纳米氧化铝的制备及应用进展_蒋清民

自二十世 纪 八 十 年 代 中 期 德 国 科 学 家 Ｇｌｅｉｔｅｒ等 制备得到纳米氧化铝和八十年代末期纳米材料概念的 提 出 以 后 ，我 国 在 二 十 世 纪 八 十 年 代 末 ，也 将 纳 米 技 术 纳入国家“重大攻关 项 目”和 国 家 “攀 登 计 划”，并 在 纳 米材料的研究中 取 得 了 重 大 进 展，尤 其 在 纳 米 材 料 的 制备、应用以及改性方面取得重大进展 。 ［１–２］
（３．河 南 工 业 大 学 材 料 学 院 ，郑 州 ４５０００１）
摘要 对近年来纳米氧化 铝 材 料 的 各 种 制 备 方 法 及 应 用 进 行 了 综 述 。 主 要 通 过 气 相 法、液 相 法 和 固 相 法 ，对 纳 米 氧 化 铝 的 制 备 方 法 进 行 系 统 的 阐 述 ，并 对 其 在 陶 瓷 材 料 制 备 、材 料 表 面 改 性 、聚 合 物 改 性 、复 合 材 料 制 备 以 及 功 能 材 料 等 方 面 的 应 用 进 行 了 综 述 。 不 断 开 发 纳 米 氧 化 铝 材 料 的 新 工 艺 和 新 方 法 ，对 于 纳 米氧化铝的制备具有重要意义。不断开拓 纳 米 氧 化 铝 的 应 用 领 域，进 而 改 善 产 品 质 量。 最 后，对 纳 米 氧 化铝的制备技术和应用领域的发展方向进行展望。 关 键 词 纳 米 氧 化 铝 ；制 备 ；应 用 中图分类号 ＴＧ７４；ＴＱ１６４ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００６–８５２Ｘ（２０１４）０３–００７７–０６ ＤＯＩ码 １０．１３３９４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｇｓｚｚ．２０１４．３．００１７
１．３．２ 化 学 热 解 法
（１）硫 酸 铝 铵 热 解 法 首 先 对 硫 酸 铝 铵 进 行 多 次 提 纯 ，然 后 加 热 分 解 ，得 到纳米氧化铝。 在 制 备 过 程 中，会 产 生 一 些 有 害 气 体 （如 三 氧 化 硫 气 体 等 ），容 易 造 成 环 境 污 染 。 （２）碳 酸 铝 铵 热 分 解 法 此法是硫酸铝 铵 热 解 法 的 改 进，省 去 了 其 中 多 次 提纯的工 艺 流 程。 申 小 清 等［１３］利 用 碳 酸 铝 铵 热 分 解 法制备得到了球形纳米 α－Ａｌ２Ｏ３。 １．４ 其 他 制 备 纳 米 氧 化 铝 的 方 法 除了上述制备 纳 米 氧 化 铝 的 方 法 外，还 有 一 些 其 他 的 制 备 方 法，如：活 性 炭 微 反 应 器 法［１２］、爆 轰 法 、超 ［１４–１５］ 临 界 抗 溶 剂 法［１６］、阴 极 等 离 子 体 电 解 法［１７］、超增溶 胶 团 自 组 装 合 成 纳 米 氧 化 铝 等。 其 中， 用阴极等离子体技术制备 Ａ１２Ｏ３纳米颗粒，设备简 单， 易操作，容易 实 现 规 模 化 生 产，无 疑 是 一 种 简 便 可 行 的 手 段 ，有 可 能 在 工 业 生 产 方 面 得 到 应 用 。 此外，东北大学的刘 岩 等 采 ［１８］ 用 超 增 溶 胶 团 自 组 装技术，成功地 得 到 了 纳 米 氧 化 铝。 其 具 体 的 工 艺 过 程如图５所示。
１．１．１ 激 光 诱 导 气 相 沉 积 法
激光诱导气相沉积合成技术主要是利用激光产生 高 温 环 境 ，使 得 反 应 物 在 瞬 间 发 生 反 应 ，产 生 超 微 粒 的 小胚胎。然后这 些 小 胚 胎 会 长 大，当 离 开 激 光 照 射 区 时 被 快 速 冷 却 而 停 止 生 长 ，形 成 微 粉 进 入 收 集 器 ，最 后 进 行 相 应 的 处 理 ，即 可 得 到 纳 米 粉 体 。
自首次纳米氧 化 铝 的 制 备 成 功 以 来，进 一 步 激 起
了人们对新型 材 料 的 研 究 热 情。 在 此 过 程 中，人 们 发 现 了 一 些 特 殊 的 性 能 ，如 耐 高 温 、高 硬 度 等 一 系 列 的 特 性 。 ［２］ 同时，随着研究的不断深入，纳米 氧 化 铝 的 制 备 涌现出很多 的 制 备 方 法，主 要 可 以 分 为 三 大 类：气 相 法、液相法和 固 相 法 。 ［３–６］ 同 时，在 研 究 纳 米 氧 化 铝 的 制 备 过 程 中 对 其 应 用 也 进 行 了 研 究 ，如 陶 瓷 材 料 、复 合 材料、吸附 材 料 以 及 对 其 他 物 质 的 改 性 等 。 ［１–５，７–１１］ 下
电化学方法是将反应物加入到特定的反应器中， 通 过 外 加 电 场 的 作 用 ，使 反 应 物 发 生 反 应 ，得 到 所 需 的 前驱体，然后进 行 煅 烧 而 得 到 相 应 的 纳 米 材 料。 徐 淑 丽等 用 ［１１］ 电化 学 法 成 功 制 备 出 粒 径 小 且 分 布 窄 的 纳 米氧化铝。 １．３ 固 相 法
２ 纳 米 氧 化 铝 的 应 用
纳米氧化铝除 了 具 有 纳 米 材 料 的 基 本 性 能 外，在 一 些 方 面 显 现 出 一 系 列 优 异 性 能 ，在 陶 瓷 、材 料 表 面 防 腐 蚀 等 方 面 受 到 人 们 的 广 泛 关 注 ，并 得 到 广 泛 的 应 用 。
溶胶凝胶法是一种常用的制备纳米材料的方法。
１．２．３ 反 相 微 乳 液 法
国家纳米科学中心的朴玲钰等人，在２００９年利 用 反相微乳液技术得到了品质优良的纳米氧化铝。该方 法的优点是合成 产 物 的 粒 径 分 布 易 于 控 制，工 艺 重 复 性好。其具体的操作流程如图３所示。
图３ 反相微乳液法制备纳米 Ａｌ２Ｏ３的操作流程 １．２．４ 水 热 合 成 法
水热合成法是一种在高温高压条件下制备纳米微 粒的方法。郝保红等 利 ［９］ 用水热合成法 制 备 得 到 了 纳 米氧化铝。
１．２．５ 相 转 移 分 离 法
该法是制备 纳 米 Ａｌ２Ｏ３ 的 一 种 技 术 手 段，其 制 备 的工艺过程如图４所示。
图 １ 沉 淀 法 制 备 纳 米 氧 化 铝 的 工 艺 流 程
郑州轻金 属 研 究 院 的 李 东 红 等 人 ［１０］ ，在 ２００１ 年
第３期
蒋 清 民 等 ：纳 米 氧 化 铝 的 制 备 及 应 用 进 展
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以 氯 化 铝 、氨 水 为 原 料 ，通 过 相 转 移 分 离 法 最 终 得 到 了 ２０～５０ｎｍ 的氧化铝。
１．２．６ 电 化 学 法
１．３．１ 机 械 研 磨 法
机械研磨法是 一 种 操 作 简 单，成 本 低 的 制 备 纳 米 氧 化 铝 的 方 法 。 直 接 对 原 料 （如 高 岭 土 ）在 研 磨 机 内 进 行研磨，然 后 经 除 杂 工 艺 即 可 得 到 纳 米 氧 化 铝 粉 体。 此法的缺点是所 制 得 粉 体 粒 度 尺 寸 大 小 ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏ－ａｌｕｍｉｎａ
ＪＩＡＮＧ Ｑｉｎｇ－ｍｉｎ１，ＺＨＩ Ｈｏｎｇ－ｍｅｉ １，ＹＡＮＧ Ｍｅｉ ２，ＤＯＮＧ Ｄｅ－ｓｈｅｎｇ３，ＣＨＥＮ Ｊｉｎ－ｓｈｅｎ３ （１．Ｈｅｎａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００３２，Ｃｈｉｎａ） （２．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｚｈｏｎｇｎａｎ Ｊｅｔｅ Ｓｕｐｅｒａｂｒａｓｉｖｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００４２，Ｃｈｉｎａ） （３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
１．１．２ 等 离 子 气 相 合 成 法
铝盐在阴阳极板之间形成的等离子气体气氛下， 与 空 气 发 生 氧 化 反 应 ，形 成 氧 化 物 。 然 后 ，对 产 物 进 行 快速冷却，使其形成微小颗粒即纳米氧化铝。 最后，对 其进行收集。
１．１．３ 化 学 气 相 沉 积 法
化学气 相 沉 积 （ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，简 称 ＣＶＤ）是氯 化 铝 在 远 高 于 临 界 反 应 温 度 的 条 件 下，使 反应物蒸气形成 很 高 的 饱 和 蒸 气 压，自 动 凝 聚 形 成 大 量的晶核，生成的 固 态 物 质 沉 积 在 加 热 的 固 态 基 体 表 面 ，最 终 在 收 集 室 内 得 到 纳 米 氧 化 铝 。 １．２ 液 相 法
目前最常用的合成纳米氧化铝颗粒的方法就是液 相法，又称为湿 化 学 法。 液 相 法 又 可 分 为：沉 淀 法、溶 胶凝胶法等。
１．２．１ 沉 淀 法
采用沉淀法制备纳米氧化铝的具体工艺流程如图 １所示。
图 ２ 活 性 炭 微 反 应 器 法 的 工 艺 流 程 １．２．２ 溶 胶 凝 胶 法
Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎａｎｏ－ａｌｕｍｉｎａ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｇａｓ ｐｈａｓｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｐｈａｓｅ ｍｅｔｈｏｄ ｅｔｃ，ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎａｎｏ－ａｌｕｍｉｎａ ｉｎ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ， ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｅｔｃ，ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｎａｎｏ－ ａｌｕｍｉｎａ，ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏ－ａｌｕｍｉｎａ．Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｎａｎｏ－ａｌｕｍｉｎａ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｎａｎｏ－ａｌｕｍｉｎａ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｎａｎｏ－ａｌｕｍｉｎａ；ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ