專利名稱：制備α－氧化鋁粒子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備α-氧化鋁粒子的方法，所述α-氧化鋁粒子高效地進(jìn)行研磨和拋光操作。
背景技術(shù)：
α-氧化鋁粒子是鋁氧化物之一。α-氧化鋁粒子具有剛玉結(jié)構(gòu)和高的硬度，并且廣泛用作研磨劑。
至于制備α-氧化鋁粒子的方法，已知包含煅燒α-氧化鋁前體如鋁鹽和鋁醇鹽步驟的方法。(例如，JP-A 2003-277048)。
近來，考慮到縮短研磨或拋光的時(shí)間，要求α-氧化鋁粒子高效地進(jìn)行研磨和拋光操作。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明概述本發(fā)明人研究了用于制備高效地進(jìn)行研磨和拋光操作的α-氧化鋁粒子的方法，結(jié)果完成了本發(fā)明。
即，本發(fā)明提供一種制備α-氧化鋁粒子的方法，該方法包含以下步驟(1)在不低于可熱解鹽分解的溫度且低于無定形氧化鋁轉(zhuǎn)變成為α-氧化鋁的溫度的溫度下，加熱含有無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物；和(2)在600Pa或更低的水蒸汽的分壓條件下，煅燒生成物。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明制備α-氧化鋁粒子的方法包含步驟(1)，其中在不低于可熱解鹽分解的溫度且低于無定形氧化鋁轉(zhuǎn)變成為α-氧化鋁的溫度的溫度下，加熱含有無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物。
本發(fā)明方法中使用的無定形氧化鋁在由X-射線衍射儀測(cè)量的X-射線衍射光譜中具有不明顯的峰，并且通常以粒子的形式存在。如稍后所述，無定形氧化鋁可以轉(zhuǎn)變?yōu)棣?氧化鋁，且其轉(zhuǎn)變溫度通常為約600℃或以上。無定形氧化鋁例如可以通過水解鋁化合物的方法得到。
鋁化合物典型地為酸的鋁鹽或鋁醇鹽。該酸可以是無機(jī)酸如硝酸，硫酸，碳酸和鹽酸，或有機(jī)酸如草酸，乙酸，硬脂酸，乳酸和月桂酸。鋁鹽的實(shí)例包括無機(jī)鋁鹽如硝酸鋁，硝酸鋁銨，硫酸鋁，硫酸鋁銨，碳酸鋁，碳酸鋁銨，氯化鋁和銨礬；和有機(jī)鋁鹽如草酸鋁，乙酸鋁，硬脂酸鋁，乳酸鋁和月桂酸鋁。當(dāng)使用為水溶性的鋁鹽時(shí)，通過混合鋁鹽與水得到鋁鹽的水溶液。由于水溶液通常是酸性的，可以通過混合鋁鹽與堿進(jìn)行鋁鹽的水解。例如，將鋁鹽溶解于水中，得到水溶液，然后將水溶液與堿混合，得到鋁鹽的水解產(chǎn)物。與水溶液混合的堿的實(shí)例包括碳酸銨水溶液，碳酸氫銨水溶液，氨水。水解通常得到含有水解產(chǎn)物和溶劑如水等的漿液。當(dāng)將鋁鹽水解時(shí)，可以在水解前向水溶液中加入以下描述的晶種。當(dāng)通過與堿混合來水解含有晶種的水溶液時(shí)，得到含有與晶種均勻分散的水解產(chǎn)物的漿液。通過從漿液中蒸發(fā)溶劑或通過過濾漿液，得到固體，接著干燥，得到無定形氧化鋁?？梢赃M(jìn)一步粉碎所得到的無定形氧化鋁。
鋁醇鹽的實(shí)例包括異丙醇鋁，仲丁醇鋁和叔丁醇鋁。通過將通?？扇苡谟袡C(jī)溶劑的鋁醇鹽與有機(jī)溶劑混合，鋁醇鹽可以形成鋁醇鹽溶液。鋁醇鹽的水解可以通過向鋁醇鹽溶液加入水來進(jìn)行。水解通常得到含有水解產(chǎn)物、有機(jī)溶劑和水的漿液。當(dāng)鋁醇鹽水解時(shí)，可以在水解前向鋁醇鹽溶液中加入晶種。當(dāng)通過與水混合來水解含有晶種的水溶液時(shí)，得到含有與晶種均勻分散的水解產(chǎn)物的漿液。通過從漿液中蒸發(fā)有機(jī)溶劑和水或通過過濾漿液的混和物，得到固體，接著干燥，得到無定形氧化鋁?？梢赃M(jìn)一步粉碎所得到的無定形氧化鋁。
本發(fā)明中使用的可熱解鹽是一種在低于上面所述的無定形氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)棣?氧化鋁的溫度下可分解的鹽?？蔁峤恹}的實(shí)例包括無機(jī)銨鹽，如硝酸銨，硫酸銨，亞硫酸銨，硫酸氫銨(ammonium bisulfate)，硫酸氫銨(ammonium hydrogensulfate)，氯化銨，高氯酸銨，硫化銨，硫代硫酸銨，氨基硫酸銨，碳酸銨，碳酸氫銨和硼酸銨；和有機(jī)銨鹽，如甲酸銨，草酸銨，苯甲酸銨，乙酸銨，硬脂酸銨，乳酸銨，月桂酸銨，己二酸銨，藻酸銨和酒石酸氫銨。基于100重量份的無定形氧化鋁，可熱解鹽的量通常為100重量份或以上，優(yōu)選為200重量份或以上，且為1000重量份或以下，優(yōu)選為800重量份或以下。
無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物可以通過將上面所述的無定形氧化鋁和可熱解鹽混合來制備?？梢詫⒕ХN加入至所得到的混合物中。
備選地，無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物可以通過如下來制備將鋁鹽如無機(jī)鋁鹽和有機(jī)鋁鹽與銨的水溶液混合以部分地水解該鋁鹽，然后從生成物中除去水。
將得到的混合物加熱。加熱是在不低于可熱解鹽分解的溫度且低于無定形氧化鋁轉(zhuǎn)變成為α-氧化鋁的溫度的溫度下進(jìn)行的。加熱溫度通常為約100℃或更高，優(yōu)選約300℃或更高，進(jìn)一步優(yōu)選為約350℃或更高，且通常低于約600℃。加熱(以下稱作熱解)可以在下面的條件下進(jìn)行即從常溫至可熱解鹽的分解溫度的加熱速度通常為約50℃/小時(shí)或以上，優(yōu)選為約100℃/小時(shí)或以上，且通常為約1000℃/小時(shí)或以下，優(yōu)選為約500℃/小時(shí)或以下；熱解時(shí)間通常為約10分鐘或以上，優(yōu)選為約30分鐘或以上，且通常為約24小時(shí)或以下，優(yōu)選為10小時(shí)或以下。可以通過使用例如下列裝置來進(jìn)行熱解管狀電爐，箱式電爐，隧道式爐，遠(yuǎn)紅外爐，微波爐，豎爐，反射爐，轉(zhuǎn)爐和輥底式爐。由于在熱解時(shí)從可熱解鹽產(chǎn)生的氣體，優(yōu)選在排放該氣體或使惰性氣體如氮?dú)夂蜌鍤馔ㄟ^來進(jìn)行熱解。當(dāng)使用晶種時(shí)，可以將晶種與通過熱解得到的混合物加入。
本發(fā)明進(jìn)一步包含煅燒步驟(1)或任選的制備如上所述含無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物的步驟的生成物的步驟(2)。
煅燒是在下面的條件下進(jìn)行的水蒸汽的分壓約為600Pa或更低(在總氣壓為0.1MPa的情況下，露點(diǎn)0℃)，優(yōu)選165Pa或更低(露點(diǎn)-15℃或更低)，更優(yōu)選40Pa或更低(露點(diǎn)-30℃或更低)。煅燒可以在空氣或惰性氣體如氮?dú)夂蜌鍤獾臍夥障逻M(jìn)行，前提條件是所述的氣氛充分地滿足上面所述的水蒸汽的分壓條件。此外，煅燒可以在常壓(1atm)、加壓氣氛或減壓氣氛中進(jìn)行。煅燒溫度不低于無定形氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)棣?氧化鋁的溫度。煅燒溫度通常為600℃或更高，更優(yōu)選為700℃或更高，且通常為1000℃或更低，優(yōu)選為950℃或更低。至無定形氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)棣?氧化鋁的溫度的加熱速率通常為約50℃/小時(shí)或以上，優(yōu)選為約100℃/小時(shí)或以上，且通常為約1000℃/小時(shí)或以下，優(yōu)選為約500℃/小時(shí)或以下；且煅燒時(shí)間通常為約10分鐘或以上，優(yōu)選為約30分鐘或以上，且通常為約24小時(shí)或以下，優(yōu)選為約10小時(shí)或以下。
可以通過使用例如下列裝置來進(jìn)行煅燒管狀電爐，箱式電爐，隧道式爐，遠(yuǎn)紅外爐，微波爐，豎爐，反射爐，轉(zhuǎn)爐和輥底式爐。由于在煅燒時(shí)從無定形氧化鋁產(chǎn)生的水的可能性，通常如下進(jìn)行煅燒使用通過型爐，其中在從該爐排氣的同時(shí)，引入調(diào)節(jié)水蒸汽分壓的氣體。在煅燒氣氛中水蒸汽的分壓保持在600Pa或更低的情況下，可以通過使用密封型爐進(jìn)行煅燒。
優(yōu)選煅燒在晶種的存在下進(jìn)行。晶種例如是α-氧化鋁，水鋁石，氧化鐵，氧化鉻或氧化鈦。晶種具有的BET比表面積通常為約12m2/g或以上，優(yōu)選為約15m2/g或以上，且通常為約150m2/g或以下，優(yōu)選為約50m2/g或以下?；诤瑹o定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物的量，晶種的量通常為約1重量％或以上，優(yōu)選為約2重量％或以上，更優(yōu)選為約5重量％或以上，且通常為約50重量％或以下，優(yōu)選為約30重量％或以下。優(yōu)選進(jìn)一步將晶種進(jìn)行粉碎。
通過上面所述的制備方法得到的α-氧化鋁粒子具有的α-比率為約90％或以上，優(yōu)選為約95％或以上，且初級(jí)粒子平均直徑為約10nm或以上且約200nm或以下。該α-氧化鋁粒子高效地進(jìn)行研磨和拋光操作。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例由下面的實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
通過下面的方法評(píng)估α-氧化鋁和晶種的性能。
(1)α-比率它通過使用在2θ＝25.6°的峰強(qiáng)度I25.6和在2θ＝46°的峰強(qiáng)度I46，根據(jù)下式(i)計(jì)算，所述的峰強(qiáng)度I25.6對(duì)應(yīng)于α-氧化鋁(012)的峰強(qiáng)度，且所述的峰強(qiáng)度I46對(duì)應(yīng)于除α-氧化鋁外的過渡氧化鋁的峰強(qiáng)度，所述的峰強(qiáng)度來自于通過使用粉末X-射線衍射儀在下面的條件測(cè)量的衍射光譜輻射源CuKα光束，40kV×20mA，單色儀石墨，α-比率＝I25.6/(I25.6+I46)×100(％)(i)(2)初級(jí)粒子平均直徑由α-氧化鋁粉末的透射電子顯微鏡相片，測(cè)量沿著任何20顆或以上的粒子的每一顆初級(jí)粒子的恒定方向的最大直徑，并且計(jì)算測(cè)量值的平均值。
(3)BET比表面積它通過使用比表面積分析儀(商品名“FLOWSORB II 2300”，由Shimadzu corporation制造)，由氮吸收法來測(cè)量。
(4)相對(duì)研磨速度將五十(50)克樣品和5.4kg直徑為15mm的氧化鋁介質(zhì)放置于容積為3.3L的振動(dòng)球磨機(jī)中，接著操作振動(dòng)球磨機(jī)12分鐘，然后回收α-氧化鋁粒子。將2重量份的α-氧化鋁粒子與98重量份的水混合，得到懸浮液。通過連續(xù)地用懸浮液加入來研磨單晶鐵素體。測(cè)量在操作中單晶鐵素體單位時(shí)間所減少的厚度。由測(cè)量的研磨速度(單位時(shí)間所減少的厚度)相對(duì)于高純度氧化鋁(商品名“AKP-20”，由Sumitomo Chemical Co.，Ltd.制備)的研磨速度(單位時(shí)間所減少的厚度)的值，來估計(jì)相對(duì)研磨速度，且通過使高純度氧化鋁的研磨速度為100來表示。
(5)分散性將一(1)重量份的樣品與95重量份的水和0.01重量份的分散劑(商品名“SN Dispersant 5468”，由Sannopco Ltd.制備)，得到漿液；通過介質(zhì)攪拌磨(商品名“1/4G單缸型SandGrinderw”，由Aimex Co.，Ltd.制造)，由下面的條件分散漿液
介質(zhì)直徑為0.65mm的氧化鋯珠粒，攪拌速度2000rpm保留時(shí)間30分鐘。
通過使用粒度分布分析儀(商品名“Microtrac”，由Nikkiso Co.，LTD.制造)來測(cè)量進(jìn)行分散處理的樣品的平均顆粒直徑，用作分散性的指數(shù)。平均顆粒直徑越小，分散性越優(yōu)良。
實(shí)施例1[晶種漿液的制備]水解異丙醇鋁得到氫氧化鋁，接著預(yù)煅燒，得到中間產(chǎn)物氧化鋁，其中主要晶相為θ相且含有3重量％的α相，然后將中間產(chǎn)物氧化鋁由噴磨機(jī)研磨，得到堆積密度為0.21g/cm3的粉末。
在下面的條件下，將得到的粉末在爐子中煅燒，所述的爐子充滿了露點(diǎn)為-15℃的空氣(水蒸汽的分壓165Pa)模式連續(xù)加入和排出，平均保留時(shí)間3小時(shí)，最高溫度1170℃，于是得到BET比表面積為14m3/g的α-氧化鋁粉末。
將一百(100)重量份的α-氧化鋁粉末和1重量份作為粉碎劑的丙二醇加入至振動(dòng)磨中，以在下面的條件下粉碎α-氧化鋁粉末介質(zhì)直徑為15mm的氧化鋁珠粒，保留時(shí)間12小時(shí)。
因而，得到BET比表面積為17.2m3/g且平均顆粒直徑為0.1μm的晶種。
在150g的0.01摩爾/L的硝酸鋁水溶液中，分散37.5g晶種，得到漿液。在容積為1L的塑料容器中，加入該漿液和700g直徑為2mm的氧化鋁珠粒，然后攪拌。取出容器中的內(nèi)容物，通過過濾除去氧化鋁珠粒，于是得到晶種漿液。
將750.26g(2摩爾)的9水合硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O)(由Kansai CatalystCo.，Ltd.制備，試劑級(jí)，外觀粉末)溶解于1555.7g的水中，得到硝酸鋁溶液。用56.67g上面所述的晶種(按Al2O3計(jì)11.33g)加入硝酸鋁水溶液，然后，在攪拌下，于室溫，以32g/分鐘的進(jìn)料速率，由微型回轉(zhuǎn)泵進(jìn)一步加入340.46g的25％氨水溶液(由Wako Pure Chemical Industries，Ltd.制備，特種試劑級(jí))，即按NH3計(jì)85.12g(5摩爾)，得到混合物。所得到的混合物的pH為3.8。將混合物保持在室溫，接著于60℃干燥，然后用研缽粉碎，得到混合粉末。該混合粉末含有85g(按Al2O3計(jì))的無定形氧化鋁、390g(按NH4NO3計(jì))的硝酸銨(熱解溫度約330℃)、71g(按Al(NO3)3計(jì))的硝酸鋁(熱解溫度約150℃)和所述的晶種。晶種按Al2O3計(jì)的量為10重量份/100重量份的混合粉末。
通過使用容積為79L的轉(zhuǎn)底爐(由Takasago Industry Co.，Ltd.制造)在下面的條件下熱解混合粉末模式連續(xù)加入，連續(xù)排出，粉末進(jìn)料速率30g/分鐘爐溫進(jìn)口390℃出口490℃氣體進(jìn)料速率10標(biāo)L-氮?dú)?N2)/分鐘，在爐子的內(nèi)部氣氛被氮?dú)庵脫Q后進(jìn)行熱解。
將從回轉(zhuǎn)爐中排出的粉末放置于由氧化鋁制成的坩堝中，接著將坩堝放入爐子中。然后，在使水蒸汽分壓為13Pa的空氣通過爐子的條件下，以300℃/小時(shí)的升溫速率，將粉末加熱至940℃，接著保持于940℃3小時(shí)進(jìn)行煅燒。α-氧化鋁粒子的性質(zhì)示于表1中。
實(shí)施例2進(jìn)行與實(shí)施例1相同的操作，不同之處在于在混合粉末的制備中，將晶種的量改變至218.57g(按Al2O3計(jì)43.71g)，且將氨水的量改變至40g(按NH3計(jì)10g)，并且在煅燒中，將溫度改變至920℃。α-氧化鋁粒子的性質(zhì)示于表1中。
在此實(shí)施例中，晶種的量為30重量份/100重量份的混合粉末。
比較例1進(jìn)行實(shí)施例1相同的操作，不同之處在于將煅燒氣氛中的水蒸汽分壓改變至1200Pa。α-氧化鋁粒子的性質(zhì)示于表1中。
比較例2通過水解異丙醇鋁得到氫氧化鋁，接著干燥，預(yù)煅燒，然后粉碎，得到氧化鋁粉末，其中主要的晶相是θ相且含有3重量％的α相。
將得到的100g氧化鋁粉末加入至容積為8 L的管式爐(由Motoyama Co.，Ltd.制造)。然后，在使水蒸汽分壓為165Pa的空氣以1標(biāo)L-空氣/分鐘的速度通過爐子的條件下，將氧化鋁粉末加熱至1170℃，接著保持于1170℃3小時(shí)進(jìn)行煅燒，于是得到α-氧化鋁粒子。α-氧化鋁粒子的性質(zhì)示于表1中。
表1.α-氧化鋁粒子的性質(zhì)

權(quán)利要求
1.一種制備α-氧化鋁粒子的方法，該方法包含以下步驟(1)在不低于可熱解鹽分解的溫度且低于無定形氧化鋁轉(zhuǎn)變成為α-氧化鋁的溫度的溫度下，加熱含有無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物；和(2)在水蒸汽的分壓約為600Pa或更低的條件下，煅燒生成物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法進(jìn)一步包含通過水解鋁鹽制備無定形氧化鋁的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的水解是通過混合鋁鹽與堿而進(jìn)行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，該方法進(jìn)一步包含從無定形氧化鋁中除去水的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的可熱解鹽是選自無機(jī)銨鹽和有機(jī)銨鹽中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述的無機(jī)銨鹽是選自下列中的至少一種硝酸銨，硫酸銨，亞硫酸銨，硫酸氫銨，硫酸氫銨，氯化銨，高氯酸銨，硫化銨，硫代硫酸銨，氨基硫酸銨，碳酸銨，碳酸氫銨，硼酸銨。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述的有機(jī)銨鹽是選自下列中的至少一種甲酸銨，草酸銨，苯甲酸銨，乙酸銨，硬脂酸銨，乳酸銨，月桂酸銨，己二酸銨，藻酸銨和酒石酸氫銨。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的可熱解鹽的量為約100至1000重量份/100重量份的無定形氧化鋁。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的煅燒是在晶種的存在下進(jìn)行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述的晶種具有的BET比表面積為約12m2/g或以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中基于含無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物的量，所述的晶種的量為約1重量％至約50重量％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的煅燒溫度為約600℃至1000℃。
13.一種α-氧化鋁粒子，其是通過權(quán)利要求1所述的方法得到的，并且具有的α-比率不低于約90％且平均粒子直徑為約10至200nm。
14.一種制備α-氧化鋁粒子的方法，該方法包含以下步驟(1)在不低于約100℃且低于約600℃的溫度下，加熱含有無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物；和(2)在水蒸汽的分壓約為600Pa或更低的條件下，煅燒生成物。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備α－氧化鋁粒子的方法。所述制備α－氧化鋁粒子的方法包含以下步驟(1)在不低于可熱解鹽分解的溫度且低于無定形氧化鋁轉(zhuǎn)變成為α－氧化鋁的溫度的溫度下，加熱含有無定形氧化鋁和可熱解鹽的混合物；和(2)在水蒸汽的分壓約為600Pa或更低的條件下，煅燒生成物。
文檔編號(hào)C01F7/30GK1673086SQ20051005437
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者真木一, 竹內(nèi)美明 申請(qǐng)人:住友化學(xué)株式會(huì)社