片状α-Al2O3的制备研究

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α-Al2O3属于刚玉结构,由于其独特的化学与物理性质而具有硬度高、耐腐蚀、耐磨损、高温稳定及绝缘性好等优点。片状α-Al2O3除了具有普通α-Al2O3的物理化学性质外,还具有特殊的二维结构,并且片状α-Al2O3晶体由于表面活性适中,良好的附着力,对光线具有良好的反射能力而在化妆品、珠光颜料、陶瓷增韧等方面有着广阔的应用,以片状α-Al2O3作为基底的珠光颜料被誉为现代精细化工的艺术品。较大粒径及粒度尺寸分布均匀的片状α-Al2O3是制备高性能珠光颜料的基础,因此大粒径片状α-Al2O3的制备至关重要。在片状α-Al2O3的制备方法中,溶胶凝胶法与熔盐法由于操作简单、可大规模生产等优点倍受关注。本文以溶胶凝胶-熔盐法为基础,从凝胶制备工艺与形貌调整剂两个方面进行研究,并创新性地将片状晶种与煅烧策略相结合,制备了较大粒径的片状氧化铝晶体。最后,对片状α-Al2O3进行了后处理。本文的主要研究内容如下:1、铝凝胶制备工艺及煅烧方式优化(1)以十八水合硫酸铝为铝源,硫酸钠与硫酸钾为熔盐,碳酸钠与十二水合磷酸钠为沉淀剂制备凝胶形成溶胶凝胶-熔盐体系。凝胶制备过程中对陈化温度、陈化时间、滴加速率、搅拌速率进行了考察,发现凝胶粒度随着陈化温度的升高与陈化时间的延长而减小;慢速滴加与快速搅拌使得凝胶有更好的分散性与稳定性,而且凝胶颗粒随着滴加速率的减慢与搅拌速率的增加而呈现减小趋势,最终确定条件:沉淀剂以2 m L/min的滴加速率滴加至铝盐溶液后,调节p H为7,保持搅拌速率为600 rpm,滴加完毕后升温至90 oC,陈化24 h,得到颗粒尺寸在300 nm左右的凝胶颗粒,经过表征发现前驱体由无定型γ-Al OOH组成,相变过程为400 oC时转化为γ-Al2O3,800 oC下γ-Al2O3开始转化为α-Al2O3,1000 oC完全转化为α-Al2O3。(2)探究形貌调整剂对片状α-Al2O3制备的影响,选择两种形貌调整剂:Zn SO4与Sn SO4,探究了Zn SO4与Sn SO4复合添加时对片状氧化铝形貌及粒度的影响。发现当固定Sn SO4的添加量,调控Zn SO4的添加量时,粒径随着添加量增多逐渐减小;当固定Zn SO4的添加量,调控Sn SO4的添加量时,粒径随着添加量增多逐渐增大,为了确定两类形貌调整剂的最佳比例,对两类形貌调整剂进行了组合实验,最终确定Zn SO4最佳添加量为2%,Sn SO4最佳添加量为0.4%。2、晶种制备研究及晶种引入对片状α-Al2O3的影响(1)以水热法与液相沉淀法制备片层状γ-Al OOH与六角片状α-Al2O3作为晶种,考察了水热时间、表面活性剂、p H对片层状γ-Al OOH相变及形貌的影响以及各类添加剂对片状α-Al2O3晶种的影响,并将片层状γ-Al OOH晶种与片状α-Al2O3晶种分别引入,发现引入片状α-Al2O3晶种后,煅烧后得到的片状α-Al2O3晶体粒径相比于片层状γ-Al OOH晶种有明显增长。对晶种添加量进行了考察,结果表明当添加量为1%时效果最佳,当晶种添加量少于1%时,粒径增长不明显;添加量高于1%,会导致严重的团聚。对晶种引入后片状α-Al2O3的生长机理进行了考察,发现片状氧化铝在晶种的基础上进行生长,逐层外推。3、大粒径片状α-Al2O3样品制备及后处理当片状α-Al2O3粒径达到一定尺寸后,片状α-Al2O3存在断裂问题。断裂出现的原因为晶体内部残余应力,残余应力包括煅烧后产生的热应力以及晶体内部的应力,而晶体内部残余的热应力可以通过优化煅烧方式进行释放。本章采用程序控温对晶体内部热应力进行释放。结果表明,在1100 oC降温至900 oC时,控制其慢速降温,有利于其热应力的释放,实现晶体粒径的进一步增长,最佳的降温方式为1100oC通过2 h降温至900 oC,然后经过1.5 h降温至600 oC。随后,将得到的大粒径的片状α-Al2O3进行了过筛与沉速分离进行分选,发现相同粒度的片状晶体与团聚体难以分离。后续工作对熔盐进行了重复利用,研究表明随着使用次数的增多,引入的Si与Ca杂质元素含量增加,导致效果变差。
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