納米級氧化鋁的幾種生產(chǎn)方法

劉濤-上海匯精亞納米新材料有限公司

納米氧化鋁具備高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨損、耐高溫、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特性，因而被廣泛應(yīng)用于特種涂料、航天工業(yè)、磨料、精細(xì)陶瓷、耐火材料、催化、光學(xué)材料等領(lǐng)域。

納米氧化鋁的制備方法可以分為固相法、液相法和氣相法，此外還有一些新型制備工藝。

一：固相法

1：機(jī)械法 機(jī)械法是指用研磨機(jī)對原料進(jìn)行研磨以得到含有一定雜質(zhì)的納米氧化鋁粉體，然后通過后續(xù)一系列化學(xué)工藝逐步將雜質(zhì)除去，從而得到高純納米氧化鋁。這種方法過程簡單、成本較低，但所得產(chǎn)品粒徑分布范圍較寬，且生產(chǎn)過程中存在一定的噪聲和粉塵污染。

2 熱解法 熱解法一般以硫酸鋁銨和碳酸鋁銨等鋁鹽為原料，經(jīng)過反應(yīng)和提純得到氧化鋁的前驅(qū)體，再經(jīng)過加熱分解便可獲得納米氧化鋁。熱解法工藝簡單，常用于工業(yè)制備。硫酸鋁銨熱解時(shí)會產(chǎn)生SO2等有毒氣體，污染環(huán)境，因此碳酸鋁銨熱解法逐漸成為主流。

3： 燃燒法 燃燒法是將反應(yīng)物按一定比例放入爐中燃燒，直接得到產(chǎn)物的方法。這種方法可以制備出活性較高的亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物，產(chǎn)物具有粒徑小、純度高的優(yōu)點(diǎn)。但是燃燒法得到的產(chǎn)物不易收集，且燃燒過程有較高危險(xiǎn)性，燃燒溫度也難以控制。

二：液相法

1：沉淀法 沉淀法是在鋁鹽溶液中加入沉淀劑，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化鋁前驅(qū)體沉淀，再經(jīng)過濾、洗滌、干燥和煅燒得到氧化鋁粉體的方法。沉淀法可以分為直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法，其中共沉淀法一般用于多組分氧化物的制備。 直接沉淀法就是利用沉淀反應(yīng)從溶液中直接得到納米顆粒。常見的鋁源有AlCl3、Al(NO3)3等，常用的沉淀劑有氨水等。直接沉淀法工藝較為簡單，但難以保證沉淀組分的單一性，所以制備的粉體往往雜質(zhì)較多。 均勻沉淀法是以尿素等為沉淀劑，通過反應(yīng)離子的均勻釋放，使其與鋁離子在微觀層面混合均勻。由于沉淀劑的緩慢水解，化學(xué)反應(yīng)緩慢發(fā)生，氧化鋁形核速率得到控制，在某一時(shí)刻發(fā)生爆發(fā)性形核的概率比直接沉淀法小，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象得到一定控制，因此制備出的納米顆粒更均勻、粒徑更小。

2 水熱法 水熱法是以水為反應(yīng)介質(zhì)，在高溫高壓密閉容器中發(fā)生反應(yīng)制得氧化鋁前驅(qū)體，再經(jīng)高溫煅燒得到納米氧化鋁粉體的方法。例如，以Al(NO3)3和尿素這一水熱體系可以合成納米碳酸鋁銨粉體，進(jìn)而得到納米氧化鋁。 水熱法制備納米氧化鋁，不僅過程簡單、操作方便，而且避免了煅燒時(shí)氫氧化物轉(zhuǎn)化為氧化物這一容易形成硬團(tuán)聚的步驟，所制備的粉體團(tuán)聚程度很低。此外，這種方法可以通過改變反應(yīng)條件對產(chǎn)物的微觀形貌進(jìn)行調(diào)控。然而，水熱法的條件控制嚴(yán)格，如改變反應(yīng)釜大小等條件對產(chǎn)物影響很大，氧化鋁產(chǎn)量也小；同時(shí)，水熱法需要在密閉的反應(yīng)釜中保溫較長時(shí)間，無法觀察到物質(zhì)的中間狀態(tài)，這些限制均不利于其應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)上。

3：溶膠-凝膠法

（1）溶膠-凝膠法是以鋁醇鹽或無機(jī)鋁鹽溶液為原料，經(jīng)水解和縮合形成溶膠，再經(jīng)陳化形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，最后凝膠干燥、煅燒得到納米氧化鋁粉體。

（2）醇鹽溶膠-凝膠法制備納米氧化鋁，獲得的粉體顆粒細(xì)小、粒徑分布均勻；但醇鹽價(jià)格昂貴，工藝過程不易控制。

（3）無機(jī)鹽溶膠-凝膠法避免了昂貴的醇鹽和有毒的有機(jī)溶劑，但會引入雜質(zhì)離子，需要對凝膠進(jìn)行洗滌。

總體而言，溶膠-凝膠法制備的氧化鋁粒徑小、純度高、分散均勻且制備過程簡單可控。此方法對實(shí)驗(yàn)條件要求不高，受到國內(nèi)外許多研究人員的關(guān)注，不斷擴(kuò)展反應(yīng)物的多樣性。

溶膠、凝膠結(jié)構(gòu)示意圖

4： 微乳液法 微乳液法是指在由水相、油相和添加劑三種物質(zhì)組成的體系中制備納米氧化鋁的方法。以微小液滴的形式將反應(yīng)液體滴入油相中，在表面活性劑的作用下均勻分散，水相就會被添加劑所組成的微小單分子層界面包圍，最終形成微乳顆粒，尺寸可以控制在納米級。這些顆粒經(jīng)過沉淀、洗滌、干燥、煅燒即可得到納米氧化鋁粉體。 微乳液法具有實(shí)驗(yàn)裝置簡單、顆粒大小和形狀可控等優(yōu)點(diǎn)，但添加物易與納米產(chǎn)物混合，影響產(chǎn)物純度。

三：氣相法

氣相法是通過一定方法使原料變?yōu)闅怏w，在氣相條件下發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)冷卻沉積在基體上形成納米顆粒的方法。氣相法包括電弧噴涂法、等離子氣相合成法和化學(xué)氣相沉積法。 氣相法的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)條件易于控制、顆粒粒徑小且分散性好、產(chǎn)物易于精制，缺點(diǎn)是設(shè)備氣閉性要求高、實(shí)驗(yàn)過程能耗大、產(chǎn)率低且產(chǎn)物不易收集。氣相法適合實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的納米氧化鋁制備，難以用于工業(yè)化生產(chǎn)。

四：新型工藝 

近年來，研究人員通過對傳統(tǒng)方法進(jìn)行組合與創(chuàng)新，提出來一些制備納米氧化鋁的新型工藝。例如，基于溶膠-凝膠法的溶膠-凝膠-自蔓延法、溶膠凝膠-靜電紡絲法和無水解溶膠凝膠法。 這些新型制備方法還處在實(shí)驗(yàn)室階段，且存在產(chǎn)率低、成本高、實(shí)驗(yàn)條件要求高等諸多問題，但隨著技術(shù)的逐漸成熟，相信會發(fā)展出滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的創(chuàng)新方法。

小結(jié) 綜上所述，液相法在納米氧化鋁制備的主流方法中具有明顯優(yōu)勢，但也存在產(chǎn)物不純等現(xiàn)象。因此，低成本高性能納米氧化鋁粉體的工業(yè)化生產(chǎn)中仍有許多問題有待解決。