铝酸钠溶液晶种分解制备超细氢氧化铝

姜 妲, 张 帅， 曲丽英

(1. 沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110136；2. 辽宁装备制造职业技术学院，沈阳 110164; 3. 中钢集团吉林机电设备有限公司，吉林 132000)

铝酸钠溶液晶种分解制备超细氢氧化铝

姜 妲1, 张 帅2， 曲丽英3

(1. 沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110136；2. 辽宁装备制造职业技术学院，沈阳 110164; 3. 中钢集团吉林机电设备有限公司，吉林 132000)

结合超细氢氧化铝的研究现状，在实验室对铝酸钠溶液加晶种分解制备超细氢氧化铝的工艺条件进行了系统研究，重点研究了分解温度、分解时间、种子率、精液分子比对氢氧化铝粒度分布以及铝酸钠溶液分解率的影响.结果表明，最佳条件为：反应温度50 ℃，时间10 h，分子比1.5，种子率20%.

晶种分解；超细氢氧化铝；铝酸钠溶液；分解率

超细粉体通常是尺寸在1～10 μm之间的微小固体颗粒，属于微观粒子和宏观物体之间的过渡区域，具有一系列优异的物理、化学性质[1].超细粉体制备技术的研究和开发已成为当今化学工程与材料科学领域的前沿和世界高科技竞争的热点之一[2].

超细氢氧化铝是多品种氢氧化铝中研究较多的一种产品.超细氢氧化铝粉体具有阻燃、消烟、填充等多种功能，能与磷等多种物质产生协同阻燃作用，是一种用途广泛的化工产品，已成为电子、化工、电缆、塑料、橡胶等行业中重要的环保阻燃剂[3].我国利用铝酸钠溶液生产的特种氢氧化铝在白度、化学纯度等方面具有一定的优势，但产品的粒度分布、颗粒形貌、表面性能、光学性能等理化指标与国外同类产品相比还存在一定的差距，影响产品的使用性能和市场竞争力[4].国内外对铝酸钠溶液分解制备冶金级氢氧化铝的相关理论、工艺优化等进行了相当多的研究，并取得了许多研究成果[5].但关于铝酸钠溶液分解过程的研究主要针对冶金级氢氧化铝的生产过程，对于铝酸钠溶液分解制备超细氢氧化铝的过程研究较少.与冶金级氢氧化铝的生产工艺相比，超细氢氧化铝制备工艺在温度制度、晶种品质、种子率、分解时间以及晶体生长机理等方面都有一定差别，因此研究铝酸钠溶液制备超细氢氧化铝生产工艺具有重要意义.

1 实 验

1.1 实验原料

实验使用分析纯氢氧化铝、氢氧化钠和硝酸铝为原料，实验用水为二次蒸馏水.

1.2 实验过程

(1) 晶种制备

用电子天平称取30 g硝酸铝，放入烧杯中，加入100 mL水，搅拌制成硝酸铝溶液.取100 mL氧化铝的质量浓度为150 g/L的铝酸钠溶液，置于45 ℃恒温水浴(带搅拌)中，缓慢滴加硝酸铝溶液，用保鲜膜密封，反应1h.反应结束后，用布氏漏斗进行真空抽滤固液分离，多次洗涤至洗水呈中性，所得氢氧化铝滤饼作为晶种用于分解过程.

(2) 实验

取100 mL氧化铝质量浓度为150 g/L的铝酸钠溶液放入250 mL三口烧瓶中，置于50 ℃恒温水浴(带搅拌，220 r/min)，溶液温度稳定后，加入一定量氢氧化铝晶种，快速搅拌使晶种在溶液中分散均匀.反应结束后进行固液分离，采用化学分析法分析液相成分，固体经100 ℃热水多次洗涤后，放入干燥箱中干燥48 h后进行物性分析.干燥后的样品采用激光粒度分析仪(英国马尔文公司，Mastersizer 2000)进行粒度分布分析，测定其D10、D50和D90见表1.铝酸钠溶液分解率采用下式计算:

η=(MR分解后-MR分解前)/MR分解后×100%

式中：η为铝酸钠溶液分解率，%； MR分解后为分解后铝酸钠溶液分子比； MR分解前为分解前铝酸钠溶液分子比.

分子比是指铝酸钠溶液中Na2O和Al2O3的摩尔比，即MR=n(Na2O)/n(Al2O3)(下同).

2 结果及讨论

2.1 温度对铝酸钠溶液分解过程的影响

实验条件：分解温度范围为50～65 ℃，种子率为20%，铝酸钠精液中氧化铝的质量浓度为150 g/L，精液分子比1.5，分解时间10 h.

2.1.1 温度对氢氧化铝粒度的影响

表1为不同温度条件下分解产物氢氧化铝的粒度.

从表1可知，分解产物氢氧化铝粒度分布中D50数值随着分解温度升高逐渐增大.在实验范围内当分解温度由50 ℃增加到65 ℃时，分解产物氢氧化铝粒度分布中D50数值增加0.065 μm，可见升高分解温度可加快氢氧化铝晶体的生长速度.

2.1.2 温度对铝酸钠溶液分解率的影响

图1为温度与铝酸钠溶液分解率关系曲线.

表1 不同温度条件下氢氧化铝粒度

注：表中D10为颗粒数量累计到10%时的粒径；D50为颗粒数量累计到50%时的粒径；D90为颗粒数量累计到90%时的粒径(下同).

图1 温度与铝酸钠溶液分解率关系曲线Fig.1 Influence of time on precipitation ratio

由图1可以看出，在其他分解条件不变的情况下，铝酸钠溶液的分解率η随分解温度的升高而逐渐减小.这是由于铝酸钠溶液的分解率主要取决于反应推动力，而其中溶液的过饱和度又是影响反应推动力主要因素，这与铝酸钠溶液加晶种进行分解生产冶金级氧化铝的过程十分类似.溶液过饱和度越大，铝酸钠溶液的分解速度就越快.结合前面分解温度对产物氢氧化铝粒度的影响，在本次实验条件下，分解温度应尽量低，以50 ℃较为合适.

2.2 时间对铝酸钠溶液分解过程的影响

实验条件：分解时间8～14 h，种子率为20%，铝酸钠精液中氧化铝的质量浓度为150 g/L，精液分子比1.5，分解温度50 ℃.

2.2.1 时间对氢氧化铝粒度的影响

表2为不同时间条件下分解产物氢氧化铝的粒度.

从表2可知，分解产物氢氧化铝粒度分布中D50数值随着反应时间的延长逐渐增大.在实验范围内当反应时间由8 h增加到14 h时，分解产物氢氧化铝粒度分布中D50的数值增加0.025 μm，可见延长反应时间可加快氢氧化铝晶体的生长速度.

表2 不同时间条件下氢氧化铝粒度

2.2.2 时间对铝酸钠溶液分解率的影响

图2为时间与铝酸钠溶液分解率关系曲线.

由图2可以看出，在其他分解条件不变的条件下，铝酸钠溶液的分解率随反应时间的延长而逐渐增大.这是由于反应时间越长，溶液间的反应越充分，从而溶液的分解率越大.结合前面反应时间对产物氢氧化铝粒度的影响，在本次实验条件下，应尽量延长反应时间.但反应时间太长，分解率增加并不明显，分解时间以10 h较宜.

图2 时间与铝酸钠溶液分解率关系曲线Fig.2 Influence of time on precipitation ratio

2.3 精液分子比对铝酸钠溶液分解过程的影响

实验条件：精液分子比范围为1.5～1.65，种子率为20%，分解温度50 ℃，铝酸钠精液氧化铝浓度为150 g/L，分解时间为10 h.

2.3.1 精液分子比对氢氧化铝粒度的影响

表3为不同分子比条件下分解产物氢氧化铝粒度.

从表3可知，分解产物氢氧化铝粒度分布中D50数值随精液分子比升高逐渐增大.在实验范围内当分子比由1.5增加到1.65时，分解产物氢氧化铝粒度分布中D50数值增加0.023 μm，可见提高分子比可加快氢氧化铝晶体的生长速度.

表3 不同分子比条件下氢氧化铝粒度

2.3.2 精液分子比对铝酸钠溶液分解率的影响

图3为精液分子比与铝酸钠溶液分解率关系曲线.

图3 精液分子比与铝酸钠溶液分解率关系曲线Fig.3 Influence of molar ratio of green liquor on precipitation ratio

由图3可以看出，在其他分解条件不变的条件下，铝酸钠溶液分解率随精液分子比升高而逐渐减小.铝酸钠溶液的分解率主要取决于反应推动力，而其中溶液的过饱和度又是影响反应推动力的主要因素，分子比较低的铝酸钠溶液具有较高的过饱和度，在其他条件相同的情况下，过饱和度越高，诱导期越短，分解速度越快，因此精液分子比较低的铝酸钠溶液分解率较高.结合前面分子比对产物氢氧化铝粒度的影响与生产实际，精液分子比应确定为1.5为宜.

2.4 种子率对铝酸钠溶液分解过程的影响

实验条件：种子率范围为5%～20%，分解温度为50 ℃，铝酸钠精液中氧化铝的质量浓度为150 g/L，精液分子比为1.5，分解时间10 h.

2.4.1 种子率对氢氧化铝粒度的影响

表4为不同种子率条件下分解产物氢氧化铝粒度.

从表4可知，分解产物氢氧化铝粒度分布中D50数值随着晶种量的升高逐渐减小.在实验范围内当种子率由5%增加到20%时，分解产物氢氧化铝粒度分布中D50数值减小0.041 μm，可见提高种子率可减缓氢氧化铝晶体的生长速度.

表4 不同种子率条件下氢氧化铝粒度

2.4.2 种子率对溶液分解率的影响

图4为种子率与铝酸钠溶液分解率关系曲线.

图4 种子率与铝酸钠溶液分解率关系曲线Fig.4 Influence of seeds ratio on precipitation ratio

由图4可以看出，在其他分解条件不变的情况下，铝酸钠溶液的分解率随种子率的升高而逐渐增大.铝酸钠溶液的分解为铝酸根离子在氢氧化铝/铝酸钠溶液界面上分解析出过程，固液界面的面积和性质对溶液的分解率影响较大.晶种量大，与溶液接触的表面积也大，溶液分解率就高.

2.5 分解产物的XRD分析

图5为不同反应条件分解产物的XRD.由图5可知，在不同的反应条件下获得的产物的主晶相均为三水铝石，不含其他杂质相，说明实验范围内采用铝酸钠溶液晶种分解的方式可较容易获得三水铝石.

图5 不同反应条件下分解产物的XRDFig.5 XRD spectrum of the product under different conditions(a)-反应温度50 ℃下产物XRD； (b)-反应时间10h下产物XRD； (c)-分子比1.5下产物XRD； (d)-种子率20%下产物XRD

2.6 分解产物的扫描电镜分析

由图6可以看出，分解产物氢氧化铝颗粒呈六面体形状，且颗粒大小分布均匀，约为0.5μm，与激光粒度分析仪测试的粒度大小相似.该方法获得氢氧化铝结晶较为完善，形貌大小较为均匀，应具有较高的力学和热学性质.

图6 分解产物的SEMFig.6 SEM spectrum of the product

3 结 论

本文研究了分解温度、反应时间、分子比及种子率对铝酸钠溶液分解制备超细氢氧化铝过程的影响，获得的主要结论如下：

(1)分解产物氢氧化铝粒度随着分解温度升高逐渐增大，铝酸钠溶液的分解率随分解温度升高而降低；

(2)分解产物氢氧化铝粒度随着分解时间增大逐渐增大，铝酸钠溶液的分解率随分解时间增大而升高；

(3)分解产物氢氧化铝粒度随着精液分子比升高逐渐增大，铝酸钠溶液的分解率随精液分子比升高而降低；

(4)分解产物氢氧化铝粒度随着种子率升高逐渐减小，铝酸钠溶液的分解率随种子率升高而升高；

(5)超细氢氧化铝晶种分解较佳工艺条件为反应温度50 ℃，时间10 h，精液分子比1.5，种子率20%.

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Preparationofsuperfinealuminumhydroxidebyseedprecipitationinsodiumaluminatesolution

Jiang Da1, Zhang Shuai2, Qu Liying3

(1.School of Materials Science and Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China；2.Liaoning Equipment Manufacturing Vocational and Technical College, Shenyang 110164，China；3.Sinosteel Jilin Electro-Mechanical Equipment Co.,Ltd Jilin 132000, China)

Preparation of superfine aluminum hydroxide by seed precipitation in sodium aluminate solution was comprehensively investigated in the laborary. The work was focused on effects of reaction temperature, time, seed ratio and solution molecule size on particle distribution of aluminum hydroxide and decomposition ratio of sodium aluminate. The result showed that the optimum condition is that reaction temperature is 50 ℃, time is 10 h, molecule ratio is 1.5 and the seed ratio is 20%.

seed precipitation; superfine aluminum hydroxide;sodium aluminate solution; precipitation rate

10.14186/j.cnki.1671-6620.2015.01.013

2013-11-20.

国家自然科学基金青年基金(51204037):辽宁省教育厅项目(L2012048).

姜妲(1978-),女，副教授，博士，E-mail：dajiang7810@gmail.com.

TF 803.2

A

1671-6620(2015)01-0062-05