一种纳米级单分散球形α-氧化铝低成本制备方法及其产品技术

本发明专利技术公开了一种纳米级单分散球形α‑氧化铝(α‑Al2O3)低成本制备方法及其产品，该纳米α‑Al2O3制备方法主要包括以下步骤：(1)将铝盐、表面改性剂和缓释碱性pH调节剂溶解于去离子水中，在机械搅拌条件下升温至80~105℃并保持0.5~5 h，溶液转移至高压反应釜，在200~300℃反应1~5 h，得前驱体分散液；(2)将铁盐溶解于上述前驱体分散液中，再次加入一定量缓释碱性pH调节剂，在机械搅拌条件下升温至80~105℃并保持0.5~5 h；(3)将产物进行过滤、清洗、烘干和高温焙烧处理；(4)于80~95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；(5)产物经离心洗涤或透析除去Fe3+和其他杂质离子，干燥后即得纳米级单分散球形α‑Al2O3颗粒。α‑Al2O3颗粒具有单一的分散性，颗粒成球形且粒径为25~115 nm。本发明专利技术制备工艺简单，成本低廉。

Low cost preparation method and product of nanometer grade monodisperse spherical alumina

The invention discloses a low-cost preparation method of nano-sized monodisperse spherical alpha alumina (alpha Al2O3) and its products. The preparation method of the nano-alpha Al2O3 mainly comprises the following steps: (1) dissolving aluminum salt, surface modifier and slow-release alkaline pH regulator in deionized water, raising the temperature to 80~105 C under mechanical stirring condition and keeping it. Hold 0.5-5 h, transfer the solution to a high-pressure reactor, react at 200-300 C for 1-5 h, get the precursor dispersion; (2) dissolve the iron salt in the precursor dispersion, then add a certain amount of slow-release alkaline pH regulator, under the condition of mechanical stirring temperature to 80-105 C and maintain 0.5-5 h; (3) filter, clean, bake the product. Dry and high-temperature roasting; (4) Removing iron oxide and other impurities from the calcined products by acid washing at 80-95 C; (5) Removing Fe 3+ and other impurities by centrifugal washing or dialysis, the nano-sized monodisperse spherical alpha_ Al2O3 particles were prepared after drying. The alpha Al2O3 particles have a single dispersion, and the particles are spherical and the particle size is 25~115 nm. The invention has simple preparation process and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米级单分散球形α-氧化铝低成本制备方法及其产品
本专利技术涉及金属氧化物纳米颗粒制备领域，确切的讲是一种单分散球形α-Al2O3纳米颗粒的低成本制备方法。
技术介绍
α-Al2O3是Al2O3的多种同质异性相中最稳定的一种，由于其原料来源丰富、价格低廉且具有高强度、高硬度、高电阻率、抗腐蚀及耐高温等优异特性，而被广泛应用于航空航天、磨料、微电子、精细陶瓷和耐火材料等各个领域。α-Al2O3在超高的温度(1200~1400℃)下才能实现相转变，颗粒在高温下易长大烧结出现硬团聚，所以当前在制备α-Al2O3的领域里最大的挑战是制备纳米级单分散球形α-Al2O3。自从纳米材料概念提出以来，解决陶瓷材料脆性问题的一条重要途径就是利用纳米级α-Al2O3制备纳米陶瓷。纳米级α-Al2O3粒度很小，表面积很大，因此用它制取烧结材料时烧结温度低，烧结速度快，烧结体致密度高。球形α-Al2O3表面能低，颗粒级配关系较好，填充份数特别大，其球形的外观对生产设备的磨耗较小，特别适用于生产各种导热工程材料。纳米级α-Al2O3具有良好的尺寸分布效应和界面效应，是一种非常好的紫外光吸收剂，可与稀土荧光粉制备成本低、寿命长的复合发光材料。随着电子元器件朝着轻量化和微型化发展，纳米级、单一分散的α-Al2O3可以用来制备集成电路的基板。随着LED行业的发展，蓝宝石衬底的需求日益增长，而纳米级单分散球形α-Al2O3对于硬底材料蓝宝石衬底显示了优良的去除速率。因此，近年来制备单一分散、颗粒均匀、流动性好的球形α-Al2O3具有重要的学术和商业意义。国内主要从韩国、日本采购单分散球形α-Al2O3，进口的产品价格高，运输周期长。目前已报道的使颗粒球形化的方法主要有喷雾热分解法、等离子体加热法、气溶胶法、超声喷雾热分解法等。但是这些方法制备的颗粒仍然较大(粒径通常为60~200μm)且存在颗粒相变不完全和烧结现象。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述制备方法的不足，创新性的将共沉淀法、高温水热法和煅烧法相结合，使用的pH调节剂在高温下可以缓慢释放出氢氧根，有利于制备出纳米级、单分散球形α-Al2O3颗粒。该方法制备的纳米α-Al2O3颗粒可以稳定的分散在水、甲醇、乙醇、异丙醇和N,N-二甲基甲酰胺等溶剂中，从而扩大了纳米α-Al2O3的应用领域。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术一种纳米级单分散球形α-Al2O3低成本制备方法，包括以下步骤：(a)将一定比例的铝盐、表面改性剂和缓释碱性pH调节剂在水中溶解，在机械搅拌条件下升温至80~105℃并保持0.5~5h，溶液转移至高压反应釜，在200~300℃反应1~5h，即得前驱体的分散液；所述表面改性剂为聚乙二醇、聚乙烯醇聚丙烯酸、聚丙烯酰胺或柠檬酸中的任一种；所述缓释碱性pH调节剂为尿素、甲酰胺或N,N-二甲基甲酰胺中的任一种。所述铝盐的铝离子和缓释碱性pH调节剂的摩尔比例为1:15~40；所述表面改性剂的用量为理论α-Al2O3产量的0.1~5wt%；(b)将一定比例的铁盐溶解于上述前驱体分散液中，再次加入一定量缓释碱性pH调节剂，在机械搅拌条件下升温至80~105℃并保持0.5~5h；所述铁盐和缓释碱性pH调节剂的摩尔比例为1:20~90；上述的铝离子与铁离子的摩尔比例为1:1~4.5；(c)将产物进行过滤、清洗、90~110℃烘干并在800~1000℃焙烧1~5h；(d)80~95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；所述酸为硫酸、硝酸或盐酸中的任一种；所述酸的浓度为2~7mol/L；(e)产物经离心洗涤或透析除去Fe3+和其他杂质离子，干燥后即得到纳米级单分散球形α-Al2O3颗粒。所述步骤(a)中铝盐优选为硝酸铝、硫酸铝或三氯化铝中的任一种。所述步骤(b)中铁盐优选为硫酸铁、硝酸铁或三氯化铁中的任一种。纳米级单分散球形α-Al2O3的应用方法：所述的产物在超声频率为20~100kHz、功率为150W的超声波清洗器上超声分散于不同溶剂中即得相应分散液；所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇或N,N-二甲基甲酰胺中的任一种；分散液固含量为0.1~20wt%；纳米级单分散球形α-Al2O3产品，包括纳米α-Al2O3粉体、纳米α-Al2O3水分散液、纳米α-Al2O3甲醇分散液、纳米α-Al2O3乙醇分散液、纳米α-Al2O3异丙醇分散液、纳米α-Al2O3N,N-二甲基甲酰胺分散液。本专利技术方法的特点和优点如下所述：(1)一种纳米级单分散球形α-Al2O3产品中纳米α-Al2O3具有单一的分散性，颗粒之间没有硬团聚，颗粒呈类球形且粒径为25~115nm。产物的分散液贮存半年不会出现明显分层。(2)制备过程工艺简单，原料来源丰富，能量消耗少，生产成本低，可用于规模化生产。特别是制备的纳米α-Al2O3呈球形，粒径可控，分散均一。制备的纳米α-Al2O3粉体可以稳定的分散在水、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺等溶剂中，让纳米α-Al2O3的应用变得更加广泛和灵活。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的纳米级单分散球形α-Al2O3颗粒的XRD图；图2是本专利技术实施例1制备的纳米级单分散球形α-Al2O3颗粒的TEM图；图3是本专利技术实施例1制备的纳米级单分散球形α-Al2O3颗粒的水分散液实物图(a)和丁达尔现象图(b)。（丁达尔现象说明α-Al2O3颗粒为纳米级别）。具体实施方式本专利技术将通过下面具体的实施例进行更详细的叙述，但本专利技术的保护范围并不受限于这些实施例。实施例1本实施例包括以下步骤：(a)将0.004mol硝酸铝、0.00204g聚丙烯酰胺在室温和搅拌的条件下溶解于200mL去离子水中，然后称取4.535g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至90℃并保持2h。溶液转移至高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至250℃并保持3h，自然降温后制得前驱体的分散液；(b)称取0.01mol硝酸铁在室温和搅拌的条件下溶解于(a)中的前驱体分散液，然后称取25.706g尿素加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至90℃并保持3h；(c)停止搅拌，所得产物用去离子水和乙醇进行清洗和过滤、至于80℃的烘箱干燥24h，转入马弗炉中800℃焙烧处理3h；(d)产物加入足量4mol/L的硫酸，在95℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；(e)产物经离心洗涤或透析除去Fe3+和其他杂质离子，于烘箱80℃干燥后即得到α-Al2O3颗粒。从XRD(图1)可知，得到了α-Al2O3纯相。从TEM(图2)看，颗粒呈球形，无明显烧结现象，完全分散。平均粒径为70nm，粒径分布为50~100nm；(f)将除去杂质离子的α-Al2O3纳米颗粒加入一定量的去离子水中，在超声频率为20~100kHz、功率为150W的超声波清洗器上超声分散2h即得相应固含量的纳米α-Al2O3水分散液。实施例2本实施例包括以下步骤：(a)将0.002mol硫酸铝、0.00204gPEG在室温和搅拌的条件下溶解于200mL去离子水中，然后量取6mL甲酰胺加入该溶液中。在3℃/min的条件下升温至100℃并保持2h。溶液转移至高压反应釜中，以5℃/min的升温速率升至200℃并保持3h，自然降温后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米级单分散球形α‑Al2O3低成本制备方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：(a)将一定比例的铝盐、表面改性剂和缓释碱性pH调节剂在水中溶解，在机械搅拌条件下升温至80~105 ℃并保持0.5~5 h，溶液转移至高压反应釜，在200~300 ℃反应1~5 h，即得前驱体的分散液；所述表面改性剂为聚乙二醇、聚乙烯醇聚丙烯酸、聚丙烯酰胺或柠檬酸中的任一种；所述缓释碱性pH调节剂为尿素、甲酰胺或N, N‑二甲基甲酰胺中的任一种，所述铝盐的铝离子和缓释碱性pH调节剂的摩尔比例为1: 15~40；所述表面改性剂的用量为理论α‑Al2O3产量的0.1~5 wt %；(b)将一定比例的铁盐溶解于上述前驱体分散液中，再次加入一定量缓释碱性pH调节剂，在机械搅拌条件下升温至80~105 ℃并保持0.5~5 h；所述铁盐和缓释碱性pH调节剂的摩尔比例为1: 20~90；上述的铝离子与铁离子的摩尔比例为1:1~4.5；(c)将产物进行过滤、清洗、90~110 ℃烘干并在800~1000 ℃焙烧1~5 h；(d)80~95 ℃酸洗除去煅烧产物中的氧化铁和其他杂质；所述酸为硫酸、硝酸或盐酸中的任一种；所述酸的浓度为2~7 mol/L；(e)产物经离心洗涤或透析除去Fe3+和其他杂质离子，干燥后即得到纳米级单分散球形α‑Al2O3颗粒。...

【技术特征摘要】
1.一种纳米级单分散球形α-Al2O3低成本制备方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：(a)将一定比例的铝盐、表面改性剂和缓释碱性pH调节剂在水中溶解，在机械搅拌条件下升温至80~105℃并保持0.5~5h，溶液转移至高压反应釜，在200~300℃反应1~5h，即得前驱体的分散液；所述表面改性剂为聚乙二醇、聚乙烯醇聚丙烯酸、聚丙烯酰胺或柠檬酸中的任一种；所述缓释碱性pH调节剂为尿素、甲酰胺或N,N-二甲基甲酰胺中的任一种，所述铝盐的铝离子和缓释碱性pH调节剂的摩尔比例为1:15~40；所述表面改性剂的用量为理论α-Al2O3产量的0.1~5wt%；(b)将一定比例的铁盐溶解于上述前驱体分散液中，再次加入一定量缓释碱性pH调节剂，在机械搅拌条件下升温至80~105℃并保持0.5~5h；所述铁盐和缓释碱性pH调节剂的摩尔比例为1:20~90；上述的铝离子与铁离子的...

【专利技术属性】
技术研发人员：施利毅，余文琪，付继芳，陈立亚，李濛濛，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31