α-氧化鋁粉體分散性該如何提高

   α-Al2O3粉體作為獲得各種氧化鋁材料的基礎(chǔ)原料，其性能非常關(guān)鍵，高質(zhì)量、高性能的氧化鋁粉體要求做到高純、超細(xì)、有較窄的粒徑分布、沒(méi)有嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象、分散性好等。在氧化鋁粉體的制備過(guò)程中，影響氧化鋁粉體分散性的因素主要有以下兩個(gè)方面。

1、前驅(qū)體對(duì)氧化鋁粉體分散性的影響

　　目前用于制備高純超細(xì)氧化鋁的方法主要是沉淀法，即通過(guò)對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行鍛燒制備粉體。在這一過(guò)程中，前驅(qū)體是影響產(chǎn)物分散性的關(guān)鍵因素。

　　制備氧化鋁粉體的前驅(qū)體主要包括水合氧化鋁、硫酸鋁銨和碳酸鋁銨，這些前驅(qū)體由溶液中經(jīng)沉淀形成，其顆粒粒徑、分散狀態(tài)及相轉(zhuǎn)變溫度等均對(duì)產(chǎn)物的分散性有明顯影響。

　　在鋁鹽與沉淀劑反應(yīng)產(chǎn)生前驅(qū)體沉淀的過(guò)程中，所生成的沉淀物包括成核和晶核長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。在成核階段，晶粒尺寸非常細(xì)小，具有極高的表面能。表面的缺陷較多，存在大量的懸鍵和不飽和鍵，使顆粒帶電導(dǎo)致其自由能很高。根據(jù)熱力學(xué)角度，團(tuán)聚狀態(tài)比分散狀態(tài)要穩(wěn)定，所以溶液中的細(xì)顆粒總是有團(tuán)聚的趨勢(shì)。

　　此外，在兩種溶液混合時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)混合濃度不均勻的現(xiàn)象。這時(shí)濃度高的區(qū)域或者兩種溶液先接觸的區(qū)域就會(huì)先生成晶核，隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，先生成的晶核不斷長(zhǎng)大，成為粒徑較大的粒子，而其他濃度低的或者后接觸的區(qū)域才開(kāi)始生成細(xì)小的粒子并逐漸長(zhǎng)大。

　　此時(shí)，后生成的細(xì)小的粒子會(huì)吸附在先生成的大粒子表面，通過(guò)表面反應(yīng)和擴(kuò)散熔合作用成為更大的粒子。但如果熔合的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)吸附更多的細(xì)小粒子，從而形成團(tuán)聚體。

　　總之，溶液內(nèi)部顆粒的團(tuán)聚是個(gè)十分復(fù)雜且可逆的過(guò)程，即團(tuán)聚和分散處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，任何細(xì)微的變化都會(huì)導(dǎo)致顆粒的狀態(tài)發(fā)生改變。

　　氧化鋁前驅(qū)粉體生成的同時(shí)，還伴隨著生成其他副產(chǎn)物，所以要進(jìn)行抽濾以洗去副產(chǎn)物。但是抽濾后的濾餅中，氧化鋁前驅(qū)體含有大量的結(jié)構(gòu)和吸附水。在烘箱干燥過(guò)程，水分不斷蒸發(fā)，前驅(qū)體凝膠出現(xiàn)彎月液面的空隙，導(dǎo)致毛細(xì)管收縮，使粉體緊密的連接在一起形成團(tuán)聚體。

　　另一方面，抽濾過(guò)程中使用的去離子水在干燥時(shí)容易產(chǎn)生氫鍵粘合作用，造成硬團(tuán)聚。這些團(tuán)聚過(guò)程都是不可逆的，硬團(tuán)聚體一旦形成，很難再將它們徹底分離開(kāi)。因此，要獲得分散性好的粉體，控制前驅(qū)體的團(tuán)聚狀態(tài)是至關(guān)重要的。

對(duì)前驅(qū)體團(tuán)聚的調(diào)控手段主要包括以下幾種：

（1）分散劑調(diào)控

　　當(dāng)前驅(qū)體沉淀在液體中生成時(shí)，由于顆粒之間具有范德華和靜電引力，故此一般在沉淀生成之前加入分散劑加以調(diào)控。一般地，根據(jù)分散原理的不同常選用硫酸銨[(NH4)2SO4]和聚乙二醇(PEG)。其中，硫酸銨具有靜電分散的作用，使顆粒帶上相同的電荷，相互排斥達(dá)到分布均勻的狀態(tài)。

（2）有機(jī)物洗滌

　　采用無(wú)水乙醇等有機(jī)物洗滌前驅(qū)體，可以用表面張力小的有機(jī)溶劑置換顆粒表面吸附的自由水，減小氫鍵的作用和顆粒聚集的毛細(xì)管力，抑制顆粒的團(tuán)聚。同時(shí)，有機(jī)試劑官能團(tuán)（-OC2H5）能取代膠粒表面部分非架橋羥基（-OH），起到一定的空間位阻作用，這樣就可減輕或消除硬團(tuán)聚的產(chǎn)生。

（3）機(jī)械和超聲分散

　　團(tuán)聚的破壞主要是靠機(jī)械力和超聲波。常用的機(jī)械分散方法有球磨法，球磨法又可分為球磨、氣流磨、振動(dòng)磨。球磨分散具有很強(qiáng)的機(jī)械力，打破粉體的團(tuán)聚體，同時(shí)也可以減小粉體的粒徑、提高粉體的球形度。但在球磨提高分散性的同時(shí)，容易引入雜質(zhì)。另一方面，球磨時(shí)間以及轉(zhuǎn)速都會(huì)對(duì)分散性有很大的影響，粉體在球磨的過(guò)程中會(huì)被打細(xì)，但是細(xì)到一定程度后，粉體的表面能急劇增加，又會(huì)出現(xiàn)“二次團(tuán)聚”現(xiàn)象。

　　超聲分散是在超聲場(chǎng)中，利用超聲波在溶液局部產(chǎn)生的巨大的沖擊力和微射流等“空化”作用，使顆粒分散，但需注意的是，長(zhǎng)時(shí)間的產(chǎn)生工作會(huì)使體系中的介質(zhì)吸收波而轉(zhuǎn)化為熱能，大量的熱量會(huì)影響粒子的成核以及長(zhǎng)大過(guò)程。另外，超聲分散雖可以獲得理想的效果，但是大規(guī)模使用超聲分散能耗過(guò)大，難以在工業(yè)范圍中推廣使用。

　　除以上幾種方法外，在前驅(qū)體的干燥階段，采用特殊干燥工藝如噴霧冷凍干燥和超臨界流體干燥等，也可以進(jìn)一步改善顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象。

2、煅燒工藝對(duì)粉體分散性的影響

　　由于前驅(qū)體超細(xì)的粒徑，使其具有超高的表面能和燒結(jié)活性。在低溫?zé)Y(jié)過(guò)程中團(tuán)聚的前驅(qū)體優(yōu)先燒結(jié)，形成燒結(jié)頸進(jìn)而形成大的團(tuán)聚體。當(dāng)煅燒溫度過(guò)高時(shí)，此時(shí)粉體的擴(kuò)散速度加快，團(tuán)聚體會(huì)繼續(xù)燒結(jié)，降低粉體活性，同時(shí)也不利于后續(xù)陶瓷氣孔的排除和致密化。因此控制合理的煅燒制度對(duì)減輕團(tuán)聚現(xiàn)象尤為重要。

　　已有大量工作致力于降低α-Al2O3的形成溫度，來(lái)達(dá)到控制α-Al2O3粉體的粒徑分布及分散性的目的，比如通過(guò)引入無(wú)機(jī)添加劑、晶種或機(jī)械球磨等方法來(lái)制備性能良好的α-Al2O3粉體。

（1）加入晶種對(duì)α-Al2O3粉體分散性的影響

　　己有的研究表明在高溫煅燒階段添加晶種可以影響α-Al2O3相變過(guò)程中的成核勢(shì)壘。晶種可以為體系提供低能量的異相成核點(diǎn)，降低形核勢(shì)壘及相應(yīng)的活化能，降低相變溫度，從而避免高溫下的燒結(jié)、團(tuán)聚、顆粒粗化等現(xiàn)象，得到高分散性的α-Al2O3粉體。

（2）機(jī)械球磨處理對(duì)α-Al2O3粉體分散性的影響

　　基于機(jī)械能對(duì)固態(tài)反應(yīng)的有益影響，機(jī)械球磨被廣泛用于活化各種前驅(qū)物粉體，促降低其相轉(zhuǎn)變溫度。前驅(qū)體的球磨活化可有效降低α-Al2O3的形成溫度，減弱因高溫煅燒引起的燒結(jié)、團(tuán)聚等現(xiàn)象，提高α-Al2O3粉體的分散性。