溫度對于水熱法制備鋁基無定型球形粉體的影響

楊叢林

（中鋁山東有限公司，山東 淄博255051）

1 前言

球形氧化鋁具有強(qiáng)度高、硬度高、絕緣性好、耐熱、耐磨、耐蝕等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于精密研磨、絕緣導(dǎo)熱填料、陶瓷添加劑、表面防護(hù)涂層、催化等領(lǐng)域［1-4］。鋁基無定型球形粉體是制備球形氧化鋁的前驅(qū)物，其晶型晶貌對制得的球形氧化鋁性能具有重要影響。在濕法制備球形氧化鋁工藝中，反應(yīng)溫度對產(chǎn)品性能具有重要影響［5］，因此采用水熱法，制備出鋁基無定型球形粉體，研究反應(yīng)溫度對產(chǎn)物晶型晶貌的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

原料。硫酸鋁（Al2（SO4）3·18H2O）為中鋁山東有限公司常規(guī)工業(yè)級產(chǎn)品，尿素為工業(yè)級產(chǎn)品。

制備方法。將硫酸鋁、尿素配制成混合溶液加入帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜中，在一定溫度下水熱處理2 h，處理后的樣品快速冷卻并使用漏斗進(jìn)行固液分離，濾餅使用反滲透水反復(fù)洗滌，80℃條件下烘干得到鋁基無定型球形粉體。分別考察了水熱處理溫度為90、105、120、135、150℃，以研究溫度對鋁基無定型球形粉體和氧化鋁粉體粒度的影響。其中，硫酸鋁濃度為0.03 mol/L，尿素與硫酸鋁濃度比為18∶1。

分析檢測方法。用X射線衍射儀分析鋁基無定型球形粉體和氧化鋁粉體的物相組成。用掃描電鏡觀察粉體形貌。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 鋁基無定型球形粉體XRD、XRF分析

不同溫度水熱產(chǎn)物XRD譜圖見圖1。90、105、120℃水熱產(chǎn)物無明顯尖銳衍射峰，為無定形物質(zhì)。135℃水熱產(chǎn)物出現(xiàn)擬薄水鋁石特征峰，但衍射峰強(qiáng)度不高，為無定形物質(zhì)和擬薄水鋁石的混合物。150℃水熱產(chǎn)物為一水軟鋁石特征峰，衍射峰較135℃尖銳，強(qiáng)度高，無定形物質(zhì)最終轉(zhuǎn)變成一水軟鋁石。

圖1 不同溫度水熱產(chǎn)物XRD圖

不同溫度水熱產(chǎn)物XRF分析結(jié)果見表1。結(jié)合圖1和表1可以看出，90、105、120℃水熱產(chǎn)物為一種硫鋁無定形物質(zhì)，該無定形物質(zhì)可以看作由Al2O3、SO3和H2O三種主要成分組成，可用化學(xué)表達(dá)式表示該無定形物質(zhì)：xAl2O3·ySO3·nH2O［6］。

表1 不同溫度水熱產(chǎn)物XRF分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

根據(jù)表1各主要組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以列出方程式52.373%=102x/100，25.753%=80y/100，21.868%=18n/100，得出x=0.51，y=0.32，n=1.21。因此，90℃水熱產(chǎn)物可以表示為0.51Al2O3·0.32SO3·1.21H2O，即Al2O3·0.6SO3·2.4H2O。同理可得105、120℃水熱產(chǎn)物可分別表示為Al2O3·0.6SO3·2.1H2O和Al2O3·0.5SO3·2.0H2O。

3.2 鋁基無定型球形粉體SEM分析

圖2為不同溫度水熱產(chǎn)物SEM圖。90℃水熱產(chǎn)物為膠體形態(tài)，納米級膠粒相互堆疊；105℃水熱產(chǎn)物為球形形貌，粒徑1μm左右、尺寸均一，球形顆粒分散均勻；120℃水熱產(chǎn)物為球形顆粒附聚體，團(tuán)聚形成的大顆粒尺寸10μm；135℃水熱產(chǎn)物為球狀和片狀粒子附聚體；155℃水熱產(chǎn)物為針狀附聚體。結(jié)合2.1分析，90、105、120℃水熱產(chǎn)物為硫鋁無定形物質(zhì)。90℃水熱產(chǎn)物沒有出現(xiàn)規(guī)則的球狀形貌，是由于溫度低傳質(zhì)速度減慢、晶粒生長速度減緩，在一定反應(yīng)時(shí)間內(nèi)不足以使晶粒各個(gè)方向的晶型發(fā)育完善［7］。隨反應(yīng)溫度升高，球形顆粒粒徑變大。低溫對成核有利，對晶粒長大不利，使得90℃鋁基無定型球形粉體晶粒尺寸細(xì)小。同時(shí)，溫度提高，傳質(zhì)速度變快，晶粒生長速度加快，晶型更快地發(fā)育完善，傾向于聚集成表面能最低的球形形態(tài)，且晶粒有時(shí)間進(jìn)一步長大，因此105℃水熱產(chǎn)物為球形形貌，粒徑較90℃大。溫度較高時(shí)，傳質(zhì)速度加快，分子運(yùn)動加劇使得球形小顆粒相互碰撞機(jī)率大幅度提升，碰撞在一起的小顆粒附聚長大，長大后的晶粒還可以繼續(xù)碰撞附聚粘連以形成更大的晶粒，因此120℃時(shí)出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒分散均勻性變差，粒徑進(jìn)一步增大。當(dāng)溫度超過120℃時(shí)，無定型球形結(jié)構(gòu)向擬薄水鋁石片狀插接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，最終轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧钜凰涗X石。這是由于溫度過高，硫鋁無定形物質(zhì)發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)變，球形形貌消失。擬薄水鋁石沒有完整晶型，在此反應(yīng)體系中，擬薄水鋁石為不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，隨反應(yīng)溫度進(jìn)一步提升，其逐漸向具有完整晶型的一水軟鋁石轉(zhuǎn)化。綜上所述，反應(yīng)溫度對鋁基無定型球形粉體的形貌、粒徑影響十分顯著。在90～120℃溫度范圍內(nèi)，提升反應(yīng)溫度，晶粒生長速度加快、分子運(yùn)動加劇，晶粒相互碰撞機(jī)率增大致使鋁基無定型球形粉體顆粒相互附聚長大，晶粒尺寸變大。溫度超過120℃，提高反應(yīng)溫度，鋁基無定型球形粉體發(fā)生晶型轉(zhuǎn)換，形貌則由球形向片狀插接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，最終轉(zhuǎn)變成針狀結(jié)構(gòu)?？梢?，若想得到適宜粒度的鋁基無定型球形粉體，就要合理控制反應(yīng)溫度。105℃、硫酸鋁濃度0.03 mol/L、尿素濃度0.54 mol/L條件下，可以得到分散性較好、球形明顯、粒徑1μm左右的鋁基無定型球形粉體。

圖2 不同溫度水熱產(chǎn)物SEM圖

4 結(jié)論

4.1 在90～120℃水熱條件下可以制備出鋁基無定型球形粉體。

4.2 反應(yīng)溫度對水熱產(chǎn)物微觀形貌和晶型有顯著影響。隨反應(yīng)溫度升高，球形粉體粒徑變大；溫度超過120℃，無定型球形結(jié)構(gòu)向擬薄水鋁石片狀插接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，最終轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧钜凰涗X石。

4.3105℃、硫酸鋁濃度0.03 mol/L、尿素濃度0.54 mol/L條件下，可以得到分散性較好、球形明顯、粒徑1μm左右的鋁基無定型球形粉體。