專利名稱：一種利用熱等離子體制備氧化鋁的方法及其產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋁的制備方法，尤其涉及一種利用熱等離子體制備氧化鋁的方法。
背景技術(shù)：
氧化鋁是一種重要的工業(yè)品，氧化鋁最主要的用途是供電解煉鋁用，電解煉鋁以外使用的氧化鋁稱之為非冶金用氧化鋁或多品種氧化鋁。目前，世界上非冶金用氧化鋁的開發(fā)十分迅速，并在電子、石油、化工、耐火材料、精密陶瓷、航空航天、環(huán)境保護(hù)及醫(yī)藥等許多高新技術(shù)領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上生產(chǎn)氧化鋁的主要方法為拜耳法，以及在拜耳法基礎(chǔ)上改進(jìn)的方法(例如公開號(hào)為CN 1186259C的中國發(fā)明專利公開的方法)。拜耳法以及在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的方法， 生產(chǎn)的氧化鋁主要供電解煉鋁用，粒度較粗、粒度分布不均勻、形貌不規(guī)則，難以用于電子、 涂料、精密陶瓷等高附加值領(lǐng)域。為了適應(yīng)非冶金用氧化鋁對純度、粒度分布、形貌等性能的要求，人們開發(fā)了許多氧化鋁的制備方法，例如硫酸鋁銨熱解法、碳酸鋁銨熱解法、有機(jī)鋁水解法、火花放電法、氯化汞活化水解法、水熱法和活性鋁粉水解法等方法。然而這些方法都存在這樣或那樣的缺陷，例如粒度分布不均勻、形貌不規(guī)則、工業(yè)生產(chǎn)難度大等。人們希望能夠找到一種滿足純度高、粒度均勻、球形度好、分散性好等要求的氧化鋁生產(chǎn)方法，同時(shí)該生產(chǎn)方法盡可能具有工藝簡單、原料易得、成本可控、規(guī)模靈活等特點(diǎn)，以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求。本發(fā)明所述熱等離子體，是指電子溫度和重粒子(原子、離子等)溫度均在IO4K數(shù)量級(jí)的高溫部分電離氣體，由電子、離子和中性粒子(原子、原子團(tuán)、分子)和光子組成。熱等離子體比受控?zé)岷朔磻?yīng)中完全電離的高溫等離子體(溫度在10 數(shù)量級(jí)，僅有電子、原子核和光子)溫度低得多，但是比通常燃燒體系所能達(dá)到的溫度高得多，電離度也高得多。 熱等離子體可以采用電弧放電、高頻感應(yīng)放電等方法較為容易地產(chǎn)生與維持，同時(shí)熱等離子體的功率調(diào)節(jié)范圍較寬，從幾千瓦的實(shí)驗(yàn)設(shè)備到幾百千瓦的大型生產(chǎn)設(shè)備都可以在市場上買到，相應(yīng)地，采用熱等離子體生產(chǎn)規(guī)模靈活，因而能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)要求。工業(yè)上還有常稱為冷等離子體的等離子體技術(shù)，其特征是電子溫度很高但重粒子溫度不高(通常為室溫或稍高于室溫)，與本發(fā)明采用的熱等離子體具有顯著區(qū)別。熱等離子體的工業(yè)應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)初挪威以電弧方法固氮(從空氣中獲得氮的氧化物并進(jìn)一步制取氮肥)和德國以電弧方法制備乙炔。直到20世紀(jì)五六十年代， 空間科技的需要給熱等離子體的基礎(chǔ)研究與開發(fā)提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，因?yàn)樾枰獰岬入x子體技術(shù)模擬空間飛行器高速進(jìn)入大氣層時(shí)飛行器所面臨的高溫環(huán)境。到了 20世紀(jì)八十年代， 熱等離子體技術(shù)逐步轉(zhuǎn)移到材料研究領(lǐng)域，開始開展等離子體/粒子相互作用和熱等離子體化學(xué)的研究。目前熱等離子體已覆蓋了很廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，典型的有(1)熱等離子體涂鍍技術(shù)，包括等離子體噴涂、電弧噴涂、等離子體化學(xué)氣相沉積(TPCVD)技術(shù)；( 熱等離子體超細(xì)粉末合成，特別是納米級(jí)粉末的合成；C3)熱等離子體處理廢物，特別是有毒廢物；(4)熱等離子體使粉末致密化、球化；(5)熱等離子體冶金。公開號(hào)為CN 1951861A、名稱為“制備高純度自由流動(dòng)的金屬氧化物粉末的方法” 的中國發(fā)明專利申請，公開了使用等離子體裝置加工金屬氧化物粉末，如氧化釔和氧化鋁粉末(給料物質(zhì))的方法。該方法用等離子體裝置空中加熱和熔化給料物質(zhì)，使加熱后的粉末形成熔化的球形小滴并且在自由下落的條件下使其迅速地冷卻。該方法只有物理過程沒有化學(xué)過程，實(shí)質(zhì)上是將給料物質(zhì)致密化和球化，改變了顆粒的形狀并且增加了粉末的表觀密度，以改善其熱噴涂性能。從其公開的附圖可以看出，處理后的氧化物雖然由不規(guī)則的形狀變?yōu)榍蛐味容^好的顆粒，然而其顆粒尺寸較大同時(shí)分布較寬(5 μ m-150 μ m)，不能滿足一些領(lǐng)域?qū)τ诹６却笮〖胺植嫉囊蟆?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有氧化鋁生產(chǎn)方法的缺陷，提供一種純度高、粒度細(xì)、分布均勻、球形度好、分散性好的氧化鋁的生產(chǎn)方法，該方法生產(chǎn)的氧化鋁能夠滿足電子、涂料、精密陶瓷等高附加值領(lǐng)域?qū)ρ趸X的性能要求；同時(shí)該方法工藝簡單、原料易得、 成本可控、規(guī)模靈活，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明以市售常規(guī)鋁粉(純度要求根據(jù)氧化鋁產(chǎn)品的純度確定，對形貌和粒度沒有特殊要求)為原料，將鋁粉加入到熱等離子體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鋁粉的可控、完全氧化。鋁粉與氧氣生成氧化鋁的反應(yīng)，即4A1+3& — 2A1203是一個(gè)劇烈放熱反應(yīng)， 從熱力學(xué)的角度看很容易發(fā)生，然而由于鋁粉氧化后會(huì)在表面形成致密的氧化膜，阻止了氧氣與內(nèi)部的鋁進(jìn)一步反應(yīng)，因此即使將常規(guī)鋁粉在空氣中加熱到較高溫度，鋁粉依然可以保持穩(wěn)定；一旦超過臨界溫度，鋁粉與氧氣的反應(yīng)極為劇烈，難以控制。這也正是現(xiàn)有技術(shù)制備非冶金用氧化鋁，采用更為復(fù)雜的反應(yīng)和工藝，而不采用金屬鋁與氧氣(空氣)直接反應(yīng)這一簡單過程的原因。本發(fā)明采用引入熱等離子體的方法，使鋁粉在熱等離子體系內(nèi)與氧氣(空氣)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)鋁粉的可控、完全氧化。包括下列步驟(1)熱等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的熱等離子體；(2)用空氣或氧氣作為載氣將鋁粉輸送到熱等離子體區(qū)域；(3)鋁粉在熱等離子體區(qū)域內(nèi)與氧氣發(fā)生反應(yīng)；(4)反應(yīng)產(chǎn)物離開熱等離子體區(qū)域進(jìn)入冷卻系統(tǒng)沉積生長形成超細(xì)粉體；(5)粉體在氣體輸送下進(jìn)入產(chǎn)物收集系統(tǒng)。熱等離子體裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的熱等離子體后，載氣(空氣或氧氣)在熱等離子體區(qū)域形成氧等離子體。鋁粉由載氣輸送到熱等離子體區(qū)域后，熱等離子體區(qū)域的氧等離子體和高溫使得鋁粉表面的致密氧化膜被破壞，得以與氧氣充分反應(yīng)，反應(yīng)生成的氧化鋁在熱等離子體的高溫和反應(yīng)熱共同作用下融化成液滴，熱等離子體的巨大冷卻梯度，使得氧化鋁液滴迅速冷凝成氧化鋁粉體，避免了顆粒之間的團(tuán)聚，因此得到的產(chǎn)物球形度好、分散性好。在此反應(yīng)過程中，載氣攜帶鋁粉連續(xù)加入到熱等離子體區(qū)域反應(yīng)，同時(shí)將反應(yīng)產(chǎn)物氧化鋁帶離熱等離子體區(qū)域，使得氧化鋁急速冷卻，由于鋁粉的加入量連續(xù)可控，使得反應(yīng)整體連續(xù)可控。同時(shí)，由于熱等離子體的高溫和鋁粉與氧氣反應(yīng)熱的共同作用，使得鋁粉與氧氣反應(yīng)生成的氧化鋁融化成液滴，只要控制鋁粉在熱等離子體中停留足夠長時(shí)間，使得鋁粉與氧氣充分反應(yīng)并進(jìn)而在熱等離子體和反應(yīng)熱的共同作用下融化成液滴，所得到的氧化鋁粉體都為50-500nm之間的球體，主要是100-200nm之間的球體，與鋁粉原料的初始形狀和粒徑幾乎無關(guān)，因此本發(fā)明得到的氧化鋁不僅具有粒度超細(xì)的特點(diǎn)，而且粒度分布均勻。與公開號(hào)為CN1951861A、名稱為“制備高純度自由流動(dòng)的金屬氧化物粉末的方法”的中國發(fā)明專利申請相比，不僅產(chǎn)物粒度減小，而且粒度分布均勻性大大改善；同時(shí)產(chǎn)品粒度大小和分布不受鋁粉原料初始形狀和粒徑的影響，一方面使得產(chǎn)品質(zhì)量極為穩(wěn)定，另一方面對鋁粉原料的形貌和粒度沒有特殊要求，使得原料來源廣泛，生產(chǎn)成本降低。本發(fā)明所述的熱等離子體可以是高頻感應(yīng)熱等離子體、直流電弧熱等離子體和微波熱等離子體，相應(yīng)的熱等離子體發(fā)生裝置、反應(yīng)器、原料輸送系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和產(chǎn)物收集系統(tǒng)采用現(xiàn)有技術(shù)即可。高頻感應(yīng)熱等離子體不僅具有溫度高和冷卻梯度大等特點(diǎn)，而且屬于無電極加熱，可以避免電極污染，有利于提高產(chǎn)品純度。直流電弧熱等離子體能量密度大，能量利用率高，有利于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明所提供的方法中，為了使鋁粉在熱等離子體區(qū)域內(nèi)充分反應(yīng)，避免產(chǎn)物中有殘留的未反應(yīng)鋁粉，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化工藝參數(shù)。與之相關(guān)的工藝參數(shù)有熱等離子體功率、鋁粉加料量和鋁粉停留時(shí)間。熱等離子體功率由生產(chǎn)規(guī)模決定，規(guī)模越大功率越大。其他因素不變的情況下，鋁粉加料量越小，鋁粉未完全反應(yīng)的可能性越小，然而鋁粉加料量太小會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率太低，從而不具備經(jīng)濟(jì)性，發(fā)明人通過多次試驗(yàn)探索，得到的適宜加料量與功率之間的比率為Ι-lOg/min lkw，優(yōu)選3-7g/min lkw。其他因素不變的情況下，鋁粉停留時(shí)間越長，鋁粉未完全反應(yīng)的可能性越小，一方面鋁粉停留時(shí)間由載氣氣速?zèng)Q定了不能無限延長(載氣氣速過低會(huì)導(dǎo)致鋁粉難以輸送)，另一方面鋁粉停留時(shí)間過長也會(huì)影響生產(chǎn)效率，發(fā)明人通過多次試驗(yàn)探索，得到的適宜停留時(shí)間為0. 1- ，優(yōu)選0. 5-1. k。本發(fā)明所提供的方法中，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使鋁粉以及反應(yīng)生成的氧化鋁在熱等離子體區(qū)域內(nèi)充分分散，確保鋁粉充分反應(yīng)和融化后的氧化鋁液滴大小均勻，進(jìn)而改善氧化鋁產(chǎn)品的粒度均勻性。發(fā)明人經(jīng)過多次試驗(yàn)探索，采用在熱等離子體區(qū)域引入沖擊氣流的方法實(shí)現(xiàn)上述目的。具體地說，在熱等離子體反應(yīng)器器壁與熱等離子體區(qū)域?qū)?yīng)的范圍內(nèi)，設(shè)置兩個(gè)以上的進(jìn)氣口，從而有兩股以上的沖擊氣流(沖擊氣體與載氣相同)從進(jìn)氣口噴射入熱等離子體區(qū)域，使鋁粉以及反應(yīng)生成的氧化鋁在熱等離子體區(qū)域內(nèi)充分分散。本發(fā)明所提供的方法具有以下有益效果生產(chǎn)得到的氧化鋁具有純度高、粒度細(xì)、 分布均勻、球形度好、分散性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電子、涂料、精密陶瓷等高附加值領(lǐng)域?qū)ρ趸X的性能要求；同時(shí)該方法工藝簡單、原料易得、成本可控、規(guī)模靈活，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明的另一目的是提供純度高、粒度細(xì)、分布均勻、球形度好、分散性好的氧化鋁產(chǎn)品，所述氧化鋁產(chǎn)品通過本發(fā)明提供的方法制備得到。本發(fā)明提供的氧化鋁產(chǎn)品為 50-500nm的球形顆粒，主要為100-200nm的球形顆粒。本發(fā)明提供的氧化鋁分散性好，分散性通過下述方法測試將氧化鋁與去離子水配制成40g/L的懸浮液，將懸浮液加入到IOml 比色管中，充分振蕩后靜置，隨著靜置時(shí)間的延長，氧化鋁顆粒逐漸沉降，從而形成上層上清液和下層懸浮液，測試下層懸浮液體積為總體積50%時(shí)的沉降時(shí)間，時(shí)間越長分散性越好。本發(fā)明提供的氧化鋁根據(jù)上述測試方法所測定的沉降時(shí)間在72h以上。


5
圖1為高頻感應(yīng)熱等離子體制備氧化鋁的設(shè)備示意圖，圖中1為高頻等離子電源， 2為等離子炬，3為等離子體反應(yīng)器，4為加料系統(tǒng)，5為冷卻系統(tǒng)，6為收集系統(tǒng)，7為沖擊氣流進(jìn)氣口，11為感應(yīng)線圈。圖加-d分別為實(shí)施例1-4所得到的氧化鋁SEM圖片。圖3為實(shí)施例2所得到的氧化鋁XRD圖譜。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1采用IOkW高頻感應(yīng)熱等離子體裝置制備氧化鋁，原料鋁粉為市售鋁粉(GB/ T2085. 1-2007，牌號(hào)FLPA 160A)。向高頻感應(yīng)熱等離子體裝置內(nèi)通入中心氣(氬氣)，待等離子體反應(yīng)器3內(nèi)的空氣被氬氣置換后，通過高頻等離子體電源1供給感應(yīng)線圈11 一定的振蕩功率，并從等離子體炬2外部用電火花引弧，等離子體弧形成后通入邊氣(空氣)。當(dāng)?shù)入x子體弧穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)分鐘后，反應(yīng)體系內(nèi)部已經(jīng)基本達(dá)到熱平衡，通過加料系統(tǒng)4加入鋁粉，載氣為空氣，加料速率lOg/min。控制載氣速率，使鋁粉在等離子體區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間約為k。停止加料后熄弧，收集產(chǎn)品。實(shí)施例2采用30kW高頻感應(yīng)熱等離子體裝置制備氧化鋁，原料鋁粉為市售鋁粉(純度為 99.9wt%，中位粒徑25士4μπι)。向高頻感應(yīng)熱等離子體裝置內(nèi)通入中心氣(氬氣)，待等離子體反應(yīng)器3內(nèi)的空氣被氬氣置換后，通過高頻等離子體電源1供給感應(yīng)線圈11 一定的振蕩功率，并從等離子體炬2外部用電火花引弧，等離子體弧形成后通入邊氣(氧氣)。當(dāng)?shù)入x子體弧穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)分鐘后，反應(yīng)體系內(nèi)部已經(jīng)基本達(dá)到熱平衡，通過加料系統(tǒng)4加入鋁粉，載氣為氧氣，加料速率90g/min。在等離子體反應(yīng)器3器壁設(shè)置兩個(gè)沖擊氣流進(jìn)氣口 7，在加料過程中通入兩股沖擊氣流(氧氣)?？刂戚d氣速率，使鋁粉在等離子體區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間約為l』s。停止加料后熄弧，收集產(chǎn)品。實(shí)施例3采用50kW直流電弧熱等離子體裝置制備氧化鋁，原料鋁粉為市售鋁粉(GB/ T2085. 1-2007，牌號(hào)FLPA 80)。開啟直流電弧熱等離子體裝置，當(dāng)?shù)入x子體弧穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)分鐘后，通過加料系統(tǒng)加入鋁粉，載氣為空氣，加料速率350g/min。在等離子體反應(yīng)器器壁設(shè)置四個(gè)沖擊氣流進(jìn)氣口，在加料過程中通入四股沖擊氣流(空氣)?？刂戚d氣速率，使鋁粉在等離子體區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間約為0. Is。停止加料后熄弧，收集產(chǎn)品。實(shí)施例4采用50kW直流電弧熱等離子體裝置制備氧化鋁，原料鋁粉為工業(yè)霧化生產(chǎn)鋁粉， 鋁粉規(guī)格為純度99%，粒度為-300目。開啟直流電弧熱等離子體裝置，當(dāng)?shù)入x子體弧穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)分鐘后，通過加料系統(tǒng)加入鋁粉，載氣為空氣，加料速率500g/min。在等離子體反應(yīng)器器壁設(shè)置六個(gè)沖擊氣流進(jìn)氣口，在加料過程中通入六股沖擊氣流(空氣)?？刂戚d氣速率，使鋁粉在等離子體區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間約為l』s。停止加料后熄弧，收集產(chǎn)品。氧化鋁產(chǎn)品表征采用JSM-6700F型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察實(shí)施例1_4得到的氧化鋁產(chǎn)品形貌，SEM圖片分別如圖2. a-圖2. d所示，從圖中可以看出實(shí)施例1_4得到的氧化鋁產(chǎn)品都為50-500nm的球形顆粒，主要為100_200nm的球形顆粒；采用V PERT-PRO MPD型X射線衍射儀測定實(shí)施例2氧化鋁產(chǎn)品的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖3所示，產(chǎn)物由δ、θ、α三種晶型組成，以α晶型為主；采用發(fā)明內(nèi)容部分描述的方法測試實(shí)施例1-4得到的氧化鋁產(chǎn)品分散性能，結(jié)果如表1所示。表1各實(shí)施例氧化鋁產(chǎn)品分散性能
權(quán)利要求
1.一種利用熱等離子體制備氧化鋁的方法，其特征在于，包括下列步驟(1)熱等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的熱等離子體；(2)用空氣或氧氣作為載氣將鋁粉輸送到熱等離子體區(qū)域；(3)鋁粉在熱等離子體區(qū)域內(nèi)與氧氣發(fā)生反應(yīng)；(4)反應(yīng)產(chǎn)物離開熱等離子體區(qū)域進(jìn)入冷卻系統(tǒng)沉積生長形成超細(xì)粉體；(5)超細(xì)粉體在氣體輸送下進(jìn)入產(chǎn)物收集系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱等離子體為高頻感應(yīng)熱等離子體、 直流電弧等離子體或微波熱等離子體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，鋁粉加料量與熱等離子體功率之間的比率為 l-10g/min lkw。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，鋁粉加料量與熱等離子體功率之間的比率為 3_7g/min ； Ikw0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，鋁粉在熱等離子體區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間為 0.l-2s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，鋁粉在熱等離子體區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間為 0. 5-1. 5s0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在熱等離子體區(qū)域有兩股以上的沖擊氣流。
8.由權(quán)利要求1-7任一權(quán)利要求所述方法制備的氧化鋁，其特征在于，所述氧化鋁為 50-500nm的球形顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氧化鋁，其特征在于，所述氧化鋁為100-200nm的球形顆粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的氧化鋁，其特征在于，將所述氧化鋁與去離子水配制成 40g/L的懸浮液，取懸浮液在IOml比色管中充分振蕩后靜置，下層懸浮液體積降至總體積 50%的時(shí)間在72h以上。
全文摘要
一種利用熱等離子體制備氧化鋁的方法及其產(chǎn)品，制備方法包括下列步驟(1)熱等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的熱等離子體；(2)用空氣或氧氣作為載氣將鋁粉輸送到熱等離子體區(qū)域；(3)鋁粉在熱等離子體區(qū)域內(nèi)與氧氣發(fā)生反應(yīng)；(4)反應(yīng)產(chǎn)物離開熱等離子體區(qū)域進(jìn)入冷卻系統(tǒng)沉積生長形成超細(xì)粉體；(5)超細(xì)粉體在氣體輸送下進(jìn)入產(chǎn)物收集系統(tǒng)。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)生產(chǎn)得到的氧化鋁具有純度高、粒度細(xì)、分布均勻、球形度好、分散性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電子、涂料、精密陶瓷等高附加值領(lǐng)域?qū)ρ趸X的性能要求；同時(shí)該方法工藝簡單、原料易得、成本可控、規(guī)模靈活，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01F7/42GK102515233SQ20111039344
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者尹春雷, 李晉林, 白柳楊, 胡鵬, 范俊梅, 袁方利 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所