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片狀氧化鋁粉體的製備與應用

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片狀氧化鋁粉體的製備與應用

發布日期:2019-05-07 作者: 點擊:

1、片狀氧化鋁粉體簡介

片狀氧化鋁粉體是近年來出現的一種性能優良的功能微粉材料,屬於α-Al2O3,具有明顯的鱗狀結構特征和較大的徑厚比。目前,片狀氧化鋁晶粒的徑向尺度一般為5~50μm,厚度一般在100~500nm之間,晶型發育良好的微粒還表現出規則的六角形貌。

通過人工方法合成的片狀氧化鋁微粉的徑厚比例可調,並且具有純度高,表麵平整光滑,在水中分散性良好的優點。工業級的片狀氧化鋁粉體的粒徑大小可以達到微米尺寸,厚度更是達到了納米級或接近納米尺度。這不僅使它具有顯著的光線反射能力和屏蔽效應,還使其體現出了良好的表麵活性和優越的附著力,現已廣泛應用於塗料、化妝品、拋光粉、汽車麵漆、增韌陶瓷等領域。同時,由於其價格是冶金級氧化鋁的數十倍,片狀氧化鋁製備工藝具有巨大的研究意義。


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2、片狀氧化鋁粉體的製備方法

1 水熱(醇熱)法

水熱結晶是片狀氧化鋁早期的常用製備方法。Yasuo等將氧化鋁用球磨機研磨成亞微級顆粒(粒徑≤1μm),並將其在堿液中進行水熱結晶,製備出厚度小於0.1μm的氧化鋁片晶。

盡管用水熱法製備出來的片狀氧化鋁粉體純度高,氧化鋁陶瓷價格分散性好且具有較薄的平板狀結構和均勻優良的晶體形貌,但是水熱合成不僅周期長,而且在反應過程需要高溫高壓的反應釜,對設備有較強依賴,且晶體的相變溫度較高(>400℃)。

2 熔鹽法

熔鹽法的基本原理是將反應物在一定的溫度下溶於一種或多種低熔點的鹽中,在較低的溫度下合成出目標產物。熔鹽法製備粉體主要分為兩個過程:晶粒形成和晶粒生長的過程。

Nitaa等最先將熔鹽法用於片狀氧化鋁的製備,他們以硫酸鹽為熔鹽,以少量的二氧化鈦和磷酸鹽為添加劑誘導可溶性鋁鹽結晶,用反應製得的膠體在1200℃條件下煆燒5h,得到粒度大小3~22μm,厚度在0.2~0.5微米之間的片狀六角形狀粉體。

該法相對於常規固相法而言,具有工藝簡單、合成溫度低、保溫時間短、合成的粉體化學成分均勻、晶體形貌好、物相純度高等優點,但熔鹽法製備過程中,常會分解出有毒有害氣體,對煆燒設備有很大損害。煆燒後,熔鹽、粉體和坩堝形成複雜固體混合物,後續處理較為困難。

3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以可溶性鹽為鋁源(硫酸鋁或者氫氧化鋁),在液相體係中水解縮合並結晶,經過幹燥處理後可以製得前驅體γ-Al2O3,再經高溫環境中燒結固化完成由γ相向α相轉變的過程。該法可以克服水熱工藝中需要高溫高壓的反應釜的缺點,因此對設備的要求較低,應用的也較為廣泛。其缺點是粉體粒徑分布較大,製備的原料價格不菲,有些還對環境有害。

4 溶膠-塗膜法

溶膠-塗膜法製備片狀氧化鋁和溶膠-凝膠法製備高純超細的氧化鋁類似,該法首先將氧化物的前驅體製備成溶膠,然後將溶膠塗膜在光滑的基片上,將塗膜置於烘幹機裏烘幹後即可得到氧化物或者氫氧化物的薄片,進一步煆燒後即可得到所需的片狀氧化鋁粉體。

此法製備的產品易於控製各種工藝參數,例如粒度、厚度、化學組成等,此外所需的設備也比較簡單,操作較為容易,但是所得產品機械強度不高、粒度分布不均勻,要得到所需粒度範圍的產品還需要進一步篩選。

5 機械法

機械法是將一定配比的粉末在機械力的作用下進行混合,一般采用球磨、攪拌磨、膠體磨、振動磨的方法,在長時間的運轉過程中,粉末在研磨介質的反複衝撞下,經過反複擠壓、冷焊及粉碎,成為彌散分布的超細離子的方法。

此法操作簡便、成本低,但是製得的粉體純度低,另外,機械力作用複雜多變,導致粉體結構不易控製,易產生相當數量的破碎片晶,拋光時可能導致刻痕和表麵下的損傷。

希伯特等通過機械法采用濕磨的方式對原料進行研磨,製備出了晶體粒徑為3~20μm的片狀氧化鋁粉體,該法製備出的粉體分散性好,但仍有不少細碎片晶。濕磨的粉體通過沉降分級可以去除細小顆粒,得到的粉體可以作為微電子基片的拋光粉。

6 碳分法

碳分法屬於鋁酸鈉的水解法,通常利用二氧化碳分解鋁酸鈉溶液,再添加適當的晶型控製劑,煆燒使氫氧化鋁分解並發生晶型轉變,並最終得到片狀ɑ-Al2O3。

7 高溫燒結法

Kebbede等研究了添加二氧化鈦和複合摻雜二氧化鈦、二氧化矽製備的氧化鋁的顯微結構。在1450ºC燒結2h的單摻雜二氧化鈦樣品,呈等軸晶狀,而雙摻雜的樣品,得到了片晶,但晶體粒徑分布不均勻,徑厚比也僅僅隻有3.4。

3、片狀氧化鋁粉體的應用

1 磨料拋光液

與常規的納米氧化鋁相比,平整光滑的片形表麵對於被磨對象(如半導體矽晶片,智能手機外殼等等)來說不易劃傷,產品的合格品率可因此提高10%至15%。所以,片狀氧化鋁已經成為了高精密微電子行業,寶石加工業和金屬陶瓷行業的新寵。

2珠光顏料

片狀氧化鋁化學性能穩定,覆蓋麵積廣,折射率高,並且其特有的光學性能使顏料能夠產生強烈的珠光效應,因此以片狀氧化鋁作為珠光顏料的基片材料,已經成為開發性能優越的珠光顏料的新熱點和行業經濟增長點。

3 無機填充劑

片狀氧化鋁在工業生產中是一種不可缺少的填充劑,應用在功能陶瓷,塑料和橡膠製品中,可以增加硬度和剛度,並且能夠調節收縮性和熱膨脹係數。

4 化妝品

片狀氧化鋁粒度分布窄,徑厚比大,化學性能穩定,表麵光滑平整,在水中可以很好地分散開,最為重要的是,這種粉體無毒無味,因此也被廣泛應用於化妝品領域。片狀氧化鋁作為一種可以改良化妝品導熱性的添加劑,能夠優化化妝品的光澤度和色彩,而且由於它的粘附性較好,貼附在皮膚表麵有著很好的舒適度。它有著優越的鋪展性和粘附性能,能夠有效的防止油脂分泌或皮膚出汗造成的粉妝脫落。

5 功能塗膜

性能優越的片狀氧化鋁無團聚現象,且具有良好的附著力,易於與其他功能微粉相結合,製備成出各種前景誘人的新型功能塗膜。用於毛細管的氧化鋁塗層可以顯著提高其逆轉電滲流性能和目標分析的選擇性及穩定性能;用於隱形飛機的功能塗膜可以吸收電波以防止被雷達搜尋到;此外,氧化鋁塗膜還有阻隔紫外線,進行光催化等功能,因此在太陽能電板上也有著不錯的應用前景。

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