納米級氧化鋁的幾種生產方法

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度、高硬度、高耐磨損、耐高溫、比表面積大、吸附能力強等特性，因而被廣泛應用于特種涂料、航天工業(yè)、磨料、精細陶瓷、耐火材料、催化、光學材料等領域。

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：機械法 機械法是指用研磨機對原料進行研磨以得到含有一定雜質的納米氧化鋁粉體，然后通過后續(xù)一系列化學工藝逐步將雜質除去，從而得到高純納米氧化鋁。這種方法過程簡單、成本較低，但所得產品粒徑分布范圍較寬，且生產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，經過反應和提純得到氧化鋁的前驅體，再經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。硫酸鋁銨熱解時會產生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 燃燒法是將反應物按一定比例放入爐中燃燒，直接得到產物的方法。這種方法可以制備出活性較高的亞穩(wěn)態(tài)產物，產物具有粒徑小、純度高的優(yōu)點。但是燃燒法得到的產物不易收集，且燃燒過程有較高危險性，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)生化學反應生成氧化鋁前驅體沉淀，再經過濾、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較多。 均勻沉淀法是以尿素等為沉淀劑，通過反應離子的均勻釋放，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，化學反應緩慢發(fā)生，氧化鋁形核速率得到控制，在某一時刻發(fā)生爆發(fā)性形核的概率比直接沉淀法小，顆粒團聚現象得到一定控制，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介質，在高溫高壓密閉容器中發(fā)生反應制得氧化鋁前驅體，再經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，而且避免了煅燒時氫氧化物轉化為氧化物這一容易形成硬團聚的步驟，所制備的粉體團聚程度很低。此外，這種方法可以通過改變反應條件對產物的微觀形貌進行調控。然而，水熱法的條件控制嚴格，如改變反應釜大小等條件對產物影響很大，氧化鋁產量也?。煌瑫r，水熱法需要在密閉的反應釜中保溫較長時間，無法觀察到物質的中間狀態(tài)，這些限制均不利于其應用到工業(yè)生產上。

3：溶膠-凝膠法

（1）溶膠-凝膠法是以鋁醇鹽或無機鋁鹽溶液為原料，經水解和縮合形成溶膠，再經陳化形成三維網絡結構的凝膠，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，獲得的粉體顆粒細小、粒徑分布均勻；但醇鹽價格昂貴，工藝過程不易控制。

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

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。此方法對實驗條件要求不高，受到國內外許多研究人員的關注，不斷擴展反應物的多樣性。

溶膠、凝膠結構示意圖

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。 微乳液法具有實驗裝置簡單、顆粒大小和形狀可控等優(yōu)點，但添加物易與納米產物混合，影響產物純度。

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，經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氣相沉積法。 氣相法的優(yōu)點在于反應條件易于控制、顆粒粒徑小且分散性好、產物易于精制，缺點是設備氣閉性要求高、實驗過程能耗大、產率低且產物不易收集。氣相法適合實驗室規(guī)模的納米氧化鋁制備，難以用于工業(yè)化生產。

四：新型工藝 

近年來，研究人員通過對傳統(tǒng)方法進行組合與創(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驗室階段，且存在產率低、成本高、實驗條件要求高等諸多問題，但隨著技術的逐漸成熟，相信會發(fā)展出滿足工業(yè)生產需求的創(chuàng)新方法。

小結 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，但也存在產物不純等現象。因此，低成本高性能納米氧化鋁粉體的工業(yè)化生產中仍有許多問題有待解決。