萍乡煤矸石熔盐法合成片状氧化铝粉体的研究

2022.10.22

熊里

摘要：根据莫来石组成，在均化处理之后的萍乡煤矸石中分别加入氧化铝、氢氧化铝和硫酸铝等原料，并在硫酸钠熔盐中进行反应，研究了不同温度对试样产物的影响。实验证明：加入硫酸铝原料的试样，在高于1200 ℃温度条件下保温3 h后，主要物相为α-Al2O3和硅铝酸钠，用10%的HF酸浸泡，溶去试样中的硅铝酸钠和杂质相，得到较纯的片状α-Al2O3。

关键词：萍乡煤矸石；熔盐法；片状α-Al2O3；研究

1 引言

片状氧化铝是一种以刚玉（α-Al2O3）为主晶相的耐火原料，它的微观结构与一般刚玉不同，具有两大特征，一是在一定显微尺度下断面呈清晰的板片状；二是晶体内部存在着较多的闭气孔[1]。片状氧化铝具有耐高温、耐酸碱性、熔点高、硬度高、导热性高和电阻率高等很多优良的性能。另外，还具有其他片状粉体所不具备的高机械强度、良好的附着力、显著的屏蔽效应和光反射能力[2]。因此，片状α-Al2O3广泛地应用于化妆品、颜料、涂料、磨料、油墨、填充剂、汽车面漆和增韧陶瓷等领域[3]。片状氧化铝还可以替代云母基片，用于制备珠光颜料，还可以应用于各类耐火材料、滑动水口、喷嘴、套管、缓冲垫和浇铸内衬。此外，还可以用于做催化剂载体、热交换介质、电子点火、技术陶瓷等。据调查，国外的片状氧化铝用量为每万吨钢5 t，总用量为20万t；我国目前每年产钢近亿吨，对耐火材料和制品特别是分区使用制品要求愈来愈高，年用量为3～4万t。因此，片状氧化铝的发展前景良好。

片状氧化铝的制备方法有水热法、熔盐法、涂膜法、电熔法等，其中，水热法要求在高温高压的环境下进行，反应周期较长，设备依赖性较大；涂膜法不能有效调节和控制片体的大小、厚度；电熔法要在1900 ℃以上的高温中进行；而熔盐法制备片状α-Al2O3粉体的设备简单，可在较低温度和较短时间内完成，大小和厚度易控制，制备出的粉体纯度高[1， 4]。

本实验以萍乡煤矸石为原料，在硫酸钠熔盐中制备合成高纯度的片状α-Al2O3粉体。同时，此工艺是工业废料综合回收再利用项目，可享受国家对此类项目在政策和税收方面的优惠，具有很大的市场价值。

2 实验内容

2.1 实验原料

本实验所采用的原料为均化处理后的萍乡煤矸石，物相分析如图1所示，化学成份如表1所示。

所用化学试剂为：化学纯的Al（OH）3、氧化铝Al2O3、硫酸铝Al2（SO4）3·18H2O、硫酸钠Na2SO4以及10%的HF酸。

2.2 制备工艺

根据莫来石（Al/Si摩尔比=3/2）的组成，将均化并磨细后的煤矸石分别与氧化铝、氢氧化铝和硫酸铝混合，再分别加入硫酸钠（硫酸钠的加入量为试样总质量的50% ），将三组混合物（编号分别为A、B、C）置于行星球磨罐中，以300转/min的转速研磨30 min。研磨后的浆料过筛、烘干并研磨粉碎，然后将三组混合物分别置于三个刚玉坩埚内，在设定的炉温中烧结、保温并冷却。用蒸馏水洗涤试样除去Na2SO4，得到所需试样并用衍射仪对试样的物相进行分析。在室温条件下，将蒸馏水洗涤后的试样用10%的HF酸浸泡3 h，过滤、洗涤后用扫描电镜观察试样的形貌。

2.3 测试仪器

（1） X射线衍射分析：德国Bruker公司D8Advance型XRD衍射仪。

（2）扫描电镜分析：日本电子公司的JSM-6700F型扫描电子显微镜。

3 结果分析与讨论

3.1 三组样品烧结后的形貌对比

图1、图2、图3分别为三组样品在1200 ℃温度下烧结并保温3 h后的扫描电镜测试结果。

从图1～图3可以看出，三组样品中都有生长出片状的趋势，但样品A和样品B中基本以块状的形貌存在，并没有长出片状的形貌。样品C中可以看见明显的薄片状，但较为杂乱。从图2中还可以看出，片形还未完全发育，层叠在一起。

样品A和样品B中未长出片状，可能是因为熔盐的气氛不够，而样品C中外加了硫酸铝作为铝源，硫酸铝除了增加铝的含量之外，其中的硫酸根离子还配合外加的硫酸钠一起充当了熔盐的作用。因此，样品C中的熔盐气氛比样品A、样品B都要好，更易促进片状氧化铝的生长。样品C中的片状氧化铝还未完全发育，可能是因为试样的烧结温度还不够。所以，下一步选取样品C继续做实验，并把烧结温度提高至1350 ℃，并保温3 h。

3.2 对加入硫酸铝的试样进行高温烧结

图4为样品C在1350 ℃温度下烧结并保温3 h后的扫描电镜测试结果。

与图3相比，图4中的片形生长较为充分，但片形周围还存在大量的杂质，这些杂质可能是莫来石在1200 ℃完全分解后所导致的。硫酸钠与莫来石反映生成硅铝酸钠，其反应方程式如下：

Na2SO4（s） + 3Al2O3·2SiO2（s） ——2NaAlSiO4（s）+2Al2O3+SO3（g）

对该组样品做XRD分析，其结果如图5所示。

由图5可知，主晶相是氧化铝和硅铝酸钠，还有部分多余的石英存在，可能是煤矸石中过量的二氧化硅。

用蒸馏水洗涤1350 ℃煅烧后的样品C，以除去试样中的盐分得到纯净的产物；然后用10%氢氟酸溶液浸泡3 h，再用蒸馏水洗涤。用HF酸浸泡是因为煤矸石中含有较多的其它氧化物（如：CaO、MgO、Fe2O3、TiO2），煅烧后的试样经HF酸浸泡可使其溶于溶液中，从而得到较纯的α-Al2O3物质。

HF酸浸泡后的样品C的扫描电镜如图6所示。

从图6中可以看出，合成的α-Al2O3粉体呈规则的片状结构，片晶的大小、厚度均匀。可以看出，用熔盐作为反应媒介能大大减小反应物之间的扩散距离，加快物质运动的速度，为α-Al2O3晶体提供自由生长的环境[4]。在温度大于1200 ℃时的熔盐体系中，由于Na2SO4、SiO2、Na2O、K2O、Fe2O3等液相物质的存在，致使液相量较多，液相粘度较低，有利于物质的传输，为片状α-Al2O3提供了自由的生长环境[5]。

4 结论

本文以萍乡煤矸石为主要原料，按照莫来石理论组成加入硫酸铝，并以一定量硫酸钠为反应介质，在温度高于1200 ℃的条件下保温3 h，可以获得主要物相为α-Al2O3和硅铝酸钠的试样。将试样用10%的HF酸浸泡，溶去其中的杂质相，可以制备出较纯的片状α-Al2O3粉体。

参考文献

[1] 杨德安，陈玉如，谈家琪，等.电熔法板状刚玉的制备及其性能[J].

天津大学学报，1999，32（1）：117～120.

[2] 马淑龙，张利芳，卜景龙，等.钛酸铝一板状氧化铝复合材料合成

与性能[J].河北理工大学学报（自然科学版），2008，30（2）：57～61.

[3] 邓三毛，叶红齐，苏周，等.片状氧化物粉体的合成与性能[J].化工

新型材料，2004，32（7）：13～15.

[4] 张倩影，朱丽慧，刘伟，等.添加剂在熔盐法合成片状α-Al2O3中的

作用[J].材料研究学报，2008，22（2）：205～208.