超微超细粉碎机:简析片状氧化铝的应用及其制备工艺-青岛帕罗德粉体设备有限公司
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更新时间:2017/7/21
氧化铝有多种不同的类型,常规的氧化铝与其他金属氧化物一样,本身的硬度大,熔点高,机械强度好,且耐腐蚀抗氧化。片状氧化铝还因其独特的片状结构和晶体形状,从而具备了微米粉体和纳米材料的双重特性。它属于α-Al2O3,具有明显的鳞状结构特征和较大的径厚比。 目前,片状氧化铝晶粒的径向尺度一般为5-50 μm,厚度一般在100-500 nm之间,晶型发育良好的微粒还表现出规则的六角形貌,目前利用超微超细粉碎机的制备工艺也正在研发试产中
示例:片状氧化铝的微观形貌
一、片状氧化铝的性质与应用
1 、磨料抛光液
对于材料加工行业来说,无论是材料的抛光,还是电子产品的精细打磨,都离不开磨料。
氧化铝又称为刚玉,摩氏硬度9,具有很大的硬度,十分适合当研磨材料。而片状氧化铝相对于常规的纳米氧化铝,其平整光滑的片形表面对于被磨对象(如半导体硅晶片,智能手机外壳等等)来说不易划伤,产品的合格品率可因此提高10%至15%。所以,片状氧化铝已经成为了高精密微电子行业,宝石加工业和金属陶瓷行业的新宠。
图1:片状氧化铝可用于手机金属外壳抛光
2 、珠光颜料
目前使用最多的珠光颜料常用天然云母薄片造出。但天然云母薄片常含有有色杂质离子,分离较为困难,且其过厚的边缘会使珠光颜料易发生散射现象,对其视觉效果造成不良的影响。
人工合成的片状氧化铝粉体,具有天然云母无法获得的设计自由度和物理化学性能。在合成过程中,可以消除或控制杂质的引入,同时使产品具有狭窄的粒度和厚度分布,大的径厚比,几乎完全无色和光滑平整的表面,而且这种氧化铝在水中具有良好的分散性。因此,它是优质珠光颜料理想的底材。
以片状氧化铝为基体,在其表面包覆一层或多层高折射率的金属氧化物(如二氧化钛、氧化铁等),就可以制备出性能优异的珠光颜料。这种珠光颜料不但可以发挥出云母钛珠光颜料的优点,还可以弥补其不足,充分体现珠光颜料的各种性能。而且,与云母钛珠光颜料相比,它用较少的着色量就可达到相同的效果。
图2: 片状氧化铝用于作为珠光颜料的基材
3 、 化妆品
片状氧化铝具有较小的粒度和厚度分布以及较大的径厚比,它的化学性能稳定,几乎无色而且表面光滑平整,在水中具有良好的分散性,最为重要的是,这种粉体无毒无味,因此也被广泛应用于化妆品领域。
片状氧化铝作为一种可以改良化妆品导热性的添加剂,不仅可以使化妆品呈现出较高的光泽度和明亮的色彩体验,而且贴服在皮肤表面有着很好的舒适度。它有着优越的铺展性和粘附性能,能够有效的防止油脂分泌或皮肤出汗造成的粉妆脱落。
图3 :减少因天气热脱妆困扰
4 、功能涂膜
性能优越的片状氧化铝无团聚现象,且具有良好的附着力,易于与其他功能微粉相结合,制备成出各种前景诱人的新型功能涂膜。比如用于隐形飞机的功能涂膜可以吸收电波以防止被雷达搜寻到。
此外,氧化铝涂膜还有阻隔紫外线,进行光催化等功能,因此在太阳能电板上也有着不错的应用前景。
图4 :片状氧化铝用于太阳能电板
5 、无机填充剂
作为填充剂是片状氧化铝最早的应用之一,它被成功地用作聚合物的填料,以增强其热导率。 氧化铝的热导率比有机聚合物高很多,在聚合物中添加一定量的片状氧化铝,就可以形成氧化铝网络。该网络能够把大部分热量传出,因此用这种聚合物一陶瓷复合材料制备的电子元件的寿命可以大大提高,片状氧化铝的直径越大,所形成网络的节点越少,导热效果就越好。
图5:片状氧化铝用于聚合物填料,提高电子元件散热能力
6 、用作增韧剂
将片状氧化铝作为第二相增韧剂加入到陶瓷中,可以起到增加裂纹偏转和桥联作用,对提高陶瓷的断裂韧性有明显的效果。采用引入片状氧化铝晶种的方法,在热压烧结的条件下可制备出断裂强度为600MPa,断裂韧性为7.9MPa•m1/2的具有异向生长晶粒的Al203陶瓷。
图6:片状氧化铝用于结构陶瓷增韧
除了在氧化铝陶瓷中引入片状晶,在其他陶瓷的制备中加入片状氧化铝也能很好地提高材料的性能。比如在X-sialon中加入28vol%的片状氧化铝后,韧性可以从1.77 MPa•m1/2增加到4.16 MPa•m1/2,并且弹性模量也随着片晶的增加而增加;在Ti02中加入30vol%的片状氧化铝后,断裂韧性从2.4 MPa•m1/2增加到3.3 MPa•m1/2,断裂强度也从215MPa增加到265MPa。
二、片状氧化铝的制备工艺
片状氧化铝的制备可以通过很多方法,主要有熔盐法、水热(醇热)法、涂膜法、机械超微粉碎法以及液相间接制备法等。
1 、熔盐法
将所需组分的反应物与2种盐按照一定比例混合,然后在高于盐的熔点的温度下进行煅烧,由于氧化物重新排布并迅速扩散到液态盐中进行反应而生成产物,冷却后经去离子水清洗除去其中的盐分得到纯净产物的一种粉体合成方法。
举例:
熔盐法是制备片状氧化铝最常用的方法。Shinobu等以硫酸铝为初始材料,使用硫酸钠或者硫酸钾为熔盐,在高温下煅烧即可得到片状氧化铝。发现以硫酸铝经900℃煅烧得到的为初始原料能得到粒径为3.7~5μm、厚度为0.3μm的片状氧化铝单晶颗粒,若以硫酸铝为原料,则得到片状氧化铝的团聚体。
特点:
在熔盐法制备片状α-Al2O3时可以通过晶种的加人量、熔盐用量以及煅烧的温度和时间等参数对粉体的形貌进行控制。该法的缺点是,有些熔盐具有毒性,其挥发物也可能腐蚀或污染炉体。另外,如何提高掺杂的均匀性也是熔盐法所面临的问题。
2 、水热(醇热)法
水热法是指在密闭的压力环境下,以水作为溶剂,让物质在高温高压的容器(高压釜)中进行成核,生长结晶,以此生成所需产物的一类化学反应。到目前为止,用水热法已制备出了百余种晶体,包括硫化镉,祖母绿,氧化锌,氧化铝等多种用途广泛的高性能材料。
举例:
水热结晶是片状氧化铝早期的常用制备方法。Yasuo等将氧化铝用球磨机研磨成亚微级颗粒(粒径≤1.0μ m),并将其在碱液中进行水热结晶,制备出厚度小于0.1μm的氧化铝片晶。
特点:
水热法的优点是粒子纯度高、分散性好且晶形好。其缺点是:反应周期长,反应过程需在封闭的系统中进行。另外,水热法有高温高压步骤,因此对生产设备的依赖性比较强。
3 、涂膜法
涂膜法是利用前驱体配制成溶胶,将溶胶涂覆到具有光滑表面的基体材料上,经干燥、剥离,即得片状粉体材料。为了使片状粉体的应用范围更广泛,还可以进行烧结。 举例:
才田健二等利用pH为3~5的氧化铝溶胶,采用提拉法制膜,干燥后将膜剥离,于350℃烧结6h,然后在1000℃烧结2h,得到了粒径30μm、厚为1.2μm的片状氧化铝粉体。 特点:
通过涂膜法得到的粉体若作为产品直接使用,具有一定的优越性。因为其杂质少,片的表面光滑,片的各种参数(如大小、厚度、化学组成等)在工艺上也易于控制,而且只需要简单的设备和步骤就可以做出来。但所得的粉体机械强度不高,粒度分布范围较宽,需要分级处理才能达到使用者的要求。
4 、机械法
机械法是利用机械力使按~定比例的粉末机械混合,在长时间运转过程中,粉末在研磨介质的反复冲撞下,经历反复挤压、冷焊及粉碎过程,成为弥散分布的超细粒子的方法。 举例:
机械法也可以用来制备片状氧化铝粉体。例如Asher Ne-sin申请的一项专利中采用超微超细研磨工艺,将焙烧氧化铝研磨,所得产物进行水力淘析,除去研磨产生的细小碎片后,得到的六角形片状氧化铝可以用作抛光粉。 特点:
机械法操作简单、成本低,但制得的粉体纯度低。同时,由于机械力作用导致颗粒结构和物理化学性质的变化使晶体组织不易控制。
5 、液相间接制备法
液相间接制备法是以可溶性铝盐或氢氧化铝为原料,在液相中沉淀或结晶、干燥得到氧化铝前驱体,再经高温煅烧完成α相转变的方法。该法可以克服水热法中需要高温高压的缺点。液相间接制备法中最主要的是溶胶一凝胶法。 举例:
Richard F.Hill等以一水软铝石和氢氟酸为原料,通过溶胶一凝胶法在1100℃制备出直径大于25μm的片状α-Al2O3周振君等在此基础上,通过控制溶胶的pH值以及凝胶中AlF3的含量,在1100℃下保温180min制得了直径为2μm的板状Al2O3。
特点:
和水热法类似,液相间接法也利用了液相合成出的粉体纯度高,分散性好的特点。
6 、溶胶一凝胶和熔盐结合法
除以上方法外,一些学者还将其中的两种结合起来,如新田胜久等将溶胶一凝胶法和熔盐法结合起来从而克服了熔盐法中掺杂均匀性不高的缺点,在制备片状氧化铝方面取得了很好的结果。
举例:
他将水溶性铝盐、金属碳酸盐、碱金属硫酸盐、钛盐和磷酸或磷酸盐制成含水解产物的悬浮体或凝胶,通过蒸发干燥该悬浮体或凝胶。并在900~1400℃下熔盐处理干燥产物得到一种固体,经水洗、过滤和干燥,最终制得平均粒径为5~60μm、厚度小于1μm、径厚比大于20的片状氧化铝。
特点:
与其它方法制得的片状氧化铝比较,该法制得的粉体六角形貌完美、均匀,表面光滑,几乎无色,没有孪晶和团聚现象,容易在水中分散,并且容易被金属氧化物涂敷,可以很好地应用到珠光颜料中。

来源:粉体圈 小白