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纳米级氧化铝的几种生产方法

刘涛-上海汇精亚纳米新材料有限公司

纳米氧化铝具备高强度、高硬度、高耐磨损、耐高温、比表面积大、吸附能力强等特性，因而被广泛应用于特种涂料、航天工业、磨料、精细陶瓷、耐火材料、催化、光学材料等领域。

纳米氧化铝的制备方法可以分为固相法、液相法和气相法，此外还有一些新型制备工艺。

一：固相法

1：机械法 机械法是指用研磨机对原料进行研磨以得到含有一定杂质的纳米氧化铝粉体，然后通过后续一系列化学工艺逐步将杂质除去，从而得到高纯纳米氧化铝。这种方法过程简单、成本较低，但所得产品粒径分布范围较宽，且生产过程中存在一定的噪声和粉尘污染。

2 热解法 热解法一般以硫酸铝铵和碳酸铝铵等铝盐为原料，经过反应和提纯得到氧化铝的前驱体，再经过加热分解便可获得纳米氧化铝。热解法工艺简单，常用于工业制备。硫酸铝铵热解时会产生SO2等有毒气体，污染环境，因此碳酸铝铵热解法逐渐成为主流。

3： 燃烧法 燃烧法是将反应物按一定比例放入炉中燃烧，直接得到产物的方法。这种方法可以制备出活性较高的亚稳态产物，产物具有粒径小、纯度高的优点。但是燃烧法得到的产物不易收集，且燃烧过程有较高危险性，燃烧温度也难以控制。

二：液相法

1：沉淀法 沉淀法是在铝盐溶液中加入沉淀剂，发生化学反应生成氧化铝前驱体沉淀，再经过滤、洗涤、干燥和煅烧得到氧化铝粉体的方法。沉淀法可以分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法，其中共沉淀法一般用于多组分氧化物的制备。 直接沉淀法就是利用沉淀反应从溶液中直接得到纳米颗粒。常见的铝源有AlCl3、Al(NO3)3等，常用的沉淀剂有氨水等。直接沉淀法工艺较为简单，但难以保证沉淀组分的单一性，所以制备的粉体往往杂质较多。 均匀沉淀法是以尿素等为沉淀剂，通过反应离子的均匀释放，使其与铝离子在微观层面混合均匀。由于沉淀剂的缓慢水解，化学反应缓慢发生，氧化铝形核速率得到控制，在某一时刻发生爆发性形核的概率比直接沉淀法小，颗粒团聚现象得到一定控制，因此制备出的纳米颗粒更均匀、粒径更小。

2 水热法 水热法是以水为反应介质，在高温高压密闭容器中发生反应制得氧化铝前驱体，再经高温煅烧得到纳米氧化铝粉体的方法。例如，以Al(NO3)3和尿素这一水热体系可以合成纳米碳酸铝铵粉体，进而得到纳米氧化铝。 水热法制备纳米氧化铝，不仅过程简单、操作方便，而且避免了煅烧时氢氧化物转化为氧化物这一容易形成硬团聚的步骤，所制备的粉体团聚程度很低。此外，这种方法可以通过改变反应条件对产物的微观形貌进行调控。然而，水热法的条件控制严格，如改变反应釜大小等条件对产物影响很大，氧化铝产量也小；同时，水热法需要在密闭的反应釜中保温较长时间，无法观察到物质的中间状态，这些限制均不利于其应用到工业生产上。

3：溶胶-凝胶法

（1）溶胶-凝胶法是以铝醇盐或无机铝盐溶液为原料，经水解和缩合形成溶胶，再经陈化形成三维网络结构的凝胶，最后凝胶干燥、煅烧得到纳米氧化铝粉体。

（2）醇盐溶胶-凝胶法制备纳米氧化铝，获得的粉体颗粒细小、粒径分布均匀；但醇盐价格昂贵，工艺过程不易控制。

（3）无机盐溶胶-凝胶法避免了昂贵的醇盐和有毒的有机溶剂，但会引入杂质离子，需要对凝胶进行洗涤。

总体而言，溶胶-凝胶法制备的氧化铝粒径小、纯度高、分散均匀且制备过程简单可控。此方法对实验条件要求不高，受到国内外许多研究人员的关注，不断扩展反应物的多样性。

溶胶、凝胶结构示意图

4： 微乳液法 微乳液法是指在由水相、油相和添加剂三种物质组成的体系中制备纳米氧化铝的方法。以微小液滴的形式将反应液体滴入油相中，在表面活性剂的作用下均匀分散，水相就会被添加剂所组成的微小单分子层界面包围，最终形成微乳颗粒，尺寸可以控制在纳米级。这些颗粒经过沉淀、洗涤、干燥、煅烧即可得到纳米氧化铝粉体。 微乳液法具有实验装置简单、颗粒大小和形状可控等优点，但添加物易与纳米产物混合，影响产物纯度。

三：气相法

气相法是通过一定方法使原料变为气体，在气相条件下发生反应，经冷却沉积在基体上形成纳米颗粒的方法。气相法包括电弧喷涂法、等离子气相合成法和化学气相沉积法。 气相法的优点在于反应条件易于控制、颗粒粒径小且分散性好、产物易于精制，缺点是设备气闭性要求高、实验过程能耗大、产率低且产物不易收集。气相法适合实验室规模的纳米氧化铝制备，难以用于工业化生产。

四：新型工艺 

近年来，研究人员通过对传统方法进行组合与创新，提出来一些制备纳米氧化铝的新型工艺。例如，基于溶胶-凝胶法的溶胶-凝胶-自蔓延法、溶胶凝胶-静电纺丝法和无水解溶胶凝胶法。 这些新型制备方法还处在实验室阶段，且存在产率低、成本高、实验条件要求高等诸多问题，但随着技术的逐渐成熟，相信会发展出满足工业生产需求的创新方法。

小结 综上所述，液相法在纳米氧化铝制备的主流方法中具有明显优势，但也存在产物不纯等现象。因此，低成本高性能纳米氧化铝粉体的工业化生产中仍有许多问题有待解决。