氧化铝中化学元素测试及其在工业生产领域中的应用

宋兴存

［华北有色（三河）燕郊中心实验室有限公司，河北廊坊 065201］

1 氧化铝的性质

氧化铝（Al2O3）是一种白色粉末状固体成分，硬度高，它是氧元素和铝元素组合成的化合物，其熔点在2 000℃以上，通常用于耐火材料。在工业上，氧化铝制备主要是以矾土作为生产材料。目前，已经发现了十多种不同的氧化铝晶体，不同的晶体结构具有不同的性质和优势。此外，氧化铝是典型的两性氧化物，可以与无机酸和碱溶液产生化学反应，且基本不溶于水和非极性有机溶剂。由于氧化铝极易受潮，因此在应用过程中要保持密封干燥。我国是世界上的氧化铝生产大国，并且占比增长非常迅速。但即便如此，我国的氧化铝市场需求仍然非常巨大，氧化铝产业的发展前景非常广阔。

2 X射线荧光光谱法测定氧化铝中的化学元素

将 SiO2，Fe2O3，Na2O，K2O，CaO，TiO2，P2O5，ZnO，V2O5，Ga2O3，Cr2O311种氧化物按规定量加入高纯氧化铝制备中间标准样品，中间标准样品和纯氧化铝作为空白标准样品，制作校准曲线。按一定比例制备中间标准样品和纯氧化铝作为对照样品，控制分析过程的质量。

2.1 实验部分

2.1.1 仪器和测量条件

X射线荧光光谱仪ZSX PrimusII；电热融样机FRONT-3；振动搅拌仪YZJ-54。各元素测定条件见表1。

表1 测定氧化铝中11种杂质的分析条件

2.1.2 主要试剂

混合熔剂：四硼酸锂+偏硼酸锂+氟化锂，按45∶10∶5（质量比）的比例混合。

SiO2、Fe2O3，Na2O，K2O，CaO，TiO2，P2O5，ZnO，Cr2O3（高纯或光谱纯）：在1 100°C下烘烤2h，然后在干燥器中冷却。

Ga2O3、V2O5（光谱纯）：在600℃下烘烤2h，然后在干燥器中冷却。

Na2O3（基准试剂）：在300℃加热至少4h，然后在干燥器中冷却。

Cr2O3、（NH4）2HPO4（基准试剂或光谱纯）：105℃烘烤2h，然后在干燥器中冷却。

2.1.3 实验方法

称取试样2.0g和混合熔剂6.0g放入瓷坩埚中，混合均匀后转移到铂金坩埚中。加入3滴饱和溴化钾溶液和4滴碘化钾，将坩埚置于1 500℃电热融样机中，熔融15min，制备玻璃样片。在整个过程中，应避免外部环境对熔融样品的污染。

2.1.4 标准样品的制备和校准曲线的构建

本试验参照国标制备中间标准样品，如表2所示。根据样品与熔剂的比例和大小，称取中间标准样品，按表3放入铂坩埚中，混合均匀，将坩埚置于1 500℃电热融样机中。制备3个空白和3个高标准样品，分别测量空白和标准样品，制作工作曲线。校准曲线如图1所示。

表2 中间标准样的试剂量及中间标准样中氧化物浓度

表3 空白和标样所需的试剂质量

图1 两点法校准曲线

2.2 结果与讨论

2.2.1 样品制备方法的选择

粉末样品的制备通常包括粉末压制法和熔融玻璃法。粉末压实法要求样品非矿化，样品粒径必须降至61μm甚至更细；分析线波长越长，粉体粒径的影响越明显，操作难度大。因此，选择熔融玻璃法进行样品制备。

2.2.2 熔片的稀释比和熔剂的选择

氧化铝是酸性氧化物，适合用碱性熔剂；因此采用四硼酸锂+偏硼酸锂+氟化锂的混合熔剂（45∶10∶5）。实验中采用1∶2，1∶3，1∶4的样品进行混合测试，结果1∶2的比例需要更高的温度而不易使用；在1 500℃熔化时使用1∶3和1∶4效果较好，为避免过度降低样品中微量元素检出率，本试验按1∶3稀释比制备样品。

2.2.3 精密度

（1）检出限：表1列出了各待测元素的检出限（LD）。

（2）精密度：用1#氧化铝样品重复制备11个样品，计数测量值，得到各组分的标准偏差（SD）和相对标准偏差（RSD）。从表4可以看出，各元素的 RSD均小于10%，样品制备方法具有良好的重现性。

表4 样品的重现性实验结果（n=11）

2.3 结论

1）采用熔融玻璃法制样，消除矿物效应和样品粒径的影响，提高了测量精度。

2）标准样品和实样结果符合标准值或化学方法，满足氧化铝的检测规范要求。

3）样品制备简单、快速且价格低廉，可以同时测量多种元素，这对于科学研究和生产控制分析具有重要意义。

3 氧化铝的应用

目前，已经发现了十多种不同的氧化铝晶体，目前常用的氧化铝晶型有三种，分别是：α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3，不同的晶体结构具有不同的性质和优势。比如α-Al2O3的优势和特点是可以在高温下稳定存在，且不溶于多种溶剂，具有较高的化学稳定性和耐腐蚀性；γ-Al2O3的主要优势和特点是低温稳定但高温不稳定，虽不溶于水但可溶于酸和碱，该型晶体的比表面积大，因此在应用中经常作为吸附剂、催化剂和载体。其余的晶型被认为是以上两种晶型的过渡型或者不稳定型，应用研究相对较少。对于不同的晶型根据其特点应用研究的方向也不同，且加工使用的方向也不同。目前的主要研究方向是寻找一种简单便宜的合成方法。在氧化铝的应用中，化学元素杂质的含量对其影响极大，比如期耐磨性能、绝缘性能、机械强度等。

3.1 氧化铝涂层的应用

随着生产技术的提高和产品应用范围的扩大，为适应各个领域的应用，对材料性能的要求也逐渐提高。产品的表面特性决定了它的功能和耐用性，而表面特性往往可以通过表面工程和材料技术进行保护和修饰，使产品具有许多优异的特性，延长使用寿命。从这个角度来看，产品的表面处理是一个关键的影响因素，如今已成为各个行业关注的问题。其中，涂层技术已成为表面保护领域应用最广泛的技术之一。它不仅根据不同材料的特性赋予产品表面不同的功能，而且适用于不同形状的产品表面。在产品零件上涂上不同性能的功能涂层，可广泛应用于各种环境条件，如高磨损、高温高压、潮湿环境等，消除了自身零件的缺陷，提高产品在不同环境下的利用率。氧化铝（Al2O3）是一种纳米材料，适用于陶瓷涂料、催化介质、过滤膜等表面的涂层应用。氧化铝涂层的应用主要通过几下方法：

（1）电子束蒸发法：它是一种使用真空蒸发工艺的薄膜涂层方法。在真空条件下，喷涂的材料通过电子束在高温下汽化并输送到基板进行喷涂，然后利用冷水环境控制温度冷凝加热后雾化的物质，形成均匀的涂层。其优点是制造涂层的效率高，缺点是由于需要在冷水环境中凝结涂层，因此潮湿的环境会一定程度要影响涂层的结合质量。

（2）阳极氧化法：此类方法具有绿色工艺的特点，这种方法可以得到纳米材料的模板，应用于微过滤器膜，还可用于制造具有光、电、磁等多种特性的纳米级电子器件。阳极氧化法具有低能耗特点，在环保和设备等方面具有明显优势。

（3）溶胶-凝胶法：该方法是将金属醇盐或无机物作为前提溶解在乙醇等有机溶剂中，以弱酸和弱碱为催化剂，加入所需量的水使试剂水解缩合形成溶胶。溶胶聚合失去流动性，线性结构变为网状并形成凝胶。最后对固化的凝胶进行热处理和干燥，最终得到目标材料。该方法合成薄膜具有反应温度低、成本低、粒径可控、设备简单等优点。这种材料广泛用于陶瓷和金属表面。

（4）化学气相沉积法：该方法的应用主要过程分为三个阶段，形成挥发性气态物质，然后挥发性物质转移到基材表面，最后通过化学反应形成各种结构和形态的物质。一般通过不同的反应条件进行化学反应方法的分类，比如原子气相沉积热分解的原理是基片表面的单体源和反应气源交替脉动。就施加到基材表面的施加层的厚度而言，这种类型的吸附反应是特别典型的。

（5）磁控溅射法：此类方法是指将原子或分子气化或溅射到靶材上，然后将喷涂的材料涂覆在基材上形成涂层的磁控溅射工艺。磁控溅射分为用于射频反应磁控溅射和直流溅射。电场在可变电场的作用下振荡，使气体电离成等离子体。

3.2 不同类型氧化铝的应用

（1）棒状氧化铝的应用：我国的重油和原油不足，但轻油需求增加。对不饱和烃进行催化加氢反应可以缓解轻油紧张的问题。因此，棒状氧化铝常作为加氢催化剂应用较为广泛，其具有比表面积大、孔径合适、机械强度高、选择性良好、易于制备、成本低，可再生的特点。因此，氧化铝用于加氢催化剂载体广泛用于精炼。

（2）片状氧化铝的应用：此类氧化铝主要为粉末状，可以有效提高韧性因此，多用于陶瓷复合材料。由于其结构特殊和光敏性优异，也可用于高分子填料和珠光首饰颜料。作为基材，表面涂覆高折射率氧化钛或氧化铁，可以获得性能优越的新一代珠光材料。

（3）球形氧化铝的应用：陶瓷空心球氧化铝与传统的空心球氧化铝相比，具有优越的高强度和耐高温性能，且其价格低，衍生出的微米级陶瓷空心球可广泛应用于军工、航天、化工和绝缘材料等领域，具有广阔的应用前景。

4 结束语

由于氧化铝的化学元素含量与种类对于其化学性质和物理性质的影响极为巨大。因此，通过科学的检测方法对其进行检测尤为重要，可以有效促进氧化铝的工业化应用。比如，氧化铝涂层多用于包装材料的表面，其优良的性能可以最大限度地减少产品在运输和销售过程中的损失。因此，采用铁、铝、玻璃、钛等多种封装材料作为基材，应用致密且完整的氧化铝涂层，可保护包装免受潮湿和腐蚀。而此类应用的质量需要通过氧化铝元素检测保障。因此，在未来的研究中，检测方法的提高与改进对于促进氧化铝的应用极为重要。