纳米氧化铝的制备

畅敏杰

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心

摘要：氧化铝是一种传统的无机非金属材料，它具有高强度、高硬度、耐磨性、抗腐蚀性等，因而被广泛地应用于冶金、化工等领域。纳米氧化铝是白色晶状粉末，具有α、β、γ、δ、η、θ、κ和χ等十一种晶体，兼具氧化铝和纳米材料的特性，所以具有良好的光、电、磁、热、机械等性质，被广泛地应用在催化剂及其载体、陶瓷、光学材料、微电子等领域

关键词：氧化铝；传统；无机非金属材料

二、纳米Al2O3制备

纳米氧化铝的合成方法主要包括固相法、气相法和液相法，根据实际生产中的不同需求，可以采用不同的制备方法。

李磊[1]采用模板法合成纳米球形氧化铝，研究发现化铝的结构和形貌受到实验条件、实验材料的混合比等因素的重要影响。当阿拉伯胶粉单独作为模板时，球形氧化铝颗粒化程度较高，并且平均孔径约为3.6nm和8.5nm，但孔径集中较小，较大的孔径分布较宽。当以阿拉伯胶粉和P123为模板时，制得的氧化铝形貌更好，粒度更均匀，分散性更好，平均孔径约13.1nm，表明加入P123对氧化铝的制备起促进作用。唐浩林[2.]等人，采用溶胶等离子喷射合成法制备纳米氧化铝，这一方法考虑了氢氧化铝溶胶和等离子焰的特殊化学性能，成功合成了均匀分布、平均粒径为20nm、完全结晶的 纳米材料，制备过程中因为采用了二次焙烧，所以材料的团聚现象并不明显。杜三明[3]等人采用大气等离子喷涂制备了微米和纳米Al2O3纳米涂层，对比了两种陶瓷涂层的组织、力学及摩擦磨损行为。研究发现与微米Al2O3涂层相比，纳米Al2O3涂层颗粒之间的结合更紧密，从而大大提高了结合强度和硬度。纳米Al2O3涂层的摩擦系数低，且波动幅度更稳定，表面光滑，磨损率低，具有较好的耐磨性，具有良好的机械性能和耐磨性。马爱珍[4]等人首先采用反应烧结法制备了 Al2TiO5 基复合材料，基于此，添加造孔剂PMMA，制备的微球呈规则的孔形形态，且分布均匀。微球中PMMA的添加量和大小不会影响烧结产品的相组成。此外，他们还以 NaAlO2 为铝源，CO(NH2)2 为沉淀剂，在180℃的水热条件下，得到纯度较高的介孔 γ-Al2O3粉体，它的结构是纳多级花状结构，能够有效的吸附刚果红溶液。

纳米Al2O3的形状不同，比如纤维状、片状、球状等，对它的性能和应用也有重要的影响。李微[5]等人制备高强度柔性纤维状γ-Al2O3膜，采用的制备方法是静电纺丝结合溶胶-凝胶法。纤维膜均匀平坦,平均直径为188 nm，具有优异的薄膜柔韧性和拉伸强度，并且研究发现膜的柔韧性和机械性能的好坏受膜的形态，纤维的排列和结晶相等因素很大的影响。李荣辉[6]等人将水热反应和高温煅烧法相结合，原料采用硝酸铝和尿素，制备出了三维花朵形状的氧化铝。这种材料具有微米级的三维尺寸，而且纳米级的活性位点很多。而且因为它具有比较大的比表面积，所以对于水中的砷酸根离子可以进行有效地吸附，对环境比较友好，且其性能要比现在市面上卖的氧化铝要高。雷璇璇[7]等人采用了液体离子辅助水热法，铝源为氯化铝，正丁胺为沉淀剂，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim] BF4）为模板，合成六方片状γ-Al2O3介孔材料，具有特定的晶体取向。 实验表面，加入离子液体，改变反应产物结晶的过程，改变前驱体的晶相，高温焙烧后，形成了具有不同晶面取向的六方片状氧化铝，实现了调节氧化铝的形态，并且这种材料具有较大的比表面积和分布更均匀。 因此，[Bmim] BF4作为合成模板，对氧化铝晶体的微观结构和晶面取向具有重要作用。

三、纳米Al2O3应用

（一）催化

纳米氧化铝因其表面的微孔，具有较高的吸附性能和表面稳定性，是一种性能优越的催化剂广泛地被应用于石油化工催化、高分子合成、汽车尾气净化等领域。柳娜[8]等人采用水热合成法制备了一系列 Ｒu 基催化剂，分布以 Al2O3 纳米棒和 γ-Al2O3 为载体，用于考察它们加氢合成甲酸反应中的催化性能。与γ-Al2O3载体相比，Al2O3纳米棒具有更多的表面OH，在Al2O3纳米棒上具有较高的RuOx分散度，促进了CO2分子的活化，加速了反应。因此在 CO2 加氢合成甲酸反应中，Al2O3 纳米棒负载 Ｒu 基催化剂具有较高的催化反应活性。温馨[9]等人制备了具有双重功能的纳米TiO2和Al2O3复合膜。 并研究了其亲水性能，分离性能，催化性能和机械性能。 研究发现双功能配合物亲水性较好亲水膜，随着纳米TiO2（Al2O3）含量的增加，亲水膜降低。具有良好的催化性能，可显著缩短酯化反应达到相同转化率的时间

（二）降低烧结温度

纳米氧化铝可使烧结温度大幅下降。次立杰[10] 采用简单的沉淀法，制备了粒径均匀的纳米Al2O3和纳米SiO2材料，应用于陶瓷表面。研究发现，与常规烧结陶瓷釉相比，这种陶瓷釉的烧结温度降低了大约30℃，且釉层的质量也得到了极大的改善。 这是因为具有高比表面积和高烧结活性的纳米材料Al2O3，可以降低陶瓷搪瓷表面釉的烘烤温度，并显著提高釉的性能。而且由于纳米材料由均匀尺寸的小颗粒组成，研磨时间短，可降低能耗。

（三）湿敏材料

纳米 Al2 03 具有较强的湿敏性。田百祥[11]通过水热共沉淀法制备出NH4AI(OH)2C03纳米管材料，在600 下进行退火，得到了非晶态的Al2O3纳米管，将纳米管用于湿敏元件研究，发现湿敏元件具有非常高的灵敏度，这是因为，当外部湿度较低时，纳米管主要基于电子或空穴和质子导电；当外部湿度较高时，纳米管主要基于离子导电。所以这种纳米管材料是理想的湿敏传感器材料。

（四）用于改性酚醛树脂

传统的酚醛树脂基柔韧性不够，比较脆，不够耐热，为了改善酚醛树脂的性能，制备应用于汽车的制动摩擦材料，姚冠新[12]等人采用共混方法，对酚醛树脂进行纳米Al2O3改性。 用偶联剂KH570对Al2O3进行表面处理后，降低了均匀分散在酚醛树脂中的纳米Al2O3的表面能，研究发现，当纳米Al2O3的质量优选为树脂分散体质量的6％，酚醛树脂增强性能最明显，耐热性明显提高，基于新型酚醛树脂的摩擦材料的摩擦系数非常稳定，损坏率较低。

（五）用作涂敷材料

传统的涂层材料，因为致密度较低、结构分布不均匀、缺陷和空隙较多，所以它的耐磨性能是比较差的。把纳米技术应用到图层材料领域，能够极大的改善涂层材料的结构，比如降低它的缺陷，提高分布均匀性等，所以能够显著提高材料的耐磨性能。张金升[13]等人以异丙醇铝、氢氧化钠、乙酰乙酸乙酯等为原料，成功制备了 A l2O3溶胶, 并所得的Al2O3作为涂层材料涂敷在各种钢板基材上，进行高温腐蚀，发现A l2O3溶胶涂层可以很好对钢板进行保护，极大程度上降低了高温下钢板基材被氧化腐蚀。在实际使用中，可以根据实际情况来优化Al2O3层数和厚度，在保护钢板的同时，使成本降到最低。

参考文献

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唐浩林,潘牧,赵修建.溶胶凝胶法制备α—Al2O3纳米材料团聚控制研究新进展.材料导报,2002,16(9):44-45

杜三明,靳俊杰,肖宏滨,张永振.纳米Al_2O_3等离子喷涂涂层的制备及性能分析[J].表面技术,2015,44(06):1-6+16.

马爱珍.多孔Al2TiO5、Al2O3陶瓷材料的制备、结构及性能[D].山东:山东科技大学,2016.

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