制备纳米氧化铝的关键工艺有哪些？

中国粉体网讯  纳米技术（nanotechnology）是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。纳米氧化铝其直径微小，比表面积大，且催化效率奇高，与普通的金属铝相比较而言，纳米氧化铝具备着耐高温，耐腐蚀，硬度强等等优良特质。而且纳米氧化铝工业化大规模生产技术成熟，物美价廉。因此，在许多新材料、新能源等领域，纳米氧化铝具有十分诱人的应用前景。

纳米氧化铝的结构与性质

纳米氧化铝具有优良的尺寸稳定性和良好的电绝缘性，熔点可达2015℃，莫氏硬度可以达到9，是一种无机中性氧化物。通常情况下，它所呈现的状态是白色粉末，极硬，极易吸收水分但又不会导致潮解。

纳米氧化铝结构示意图

纳米氧化铝拥有着巨大的比表面积和高的比表面能，颗粒之间还有较强的范德华力，还因为其表面存在的羟基（-OH）和颗粒间空隙容易吸水，从而产生极强的毛细力，导致颗粒间容易相互吸引聚合而形成团聚体。如果直接把团聚状态的纳米氧化铝加入到基底材料中去，很可能会造成纳米颗粒分散不均匀，导致复合材料的结构缺陷，直接影响材料性能，从而难以制造出高性能纳米复合材料。

纳米氧化铝的种类高达11种，不同种类的纳米氧化铝拥有着不同的性质。比如有的纳米氧化铝不是活性氧化铝，可是又具备惰性，耐高温，但又没有催化活性；而有的纳米氧化铝种类却在具有很强的表面酸性的同时，还能拥有一定的表面碱性，并且较高的孔隙率，成型性也十分良好，这些性质使得其可以当作催化载体，甚至可以直接当作催化剂使用。

纳米氧化铝的制备

纳米氧化铝的制备工艺会直接影响着粉体的纯度、纳米粒子粒径的大小、纳米颗粒的团聚状态、粉体中成分的分布情况等，而这些因素又会进一步影响到成型、烧结或复合等制备步骤，甚至连最终制备出的材料性能也会因为这些而受到不可忽视的影响。

纳米氧化铝制备方法可大致分为三大类，分别是固相制备法、液相制备法、气相制备法这三类。其中纳米氧化铝液相制备法是在实验室及工业生产中最为常见的制备方法。

（1）固相法

固相法制备纳米氧化铝的工艺流程主要是以铝盐或者铝为原材料，将其进行反复的煅烧和研磨处理，这样一来就能促使固相反应的发生，并制备出纳米氧化铝。纳米氧化铝固相制备法又被研究人员分为机械粉碎法、非晶晶化法和喷雾热解法等。

固相法示意图

固相法一般是采取高能球磨等机械方式，这样原材料就能受到猛烈的撞击而不断的进行搅拌和研磨，从而达到彻底粉碎的状态，同时还能对原材料起到一定的活化作用，在此种方法下所制备的粉体之间也能够有最大的接触和最小扩散长度的路径，更加有利于直接产生固相反应。固相法的优点是对所需设备要求不高，成本也相对较低，产量大，但往往所制得的粉体存在着纯度和细度都达不到要求，并且粒度分布不均匀，容易团聚。

（2）液相法

纳米氧化铝主要工业生产采用的是化学方法，而液相法在其中又占据了极为重要的位置，它象征着纳米氧化铝的发展方向，是目前工业化生产和实验室制备纳米氧化铝的重要方法。根据金属离子沉淀出来的方法不同，将液相法又分为溶胶-凝胶法，沉淀法，溶剂蒸发法和电化学法等诸多方法。其中具有代表性的就是溶胶-凝胶法。

液相法的工艺流程主要是将铝盐调配成一定浓度的液体，随后使用特殊的沉淀剂，使液体中的金属离子可以自主均匀的沉淀出来，获得沉淀物，或者结晶物以后，还需要进行脱水处理，加热分解形成超微粉体。液相法不仅可以在操作过程中精确控制化学组成，甚至还连颗粒的形状、粒径都可以精准调控。除此之外，所制备出来的纳米氧化铝还具有非常良好的表面活性，但也存在着容易引入杂质的弊端，这会导致产物纯度有所欠缺。

（3）气相法

气相法指的是将原料进行加热处理，这一步骤可采用激光或者电子束蒸发等方法，先将物质转化为气体状态，这样一来就可以在气体环境中进行化学反应，等待反应完成的时候，再加以冷却，让其凝聚，最终形成超细的粉体。气相法包括火焰水解法和蒸发冷凝法这两种方法。

气相法制备纳米氧化铝反应条件比较容易控制，只要能控制好气体，就能得到理想状态的纳米粉体，而且此方法所制备的纳米材料粒径小，容易分散，但生产效率较低，且粉体的收集比较困难，所以此方法所需要的设备系统都较为庞大和复杂，并且要求极高，同时，原材料在发生反应前必须完全气化，这就不可避免的造成能量的损失和浪费。

纳米氧化铝的表面改性

目前，科研人员已经探索出诸多纳米氧化铝改性方法，主要可分为物理改性和化学改性两大类。

（1）物理改性

物理改性不仅有球磨、超声等机械技术，还有高压湍流分散、吸附、包覆、辐射处理等方法来改变纳米氧化铝的表面性质。例如机械力分散方法，主要是将纳米氧化铝进行高速搅拌或者高速球磨，可以使纳米颗粒分散均匀。而超声分散纳米氧化铝，则是利用超声空化原理，伴随产生的强冲击波或者局部的高温，以此来作为作用力，来弱化纳米氧化铝颗粒之间存在的作用能，这样一来，就可以防止纳米氧化铝颗粒的团聚，进而达到均匀分散的效果。

（2）化学改性

化学改性的原理是利用纳米氧化铝的表面存在的大量羟基参与各种化学反应，以此来减少颗粒表面羟基的数量，从而进一步改变颗粒表面的亲疏水性。除此之外，还可以根据需求的不同，引入不同的功能基团。化学改性的方法有很多种，比如聚合物接枝法、硅烷偶联剂法等，其中应用较为广泛且技术相对成熟的是硅烷偶联剂改性方法，此方法是通过将偶联剂的一端进行缩合反应，这样就可以与氧化铝表面的羟基反应形成接枝，并发生化学键合，从而实现表面改性的目的。

目前大多数化学改性法不仅具有一定的污染性和工艺复杂性，对设备的要求也非常严格，成本也非常的高，很难进行大规模工业化生产。

小结：

纳米氧化铝具有高硬度，高强度，耐腐蚀，抗高温氧化性以及催化等特性，在复合材料、精密陶瓷、电子、催化甚至医学方面都是不可或缺的材料。在长时间研究纳米氧化铝过程中，人们得到了许多种合成纳米氧化铝的方法。原始的纳米氧化铝粉体无法直接加入到各种基体材料中使用，因此，提高纳米氧化铝和基底材料之间的相容性是制备性能优异纳米复合材料的关键技术。而对纳米氧化铝表面进行修饰改性，可以实现调控两者之间的界面结构，这样就可以制备出性能优异的纳米复合材料。

参考来源：

1、陈超伦.纳米α氧化铝粉体制备及烧结性能

2、高杰.绿色物理改性纳米氧化铝及其在水性丙烯酸树脂涂料中的应用研究

3、聂多发.浅论纳米氧化铝的制备及其发展应用

（中国粉体网编辑整理/青黎）

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