氧化铝的物质的量的比是必要条件，因为掺入的辅助隔离相太少起不到很好的隔离效果，以至于不能得到单分散的α-氧化铝纳米粉；掺入的辅助隔离相太多在高温时会发生严重的两相分离，相分离会引起部分纳米颗粒的粗化，以致使产物粒度不均匀。另外本发明中如果铝离子浓度过大时，在沉淀过程高浓度的氢氧化铝颗粒易碰撞而引起团聚；但铝离子浓度过小将不利于批量生产。在干燥过程辅助隔离相一般更容易析出，以至辅助隔离相与氧化铝前驱体两固相不是均匀混合，所以干燥后要研磨混合使辅助隔离相与氧化铝前驱体充分均匀混合。
本发明的优点是：
(1)在化学沉淀过程中由于引入化学稳定的辅助隔离相，且因隔离相为水溶性盐，在水中很容易溶解，因此可以使得制备出的前躯体——铝的氢氧化物颗粒被辅助隔离相极好地隔离开，避免了煅烧时生成的氧化铝纳米颗粒的接触，抑制了Al₂O₃纳米颗粒在煅烧时发生热聚或形成烧结颈而引起的团聚问题，从而保证了所获得α-Al₂O₃的单分散性。
(2)而且本发明所用的辅助隔离相在反应体系中的分散程度要远远优于现有技术中采用的纳米炭黑粉末在反应体系中的分散程度，同时不需要反应时对体系进行特殊的分散处理。
(3)整个工艺过程简单，成本低，无污染，对设备没有特殊要求，能够规模化生产。
(4)整个工艺过程易于进行调节控制条件，也易于控制产物的粒度、分散性及物相。
(5)所制得纳米颗粒，呈球形，单分散，粒径分布窄
附图说明
附图1为由本发明方法制备的实施例最终产物的X衍射谱。
附图2为由本发明方法制备的实施例最终产物的选区电子衍射。
附图3为由本发明方法制备的实施例最终产物的透射电镜的形貌图。
具体实施方式
以下提供本发明的一个实施例：
1.用天平称取11.2539g的Al(NO₃)₃·9H₂O和70.128g的NaCl，将其溶入300ml去离子水中，溶液中铝离子的摩尔浓度为0.01mol/l，NaCl与Al(NO₃)₃物质的量的比值为40，不断搅拌，完全溶解后，过滤除去外来杂质；
2.向上述溶液里加入0.0765g的α-Al₂O₃晶种，用磁力搅拌器搅拌30分钟，超声波超声破碎10分钟，使α-Al₂O₃晶种均匀分散于混合液中；
3.加入表面活性剂PEG200和PEG1000各0.75g，继续搅拌至PEG完全溶解；
4.用浓氨水滴定快速搅拌的上述混合液，其滴定速率约2ml/min，混合液变混浊至乳白色，体系的最终pH值为9；
5.均质化体系：磁力搅拌、陈化；
6.干燥、研磨；
7.在1000℃煅烧5h；
8.将煅烧过的样品用去离子水离心清洗5次和无水乙醇离心清洗3次，并用AgNO₃溶液检验样品中的辅助相离子是否清洗干净。
经以上处理所得样品的X射线衍射谱，见图1，其衍射谱证实为产物α-Al₂O₃；经以上处理所得样品的选区电子衍射(SAED)参见图2，表明得到的产物是α-Al₂O₃单晶；经以上处理所得样品透射电镜(TEM)的形貌图参见图3，表明所得到为10nm单分散无团聚的α-Al₂O₃纳米颗粒。