高温固相法制备片状氧化铝及表征*

赵燕禹，胡兴兰，张志鸿，商连弟

（1.天津职业大学生物与环境工程学院，天津300410；2.中海油天津化工研究设计院）

工业技术

高温固相法制备片状氧化铝及表征*

赵燕禹1，胡兴兰1，张志鸿1，商连弟2

（1.天津职业大学生物与环境工程学院，天津300410；2.中海油天津化工研究设计院）

利用高温固相法以不同粒度的氢氧化铝为原料制备片状α-氧化铝。通过激光粒度分析仪、扫描电子显微镜及X射线衍射仪对产品进行了表征，得出了最佳制备工艺条件。结果表明，在最佳制备条件下制备的片状α-氧化铝粒度在20 μm左右，径厚比为（5～8）∶1，大多为六角形片状。并首次提出了利用吸附-脱附等温线的重叠程度来表征片状氧化铝，可在片状氧化铝制备中应用。

片状氧化铝；高温固相法；吸附-脱附等温线

20世纪中期，美国铝业公司（ALCOA）首先研制开发出了片状氧化铝。20世纪70年代日本引进了该技术开始生产片状氧化铝。20世纪90年代以后，中国山东等地也开始研发片状氧化铝。虽然现在国内越来越多的研究人员从事片状氧化铝产品的开发研究，但产品质量跟国际水平仍有差距。片状α-氧化铝粉体不仅具有普通氧化铝的熔点高、硬度大、耐磨性好、耐腐蚀、抗氧化等性能，而且由于其特有的二维片状形貌 （厚度尺寸可达到纳米级，在径向方向尺寸为微米级）而表现出较强的附着力、反射光线能力和屏蔽效应，作为填料、颜料、增韧剂、耐火材料而用于化妆品、汽车面漆、陶瓷和抛光等领域［1-4］。例如：利用氧化铝热导率高的性质使其作为填料用于聚合物-陶瓷复合材料制备电子元件，可大大延长使用寿命［5-6］。在陶瓷基体中加入一定量的片状氧化铝，增加裂纹偏转和桥联作用，明显提高陶瓷的抗折强度和断裂韧性［7］。以片状氧化铝为基体，表面包覆高折射率金属氧化物薄膜（如，二氧化钛）制备出的珠光颜料具有极好的珠光效应、明亮的色泽和很好的化学稳定性，大大提高了珠光颜料的性能［8］。由于片状氧化铝有广泛用途，其制备方法已成为片状氧化铝的研究热点。目前制备片状氧化铝的方法有多种，主要有高温烧结法、水热法、熔盐法等。其中高温烧结法是将氧化铝在较高温度下烧结制备出片状氧化铝，通过加入助剂降低烧结温度，促进片状氧化铝各向异性生长。水热法需要在高温高压的密闭系统内进行，对设备要求高，反应周期长。熔盐法制备片状α-氧化铝粉体可以在较低温度下进行，反应时间较短，形貌可控，但有些熔盐具有毒性，而且面临如何提高掺杂均匀性等问题［3］。笔者通过高温固相法制备了片状α-氧化铝并对产物进行了表征。

1 实验部分

1.1 药品

氢氧化铝（粒径分别为<1 μm、<2 μm、<8 μm），PEG表面活性剂，氟化铝，晶籽（自制）。

1.2 仪器

托盘天平，研钵，瓷蒸发皿，瓷坩埚，烘箱，硅钼棒电炉，XL-30型场发射环境扫描电子显微镜，ASAP2010快速比表面积测定仪，D/max 2500型X射线衍射仪，Mastersizer 2000型激光粒度仪。

1.3 实验工艺流程

称取一定质量的 Al（OH）3放入研钵中，加适量PEG表面活性剂和水，研磨直至均匀，制得研磨混料1，在110℃左右烘干，经 650℃灼烧，灼烧后样品再次放入研钵中，加适量自制晶籽、氟化铝和水，继续研磨一段时间制得研磨混料 2，然后再次烘干，最后移至硅钼棒电炉中煅烧，得到片状 α-Al2O3。

1.4 条件实验

在条件实验中，用不同粒度的Al（OH）3为原料进行了实验，在研磨混料1中考察了PEG和水加入量因素；在研磨混料2中，进行了晶籽加入量、氟化铝加入量、煅烧温度及煅烧时间实验等。条件实验后，将测定片状α-Al2O3主要技术指标——粒子大小的数据列于表1。

表1 片状α-氧化铝条件实验及结果

1.5 样品的表征

1.5.1 片状α-氧化铝吸附、脱附曲线的测定

用快速比表面积测定仪对5号样品进行了吸附-脱附曲线的测定，测定结果见图1。

图1 片状α-Al2O3吸附、脱附曲线

1.5.2 扫描电镜测定

采用场发射环境扫描电子显微镜对5号样品的微观粒子外形进行了测定，测定结果见图2。从图2可以看出，片状α-氧化铝粒子径厚比为（5～8）∶1，形貌多为六角形片状。

1.5.3 片状α-氧化铝结晶晶相的测定

图2 片状α-Al2O3扫描电镜照片

对5号样品用X射线衍射仪进行晶相的测定，测定结果见图3。从图3可看出，在衍射角2θ为25.57、35.12、43.35、57.49°处附近出现了 α-氧化铝所特有的典型特征衍射峰，峰位置与衍射强度都同JCPDS标准卡片（10-0173）中α-氧化铝的衍射峰相一致，谱图中没有出现其他杂质相的衍射峰。

图3 片状α-Al2O3X射线衍射图

1.5.4 片状α-氧化铝颗粒大小及分布的测定

采用激光粒度仪对5号片状α-氧化铝样品粒子大小及分布进行了测定，测定结果见图4。从图4看，粒度分布范围主要集中在20 μm左右。

图4 片状α-Al2O3颗粒大小及分布

2 结果及讨论

2.1 片状α-Al2O3制备结果及讨论

从表1中1号样品可知，采用粒径较大的氢氧化铝（<8 μm）为原料所制备的片状α-Al2O3样品粒度较大，因此宜选用粒径较小的氢氧化铝（<2 μm）为原料。通过对3号与4号样品对比，看出研磨混料1中加入的水量对样品影响不大，但水量较大时不利于生产。2号与 3号、4号样品对比结果表明，通过加大晶籽加入量来增加研磨混料2中的晶籽个数，并缩短煅烧时间，可制得粒度更小的片状α-Al2O3。

参考表1中4号样品的制备条件，并以3倍的Al(OH)3质量重复实验，得到5号样品。所得样品粒度检验结果为平均粒度为20 μm左右、径厚比为（5～8）∶1的六角片状α-Al2O3。确定5号样品的制备条件为最佳制备条件。

2.2 片状α-Al2O3表征及讨论

在片状α-Al2O3的制备过程中，每一个实验完成之后，都先用快速比表面积测定仪进行检测，从检测的吸附-脱附曲线的重叠程度可以判断所制备片状α-Al2O3的结构及外形。如果吸附-脱附曲线有较大的滞后环，显示制备的片状α-Al2O3样品质量差；如果两条曲线几乎全部重叠，表示制备的样品几乎都是片状α-Al2O3。这是因为没有（或极少）小颗粒，未堆积形成小孔，随测定氮气的分压降低，氮分子在片状α-Al2O3上脱附很快，不形成滞后环。这样，就可以利用氮吸附-脱附曲线形成滞后环的形状和大小，鉴别实验中所制备片状α-Al2O3的结构和形态。

3 结论

研究了高温固相法片状α-Al2O3的制备及表征，确定了5号样品的制备条件为最佳制备条件。实验选用两次研磨混料的方法，第一次研磨混料中，加入150 g粒径<2 μm的Al(OH)3原料，加入表面活性剂PEG及适量的蒸馏水，研磨均匀，放入烘箱中，于110℃烘干，在650℃灼烧。灼烧后的氧化铝细粉，再加入晶籽及氟化铝和适量蒸馏水，二次研磨混料，干燥，在1 200℃煅烧1 h，可获得粒度在20 μm左右、径厚比为（5～8）∶1的六角形片状α-氧化铝。

［1］ 黎少华，袁方利，胡鹏，等.固相法制备片状α-Al2O3粉体及影响因素的研究［J］.中国稀土学报，2006，24：310-312.

［2］ 马小玲.片状氧化铝应用与制备研究［J］.山东陶瓷，2011（6）：18-21.

［3］ 张倩影，朱丽慧，刘伟，等.添加剂在熔盐法合成片状α-Al2O3中的作用［J］.材料研究学报，2008，22（2）：205-208.

［4］ 周静静.熔盐法合成片状氧化铝研究现状及片状氧化铝应用［J］.辽宁化工，2010，39（3）：295-299.

［5］ Bigg D M.Thermally conductive polymer compositions［J］.Polymer Composites，1986，7（3）：125-140.

［6］ Hill R F，Supancic P H.Thermal conductivity of platelet-filled polymer composites［J］.Journal of the American Ceramic Society，2002，85（4）：851-857.

［7］ Yoshizawa Y，Toriyama M，Kanzaki S.Preparation of high fracture toughness alumina sintered bodies from bayer aluminum hydroxide［J］.J.Ceramic Soc.Japan，1998，106（1240）：1172-1177.

［8］ Cramer W R，Gabel P W.Measuring special effects［J］.European Coatings Journal，2001（7）：34-39.

Preparation and characterization of flaky alumina by high temperature solid phase method

Zhao Yanyu1，Hu Xinglan1，Zhang Zhihong1，Shang Liandi2
（1.School of Biology and Environment Engineering，Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300410，China；2.CNOOC Tianjin Chemical Research&Design Institute）

The flaky α-alumina is prepared by high-temperature solid phase method using aluminum hydroxide with different particle sizes as raw material.The products were characterized by laser particle size analyzer，scanning electron microscopy，and X-ray diffraction，and the optimum preparation conditions were determined.Result showed that flaky α-alumina under the optimum preparation conditions had the particle size about 20 μm，diameter to thickness ratio of（5～8）∶1，and most of hexagonal flakes.And the degree of overlap of adsorption-desorption isotherms to characterize flaky alumina was first used in its preparation.

flaky alumina；high-temperature solid phase method；adsorption-desorption isotherms

TQ133.1

A

1006-4990（2014）04-0046-03

2013-11-05

赵燕禹（1968— ），男，硕士，副教授，主要从事化工专业教学和科研工作，已发表论文 10余篇，申请专利10项，授权2项。

天津职业大学科学研究基金项目（20131101）。

联系方式：15302168198@163.com