孫敬會，卿培林

(百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

片狀氧化鋁是重要的粉體材料，其價格是冶金級氧化鋁的數(shù)十倍，不僅具有普通氧化鋁的優(yōu)良特性并且由于其特殊的二維片狀結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、適中的表面活性、顯著的屏蔽效應(yīng)、良好的附著力和反射光線的能力，超細(xì)片狀氧化鋁被廣泛地應(yīng)用到LED陶瓷基板、顏料、化妝品、汽車面漆、拋光粉、增韌陶瓷等諸多領(lǐng)域[1-3]。

片狀氧化鋁附著力良好、表面活性適中，既能與其它活性基團有效結(jié)合，又不容易發(fā)生團聚，這就有利于粉體的分散，粉體本身近乎無色、透明，具有顯著的屏蔽效應(yīng)與反射光線的能力，具有明顯的鱗狀結(jié)構(gòu)特征和較大的厚徑比[4-7]。片狀氧化鋁晶粒的直徑一般為5～50 μm，厚度一般在100～500 nm之間，發(fā)育良好的晶型微粒形貌規(guī)則，呈六角片狀[8-10]。

本文采用熔鹽法[11-15]制備片狀氧化鋁粉體，以Al2(SO4)3·18H2O作鋁源，Na2SO4、K2SO4單鹽及Na2SO4+K2SO4、NaCl+KCl復(fù)合鹽為熔鹽，鋁源與熔鹽比例為1:4。

1 實 驗

1.1 實驗原料

本實驗所需原料：硫酸鋁；硫酸鉀；硫酸鈉；無水碳酸鈉；氯化鈉；氯化鉀。所用實驗原料均為分析純。

1.2 實驗儀器及設(shè)備

本實驗所用相關(guān)儀器設(shè)備：電子分析天平；電熱恒溫水浴鍋；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；掃描電子顯微鏡；節(jié)能箱式電爐；X射線粉末衍射儀。

1.3 實驗流程

實驗具體流程如圖1所示。

圖1 片狀氧化鋁制備流程圖Fig.1 Flow chart of preparation of flake alumina

制備溶液A：在去離子水中溶解一定量的硫酸鋁和熔鹽(分別是Na2SO4、K2SO4、Na2SO4+K2SO4、NaCl+KCl)，使溶液達到飽和或接近飽和狀態(tài)。將溶液A在磁力攪拌器的攪拌作用下，緩慢加熱到80 ℃左右保溫15 min。制備10% H2O2溶液：量取10 mL 30% H2O2與22.6 mL去離子水混合；

制備溶液B：在去離子水中溶解一定量的Na2CO3，加去離子水的量選取使溶液接近飽和的最小水量，并添加一定量的添加劑(二氧化鈦、磷酸鹽)配成飽和溶液；

產(chǎn)物的表征：用掃描電子顯微鏡觀察產(chǎn)物形貌，利用X射線衍射儀對產(chǎn)物進行物相和晶型分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔鹽種類的影響

片狀α-Al2O3的形貌會受熔鹽種類的影響，主要歸因于熔鹽的性質(zhì)與氧化鋁在熔鹽中的溶解能力的不同。本實驗以Al2(SO4)3·18H2O為鋁源，設(shè)定1200 ℃的煅燒溫度和6 h的保溫時間，控制鋁源與熔鹽的摩爾質(zhì)量比為1:4，來探究不同熔鹽體系Na2SO4、K2SO4、Na2SO4-K2SO4復(fù)合鹽、NaCl-KCl復(fù)合鹽對片狀α-Al2O3的形貌及粒徑的影響。具體參數(shù)如表1所示。

表1 實驗條件參數(shù)Table 1 Experimental condition parameters

圖2為不同熔鹽條件下合成的片狀氧化鋁的掃描電鏡圖。

由圖2可知，添加的鹽類種類不同對片狀α-Al2O3形貌及粒徑大小影響較大。圖2(a)、(b)、(c)研究硫酸鹽對片狀氧化鋁形貌的影響，從圖2(c)中可以看出，混合鹽合成的片狀氧化鋁跟單一熔鹽圖2(a)、(b)相比較，粒徑尺寸會增大。利用SEM隨機選取約100個片狀氧化鋁，測量其粒徑和厚度，并計算徑厚比。發(fā)現(xiàn)選用圖2(a)硫酸鈉單鹽作為熔鹽時，片狀氧化鋁平均粒徑為5 μm左右；圖2(b)硫酸鉀單鹽作為熔鹽平均粒徑為7 μm左右；圖2(c)硫酸鈉、硫酸鉀復(fù)合鹽作熔鹽其平均粒徑能達到12 μm左右。因此復(fù)合鹽合成片狀氧化鋁的粒徑比單鹽的要大，分析可能原因為復(fù)合熔鹽的熔點比較低，溶解力強，容易促進片狀氧化鋁生長。

圖2 不同熔鹽對氧化鋁形貌的影響Fig.2 Effect of different molten salts on alumina morphology

此外用硫酸鉀為熔鹽合成片狀氧化鋁的粒徑比硫酸鈉的大，從陽離子半徑的角度分析，鉀離子半徑為1.33 ?，鈉離子半徑為0.98 ?，由于鉀離子半徑大于鈉離子[16]，故在氧化鋁生長基元表面與Al3+斥力較大，導(dǎo)致其吸附力弱，對氧化鋁晶粒的禁阻作用就比較小，得到的片狀氧化鋁的粒徑增大。由圖2(d)可知，以氯化鈉、氯化鉀為復(fù)合熔鹽合成片狀氧化鋁粒徑整體比硫酸復(fù)合鹽的粒徑小。氯化鹽合成氧化鋁生長基元在熔鹽中的遷移速度與溶質(zhì)離子強度有關(guān)，兩者成反比關(guān)系，硫酸鹽的離子數(shù)比氯化物的高，所以離子強度較強，傳質(zhì)速度慢并且沒有氯化鹽均勻。所以使用氯化鹽時生長基元能充分移動，使結(jié)合過程中有間隙時間來調(diào)整晶粒取向，晶體會自由生長。而在硫酸鹽中，由于硫酸根離子的強離子作用，晶粒再結(jié)合過程中會自主選擇最佳方向，因此，以硫酸鈉、硫酸鉀為復(fù)合鹽制備出的片狀α-Al2O3粒徑較大，且厚度薄。綜合實驗結(jié)果分析，選取硫酸復(fù)合鹽作為熔鹽來制備片狀α-Al2O3粉體條件最優(yōu)。

2.2 煅燒溫度的影響

圖2(a)-(d)為以十八水硫酸鋁作為鋁源，硫酸鈉與硫酸鉀混合鹽(2.4Na2SO4+1.6K2SO4)作熔鹽，鋁源(以生成的氧化鋁計)與熔鹽的摩爾質(zhì)量比為1:4，保溫時間為4 h，所得Al2O3的掃描電鏡圖。探究煅燒溫度900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃對產(chǎn)物α-Al2O3形貌及粒徑的影響。

在有熔鹽作用的條件下，氧化鋁向α型轉(zhuǎn)變的溫度在960 ℃以上[17]，因此本實驗從900～1200 ℃區(qū)間選取了4個溫度進行研究。由圖3(a)煅燒溫度為900 ℃時，氧化鋁晶體才剛剛形成六角片狀，形態(tài)不規(guī)則，團聚嚴(yán)重，粒徑較小，大小在3 μm左右；圖3(b)煅燒溫度為1000 ℃時，六角片狀明顯形態(tài)規(guī)則，平均粒徑在6 μm左右；圖3(c)煅燒溫度為1100 ℃時，粒徑近一步增大，平均粒徑8 μm左右；圖3(d)煅燒溫度達到1200 ℃時，六角片狀氧化鋁形貌規(guī)則，分散性較好，平均粒徑為10 μm左右。

圖3 不同煅燒溫度對氧化鋁粒徑的影響Fig.3 Effect of different calcination temperature on alumina particle size

由圖4可知，經(jīng)X射線衍射分析樣品在2θ=25.571°、35.146°、37.767°及43.345°等處時存在著強衍射峰，衍射峰很窄，尖銳，峰型完整，說明經(jīng)1200 ℃煅燒后得到了純度比較高、結(jié)晶完全的穩(wěn)定的α-Al2O3。綜合考量，選擇本實驗煅燒溫度為1200 ℃。

圖4 煅燒溫度為1200 ℃下Al2O3的XRD譜Fig.4 XRD pattern of the Al2O3 under the optimal experimental conditions

2.3 保溫時間的影響

圖5(a)-(d)保溫時間分別為2 h、4 h、6 h、8 h，硫酸鈉與硫酸鉀混合鹽(2.4Na2SO4+1.6K2SO4)作熔鹽，鋁源(以生成的氧化鋁計)與熔鹽的摩爾質(zhì)量比為1:4，煅燒溫度為1200 ℃，所得Al2O3的掃描電鏡圖。

圖5 不同保溫時間的影響Fig.5 Flake alumina formed at different holding time

從圖5(a)～(d) 可知，生成的氧化鋁顆粒平均粒徑隨著保溫時間的增加不斷增大，說明保溫時間的延長是有利于晶體的繼續(xù)生長。當(dāng)白保溫時間低于6 h如圖5(a)、(b)時，反應(yīng)體系處于中間過渡態(tài)，這個階段的活化能比較低，沒有達到穩(wěn)定態(tài)，導(dǎo)致氧化鋁沒有足夠的生長時間，得到的晶體粒徑細(xì)小，形態(tài)不規(guī)則，表面不光滑，分散性不好；當(dāng)保溫時間為6 h如圖5(c)，得到的晶體形貌基本完整，粒徑較大，形態(tài)規(guī)則，表面光滑，分散性較好；當(dāng)保溫時間為8 h如圖5(d)后，氧化鋁產(chǎn)物與6 h比較變化較小。從提高實驗效率，節(jié)省能源等各方面考慮，保溫時間選取6h相對較為適宜。

3 結(jié) 論

本文采用熔鹽法制備片狀氧化鋁粉體，研究了不同熔鹽種類、煅燒溫度、保溫時間對產(chǎn)物形貌及粒徑的影響。

(1)研究硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鈉和硫酸鉀復(fù)合鹽、氯化鈉和氯化鉀復(fù)合鹽四種熔鹽對氧化鋁形貌及粒徑的的影響，實驗結(jié)果表明，在片狀氧化鋁的制備中，用硫酸鈉、硫酸鉀復(fù)合鹽作熔鹽時，產(chǎn)物形貌規(guī)則，晶形完整，分散性較好，平均粒徑能達到12 μm左右，條件最優(yōu)。

(2)研究煅燒溫度900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1200 ℃對氧化鋁形貌及粒徑的的影響，實驗結(jié)果表明，隨著煅燒溫度的升高，熔鹽達到熔融狀態(tài)，粉體的粒徑逐步增大，當(dāng)溫度達到1200 ℃時，純度比較高、結(jié)晶完全的穩(wěn)定的α-Al2O3，粒徑在10 μm左右的氧化鋁粉體。故煅燒溫度1200 ℃最適宜。

(3)研究保溫時間2 h、4 h、6 h、8 h對氧化鋁形貌及粒徑的的影響，實驗結(jié)果表明，隨這保溫時間增加，晶體會有充分的時間生長，當(dāng)保溫時間達到6 h后，片狀氧化鋁形貌趨于完整，繼續(xù)延長保溫時間，對粒徑增長沒有明顯的影響。故最佳保溫時間為6 h。

(4)本研究以硫酸鋁為鋁源，用硫酸鈉、硫酸鉀復(fù)合鹽為熔鹽，煅燒溫度1200 ℃，保溫6 h，采用熔鹽法對氧化鋁的生長條件進行調(diào)控，得到結(jié)晶好，分布均勻，分散性高的片狀α-Al2O3粉體。