改进有机溶剂驱水干燥法制备超细α-Al2O3.pdf

第6 0 卷第2 勰 2008 年5 月 有色金属 N O n f e r r o i sM e a l s V o f ．6 0 ．N o ．2 M a y 2 00 8 改进有机溶剂驱水干燥法制备超细及一A 1 2 0 3 肖 劲，万烨，邓．华，李勐，刘业翔 中南大学冶金科学与工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要采用改进的有机溶剂驱水干燥法对液相沉淀法制备的含水碱式碳酸铝铵进行驱水干燥。结果表明，采用该干燥方 法既可以有效地去除前驱物中的水分和改善干燠前驱物的分散性，还可以简化操作流程和设备。煅烧产物经扫描电镜以及X 射 线衍射等检测分析表明，与普通的共沸蒸馏驱水法相比，采用改进的有机溶剂驱水干燥法所得前驱物在煅烧过程中还可以降低t _ ．a d 2 0 3 的转晶温度和有效地防止粉体的硬团聚。 关键词无机非金属材料；超细氧化铝；改进有机溶剂驱水法；干燥；分散 中图分类号- T Q l 3 3 ．1 ；T F 8 0 3 ．2 4 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 2 0 0 6 2 0 3 超细氧化铝具有高的表面活性、高的光吸收性 能以及耐磨、耐高温、耐腐蚀等优越性能，是一种极 为重要的结构及功能陶瓷材料，在光、电、医疗和信 息等领域有着广泛的应用【1 - 3 ] 。为了获得良好的 成型和烧结性能，要求氧化铝粉末具有纯度高、超 细、粒度分布窄、形貌规则等特点。 到目前为止，超细a 一～，O ，的制备方法众 多【4 - 9 J ，大致可以分为固相法、气相法、液相法三大 类。固相法虽操作简单，但是能耗大，生成颗粒的粒 径难以控制，且粉末的收集很困难。气相法虽然可 以制备无团聚、粒径分布窄的粉体，但是设备投资 大，操作复杂，且同样存在收集困难的缺点。液相法 操作简单，能得到性能优越的粉末，因此液相法的应 用更加广泛。在诸多的液相法中，沉淀法多采用无 机原料，制备出超细a ．～2 0 3 具有平均粒径好，粒度 分布窄j 纯度高的特点。同时由于沉淀法具有成本 低，设备简单，制备工艺影响因素可控等优点，因此 成为研究最多和最有希望的方法【3 - 1 1 I 。然而，沉淀 法也存在各种工艺条件影响复杂、容易导致产物团 聚等缺点。其中干燥工艺对粉体的性能有显著的影 响，如果干燥脱水方法选择不当，就会出现超细氧化 铝颗粒团聚问题，这将对其使用性能产生不利影响。 因此如何保证超细氧化铝颗粒在干燥过程中保持高 收稿日期2 0 0 6 一0 4 2 0 作者简介肖劲 1 9 6 7 一 ，男，长沙市人，教授，博士后，主要从事 有色金属冶金、超细材料、功能电极材料等方面研究； 刘业翔 1 9 3 0 一 ，男，武汉市人，教授。中国工程院院士， 主要从事有色金属冶金、工业电化学、材料冶金、热能工 程等方面的研究。 度分散，是超细氧化铝粉体制备关键技术之一【1 2 】。 在传统的共沸蒸馏驱水干燥的基础上，采用改 进的有机溶剂驱水干燥法对制备的含水前驱物进行 脱水处理，实验室研究表明，该方法操作简单，干燥 效果良好，并且有助于前驱物向口一鸽0 3 转型过程 中的煅烧温度的降低。 1实验方法 1 ．1 样品制备 将0 ．1 t o o l 的她 S 0 4 3 1 8 H 2 0 分析纯 配置 成0 ．3 m o l ／L 的溶液，加入一定量的P E G 6 0 0 作为分 散剂。将0 ．4 t o o l 的 N H 4 2 C 0 3 分析纯 配制成 2 ．0 t o o l ／L 的溶液，加入一定量的P E G l 0 0 0 作为分 散剂。将两种溶液均置于恒温水浴预热到5 5 ℃。 采用自制的带高速搅拌的反应器，在高速搅拌 1 4 0 0 r ／m i n 下，将A 1 2 S 0 4 3 溶液加入到 N H 4 2 C 0 3 溶液里面，控制p H 值为8 ～1 0 ，反应结 束后将体系陈化1 h ，洗涤过滤 重复3 次 后，将滤 饼分成3 份，第1 份 编号为A 于8 0 ℃普通干燥 2 4 h 再研磨，第2 份 编号为B 采用正丁醇共沸蒸 馏，于8 0 ℃真空干燥1 2 h 再研磨，第3 份 编号为C 先用正丁醇共沸蒸馏驱水，待醇料混合物的温度上 升至1 1 7 ℃并持续0 ．5 h 后，往醇料混合物中加入一 种固体复合分散剂，充分混合均匀后过滤，将滤饼置 于8 0 ℃普通干燥箱中干燥1 2 h 后，再解散。将三种 前驱物在1 1 0 0 ℃煅烧2 h 即得氧化铝超细粉。 1 ．2 样品表征 采用R i g a k uD ／m a x 2 5 5 0 V B 1 8 k W 转靶X 衍 射仪确定前驱物以及煅烧产物物相构成，采用J S M 万方数据 第2 籁旁 劲等改进有机涤荆驱求于燥法镪备超缎a ．A 1 2 0 3 6 3 5 6 0 0 L V 扫描电镜观测煅烧产物的形貌以及分散 情嚣，采孀餐麓摈击 振实 密凌滋试仪测定蓠驱物 的振实密度。 2 试验结果与讨论 2 ．1 前驱物认证与特征分析 图1 为纯前驱物 样晶A 的X R D 图谱，将图1 的特征峰对照标准卡片可黧，采蘑上述工艺条释镧 备的前驱物为纯碱式碳酸铝铵N H 4 A 1 O H 2 C 0 3 ， 惠此推测，当原料A 1 2 S 0 4 3 和 N 强 2 C 0 3 的摩尔 院力1 4 时，反应瓣孛发生反应鸡 S 0 4 3 4 N H 4 2 C 0 3 2 H 2 0 2 N I - h A l O H 2 C 0 3 3 N I - h 2 S 瓯 2 C 0 2 。 ； 、 毯 毯 2 0 ／” 。‘ 圈薹前驱物鳇X R D F i g ．1X R Do fp r e c u r s o r 表l 先反应沉淀物经不同干燥方式所褥前驱物 戆部分性麓。从表l 可知，采用普通手燎方式所得 前驱物有结块现象，需要进一涉研磨才能煅烧。采 用传统的共沸蒸馏方式所得含有机溶剂的醇料混合 物在去除蠢视物的过程孛，如暴不采取加篷干燥，蕊 仅采取普通或真空干燥的方式，同样会造成颗粒的 结块，需要研磨，所得前驱物疏松性能较差，表现在 振实密度较高。采灞改进薛骞视溶赉j 驱承干燥法必 需往醇料混合物中加入一种固体复合分散剂，然后 进行普透干燥，所褥前驱体与瞩体复合分散粼只是 缀轻徽的结块，藕微藤散就可以褥蜀菲常疏松豹前 驱体，该前驱体中包食的固体复合分散剂将在煅烧 羹圣完全去除，不会影响产品的纯度。 表l 不同干蝶方式所褥产品豹部分性能 T a b l e1 P r o p e r t i e so fp r o d u c t sp r e p a r e db y d i f f e r e n td r y i n gm e t h o d 2 ．2 簸烧产麓分拆， 图2 为3 种样懿在1 1 0 0 ℃下煅烧2 h 得到产物 的X R D 图谱，圈3 为三种煅烧产物的S E M 图。从 霉2 可敬看出，采震普通干澡褥蓟的莪驱物予 1 1 0 0 ℃下煅烧2 h 得到产物结构为a 。她0 3 中禽有 大量的杂相口．烈2 0 3 ，见图2 A 。且从图3 a 可以看 窭，警通于澡处理翡翦驱物煅烧之震得蓟祷氧纯铝 颗粒较粗大，且颗粒相互联结在一起，烧结颈明显。 发生了明显的硬团聚。究其原因，普邋于燥过程中， 毒子颗粒孛的微诧产生静琵纲牧缩作用稻鬏粒表面 的羟基氢键作用均会造成干燥结束詹形成的颗粒聚 集体，这种聚集体最终表现在煅烧硬豳聚体的形成， 这种硬霾聚俸会产生两个后果，一是在较低静灏度 1 1 0 0 ℃ 下晶相转化不能彻底，二是形成大的煅烧 颗粒，煅烧产物具有暖显的烧结颈。 k ～ 躲 骥 ●一．- A 1 2 0 3 ；◆一0 - A 1 2 0 3 ；A 一警邋于缣； B 一正丁群筵沸蒸馏；C 一濂加固体夏台分散剂 阁2 不同平燥方式下的样品在1 1 0 0 “ C 下 矮烧2 h 矫褥产物的X R D F i g ．2X R Do fs a m p l ec a l c i n e da t1 1 0 0 Y 3f o r2 h 采用正丁醇共沸蒸馏得到的前骣物，于1 1 0 0 ℃ 下煅烧2 h 着褥剃麓产物结构隽盛。她0 3 孛含有部 分杂相8 ．灿2 0 3 ，见图2 B ，但是其中盘。A 1 2 0 3 相禽量 较普通干燥要多。而往正T 醇共沸产物中添加圆体 复合分散帮进行普通子燥褥鹫戆蓠驱物，予1 1 0 0 ℃ 下煅烧2 h 后所得产物的X R D 图谱与纯口．A 1 2 0 3 的 标准特征峰糨眈爿 常接近，表明该产物具有良好的 口一鬣，饶相结椽，见图2 C 。 共沸蒸馏魁使前驱物颗粒中的水分以醇．水共 沸物的形式脱除，从薅防业粉体硬豳聚的形成。正 丁酵驽承在9 3 ℃形成的共沸粝孛承的含量选甍 4 4 。5 ％，冷凝后下层的富水相组成中水的含量达到 9 2 。3 ％，能有效地将沉淀中的永脱出，因此颗粒闯鳇 柽互接近和形成化学键的褥能性冗警被消除。脱掉 水分的前驱物表面包覆着一层一O Q 隅基团，这种 有枧基霾在煅烧熬过程中凌于要燃烧撵发，有霹能 促进煅烧产物豹凝型转变，但是转变的作用有限，觅 万方数据 有色众属筹6 0 卷 图2 B 。此外，由于前驱物经过了研磨过程，鼯致煅 烧产物中颗粒大小不均，部分地方有严重的豳聚现 象，冤鋈3 b 。 添加固体复合分散荆不仅能慰著改善前驱体的 分散性，而且在煅烧过稷中能降低口．烈2 0 3 的转晶 瀑凌纛酶止煅烧过程中的颞粒匿聚。原匿之～在子 该固体复合分散剂禽有促进A 1 2 0 3 相变的晶体转型 促进物质，能使a ．A 1 2 0 3 在较低的温度下 1 1 0 0 ℃ 完残暴型转变，冕溪2 C 。其次，该露薅复合分散铡 在高温下挥发，并产生大量气体，气体的不断溢出对 煅烧粉体脊一种强烈的蠕动作用，改善了煅烧粉体 豹分散性，见图3 c 。 、 ． a 一骜逮予爆；b - 正丁黪共瓣驱求予爆；c ～改进驰蠢矾落剂驱水予嫖 囤3 不霹干壕方式所褥前驱物煅烧产物的S E M 圈 F i g ．3 S E Mo fc a l c i n e dp r o d u c tp r e p a r e db yd i f f e r e n tc o n d i t i o n 。。，。 法麓使褥所铡备的麓驱物在无需加压于燥的前提下 。 一～ ⋯ 具有良好的分散径麓。采用改进的有机溶剂驱承予 采用液楣沉淀法制备了结构完整的前驱物 燥法能有效降低口．舢2 0 3 的晶溅转变温度。前驱物 N 心趟 0 H 2 c 0 3 。采用改进约有槐溶剂驱永干燥予1 1 0 0 ℃煅烧2 h 熊褥翻纯楣露．捣。3 。 参考文献 [ 1 ] 霍彩霞，何蕊君．以尿索为沉淀剂制备超缅7 ．剐0 3 粉体[ J ] ．甘肃联合火学学报 自然科学版 ，2 0 0 4 ，1 8 4 4 5 4 7 ． 【2 】簸蜂，浣悦，豫怒，等，分数翔聚合度对趣缨氧化镪粉俸特性的影噙[ j3 。凌簸糖辩，2 0 0 5 ，3 6 2 3 1 8 3 2 0 。 【3 】麓雅婿，李毒喜，王子镐．怒声渡．纯学况淀法裂备超缨氧纯韬粒子[ j 】。北京仡工大学学报，2 0 0 2 ，2 9 4 8 ～1 1 ． [ 4 ] 李慧韫，张哭胜，杨南．纳米氧化铝的制备方法及应用[ J ] ．天津轻工业学院学报，2 0 0 3 ，1 8 4 3 4 3 7 ． [ 5 ] 谢冰，章少华．纳米裁化铝的制锯及应用[ J ] ．江西化工，2 0 0 4 ， 1 2 1 2 5 ． 【6 】敬簌玲，袁售。续寒裁纯锯戆裁餐与痉爨送溪C l 】。溪襄纯王，2 0 0 2 ， 3 l 一4 ，9 ． [ 7 ] 糟海红，焦淑红，杨缎麓，等．缡米氧化铝的制铬及应用e J j ．中匿粉体技术，2 0 0 2 ，8 6 3 7 3 9 ． 【8 ] 张永刚，同裴．纳米氯化铝的制餐及应用[ J ] ．无机盐工蛾，2 0 0 1 ，3 3 3 1 9 2 2 ． [ 9 ] 是志鸿．纳米氧化铝的制备及其在催化领域的应用[ J ] 。工业催化，2 0 0 4 ，1 2 2 3 5 ～3 9 ． 【l e 】彭天舂，数擎武，麓斌，等．莛沸蒸锾法裂冬怒绥氧纯镪狳薅及萁表鬣【j 3 。元撬耱辫学攘，2 0 0 0 ，1 5 6 1 0 9 7 ～1 1 0 1 ． [ 1 1 ] 沈志髓，陈建蜂，刘澜静，等．无桃纳米粉体制造技术的现状及展望[ J ] ．元机盐王娩，2 0 0 2 ，3 4 3 1 8 2 1 ． [ 1 2 ] 王宝和．纳米材料干燥技术的研究和发展[ J ] ．通用机械，2 0 0 4 ， 1 2 1 2 一1 3 ，7 2 ～7 3 ． P r e p a r a t i o no fU l t r a f i n eg A I z 0 3U s i n gI m p r o v e dO r g a n i c S o l v e n t 。d r i v e - w a t e rM e t h o d X I A O J i n ，W A NY e ，D E N GH u a ，L 1 J i e - L I UY e - x i a n g C o l l e g eo fM e t a l l u r g i c a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 10 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea m m o n i u ma l u m i n u mc a r b o n a t eh y d r o x i d e A A C H i sd e a l tw i t hi m p r o v e do r g a n i cs o l v e n t ．d r i v e ．w a t e r m e t h o d 。T h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sd r y i n gm e t h o dc o u l dn o to n l ye f f e c t i v e l yd r i v et h ew a t e rf r o mt h ep r e c u r s o r a n dm a r k e d l yi m p r o v et h ed i s p e r s i v i t yo ft h ep r e c u r s o r ，b u ta l s os i m p l i f yt h eo p e r a t i n gp r o c e s sa n de q u i p m e n t s ． T h ep r o p e r t i e so ft h ec a l c i n e dp r o d u c ta r ec h a r a c t e r i z e db yS E Ma n dX R Dm e a s u r e m e n t s ，c o m p a r e dw i t ht h eo r ． d i n a r ya z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o nd r i v ew a t e rm e t h o d ，t h ed r y i n gp r o c e s so ft h ep r e c u r s o rb yu s i n gi m p r o v e do r g a n i c s o l v e n t d r i v e w a t e rm e t h o dn o to n l yd e c r e a s e st h ep h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo f 口一A 1 2 嚼i nt h ep r o c e s so fc a t c i - n a t i o n ，b u ta l s oe f f e c t i v e l yp r e v e n t st h ep o w d e rf r o mf o r m i n ga g g r e g a t i o n ． K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n m e t a lm a t e r i a l ；u l t r a f i n ea l u m i n a ；i m p r o v e do r g a n i cs o l v e n t d r i v e ．w a t e rm e t h o d ； ’d r y i n g ；d i s p e r s i o n 、 ’ 万方数据