溶胶凝胶法制备氢氧化铝

摘要溶胶凝胶法是备制氢氧化铝的粉体的方法之一，是利用不同的前驱物（铝的无机化合物、铝的有机化合物）在一定PH值、水浴温度、搅拌速度的控制下水解制成氢氧化铝胶体，然后再在一定条件下转化为凝胶，经过干燥，研磨制得具有一定粒径、比表面积和晶型的超细氢氧化铝粉体。

关键词溶胶凝胶法氢氧化铝粉体
Abstract
Prepared by sol-gel method is made of aluminum hydroxide, one of the ways is powdery using different precursors (aluminum inorganic compounds, aluminum of organic compounds) in certain PH value, stretching temperature, stirring speed under the control of the hydrolysis colloidal, then made aluminum hydroxide in certain conditions into gel, after drying, grinding system has a certain size, specific surface area and the type of super-fine powder.
Key word： sol-gel Aluminum hydroxide powder
前沿超细氢氧化铝具有阻燃、消烟、填充多种功能，是一种重要的无机环保型阻燃材料。

它相比较与有机阻燃材料燃烧时产生大量的烟雾、腐蚀性气体和有毒气体等缺点，无机阻燃剂具有热稳定较好、不产生腐蚀性气体、不挥发、效果持久、没有毒性、价格低廉以及对环境危害小的优点。

氢氧化铝在常温下化学性质和物理性质比较稳定，燃烧时又不会产生二次污染，分散性和白
度高。

除此之外世界铝矿分布广泛，氢氧化铝的来源丰富，成本较低，因此超细氢氧化铝日益成为合成材料配方的首选材料之一。

随着国内外为对阻燃剂的性能要求越来越高，顺应阻燃剂市场高阻燃、低烟雾、无害化的发展趋势，为大规模工业生产氢氧化铝提供了广阔的前景和机会。

本文主要对氢氧化铝阻燃剂的阻燃机理、备制方法、寻求实验室条件下用溶胶凝胶法备制氢氧化铝的最佳条件及改进技术，并对其今后发展进行简要的展望。

1文献综述
1.1阻燃材料的概述
随着合成材料的不断发展及其应用范围的不断扩大，为了安全可靠性，对各种产品的材质提出了相应的阻燃要求。

高分子化合物的燃烧，大致要经过受热、分解、着火、燃烧这几个过程。

高分子化合物在受热分解时会产生可燃性气体，如：甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳等，这些可燃性气体浓度达到燃烧范围，或被加热到燃烧点时，就会发生燃烧。

物质不断进行分解、氧化，燃烧就不断进行。

在燃烧的过程中，起到关键性因素是，一是环境的温度；二是氧气的存在；三是可燃性气体的浓度。

但从反应形态和限定因素的可行性来看控制环境的温度和隔断氧气就可以基本达到阻燃目的。

1.2阻燃剂的分类
有机阻燃剂具有代表性的是溴系、氯系、有机磷系等，他们的阻燃效果、添加量少以及热稳定性高等优点，但同时这些材料的危害惊人。

这些有机物在高温下分解可产生毒性腐蚀性气体，而且这些阻燃剂可以长期存在于人和动物体内，严重危害人类身体健康。

另外这些材料的价格较高，使其作为阻燃剂的应用受到很大的限制。

无机阻燃剂分为阻燃填充剂和辅助阻燃剂俩类。

阻燃填充剂主要有氢氧化铝、氢氧化镁、碳酸钙等，需要大量填充这些材料才能发挥阻燃效果，他们集阻燃、消烟、填充功能于一体，在活在中不会产生二次污染，是目前大量使用的阻燃剂，也是人们研改进较多的一类阻燃剂。

辅助阻燃剂有锑系、锡系、硼系等，他们在阻燃过程中不能单独发挥作用，但少量的使用就能与其他阻燃剂有协同、加和、消烟等功能，是理想的阻燃增效剂。

1.3 氢氧化铝的阻燃机理
氢氧化铝受热至200～220 ℃左右时开始吸热分放出３个结晶水
2AL(OH)3→AL2O3+3H2O
氢氧化铝分解时吸热达1976.2kj/kg,吸收这样大的热量是其具有阻燃作用的最主要原因。

根据热差分析和热重分析可知，在温度低205℃时，氢氧化铝在大气中保持稳定，205℃～220℃开始缓慢分解，超过220℃时分解加快。

主要的吸热峰在308℃左右。

吸热脱水过程延缓了聚合物的燃烧，使燃烧速度减缓，同时
放出的水蒸气，不仅冲淡了燃烧的气体，而且参与了冷凝相的反应。

吸热分解直接产生的冲淡效果，也使氢氧化铝具有抑烟的功能。

分解生成的氧化铝与其它碳化物一起形成一道阻燃屏障，减小烧蚀速度，防止火焰的蔓延。

根据以上分析可知，氢氧化铝的阻燃机理可以归纳为：A吸热作用。

在220℃～350℃脱水吸热，抑制燃烧物温度的升高。

B稀释作用。

氢氧化铝的填充，可是燃烧物浓度下降。

并且氢氧化铝脱水放出的水汽稀释可燃气体和氧气的浓度，可有效阻止燃烧。

C覆盖作用。

氢氧化铝分解后产生的三氧化二铝保护膜，隔绝氧气，可阻止燃烧继续。

D碳化作用。

阻燃剂在燃烧条件下产生强烈脱水性物质，使塑料碳化而不易产生可燃性挥发物，从而阻止火焰蔓延。

1.4 氢氧化铝备制方法
目前氢氧化铝的备制主要分为机械研碎法和化学方法。

1.4.1机械粉碎法是将普通冶金级氢氧化铝经洗涤烘干后采用气流磨或球磨将其加工成氢氧化铝微粉。

机械法生产的氢氧化铝微粉粒度较粗，粒度分布最大颗粒可达15um～20μm产品使用性能差，在电线、电缆的生产过程中,加工性能差，抗折强度、延伸率较低，与化学法氢氧化铝同比其氧指数小，阻燃效果差。

1.4.2化学方法主要有化学法主要有：金属醇盐法，铝酸盐分解法，乳液法
A金属醇盐法，利用铝醇盐易溶于乙醇，遇水很容易分解，产物为氢氧化铝。

基于此原理及醇盐水解法具有的特殊优点 ,因此被广泛使用于制备超微细粉末。

虽然操作简单，获得样品粒径小，但团聚严重，有机原料成本高。

B铝酸盐分解法，在工业生产中广泛应用，在饱和的氯酸钠盐中加入碳酸氢钠弱酸类，或者通入二氧化碳，可制的氢氧化铝晶体。

该方法操作方便，设备要求不高，易于工业生产，但氢氧化铝颗粒大而且不均匀，还需分级工作。

C乳液法，微乳液是由水、与水不相溶的有机溶剂、表面活性剂和助表面活性剂组成的透明或半透明的热力学稳定体系。

在该体系中，通过氨沉淀制得的氢氧化铝超细微粒 ,平均粒径为 6nm ,有较好的分散性。

1.5溶胶凝胶法
1.5.1溶胶凝胶法简介
溶胶凝胶法就是以无机盐或者金属醇盐作为前驱物，在液相中将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在液相中形成稳定透明的溶胶体系。

溶胶经过干燥、烧结、固化备制出分子乃至纳米级别结构的材料。

总而言之溶胶凝胶法就是将含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法。

1.5.2溶胶凝胶法的原理
以化学反应步骤表达如下：
A溶剂化，金属阳离子M z+吸引水分子形成溶剂单元M（H2O）N Z+，为保持其配位数，具有强烈的释放H+的趋势。

B水解反应:非电离式分子前驱物，与水反应。

M Z++nH2O→M(OH)Z+nH+
1.5.3溶胶凝胶法的优点
溶胶凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：1由于溶胶凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液 ,因此 ,就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性 ,在形成凝胶时 ,反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。

2由于经过溶液反应步骤 , 那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素 , 实现分子水平上的均匀掺杂。

3与固相反应相比 ,化学反应将容易进行 ,而且仅需要较低的合成温度 , 一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内 , 而固相反应时组分扩散是在微米范围内 ,因此反应容易进行 , 温度较低。

4选择合适的条件可以制备各种新型材料。

1.6本论文研究的内容及意义
溶胶凝胶法备制氢氧化铝，氢氧化铝溶胶的备制是技术的关键，溶胶的质量直接影响所得到材料的性能，因此如何备制满足需求的溶胶成为研究的重点。

影响胶体形成的平行因素有很多，例如加水量，胶体浓度，催化剂或者活性剂，高分子化合物的使用，电解质的质量等等。

考虑到实验室的条件和实验设计的可行性，本论文主要通过控制变量pH值，水浴温度和水解时间三个方面测试。

通过定性分析，得到实验室条件下采用溶胶凝胶法使氢氧化铝的生产效率得到最大化。

2 实验部分
2.1实验药品
实验药品化学式级别
氯化铝 ALCl3分析纯
氢氧化钠 NaCl 分析纯
碳酸氢钠 NaOH 分析纯
稀盐酸 HCl 分析纯
聚乙烯醇分析纯
去离子水 H2O
丙酮 CH3COCH3分析纯
2.2实验仪器
电磁搅拌器电子pH计恒温水槽回流装置干燥箱烧杯
玻璃棒容量瓶
2.3实验过程
2.3.1准备工作
取一定量的氯化铝固体，加入去离子水，配置成一定浓度的氯化铝溶液，放入容量瓶中保存。

2.3.2PH的影响
分别量取等体积的氯化铝溶液，向其中滴加1mol/L的HCL，在电子HP计的观测下，分别调制pH为2,3,4,5,6,7的氯化铝溶液A1，A2，A3，A4，A5,A6。

由于温度和时间为控制变量，设计实验温度为50℃水解时间1小时。

用磁力搅拌器加热搅拌并用50℃水浴恒温反应1小时。

在回流装置中回流6-8小时，得到稳定透明胶体。

滤出用丙酮洗涤后，在烘箱中烘干，用电子天平分别称量他们质量。

分析数据后得到质量——PH曲线。

2.3.3温度的影响
由PH 试验中得到的结论，按照以上步骤，取样品B 1,B 2,B 3,B 4,B 5,pH 都调至4，分别在60℃，70℃，80℃，90℃，100℃温度下反应一小时。

结束后称得质量，得到质量——温度曲线。

2.3.4水解时间的影响
由以上的结论，按照以上步骤，取样品C 1，C 2,C 3,C 4,C 5,PH 值调至4，水浴温度为80℃，水解时间分别为1hour ，2hour ，3hour ，4hour ，5hour 。

结束后称得质量，得到质量——时间曲线。

2.4结论
3 4 5 6 7 2 1 pH
m/g
由曲线一可知，氯化铝在酸性条件下水解，在PH=1-3之间水解量逐渐增大，PH=4-7之间逐渐减小，在PH=3-4之间最佳。

由曲线二可知，水浴温度有利于水解，在80℃达到顶峰，之后随着水浴温度的升高，对水解反应的作用不再明显。

由曲线三可知，水浴反应时间有利于水解，同样在2hour达到顶峰，之后随着时间的增加，对水解反应的作用不在明显。

2.5实验改进
2.5.1由于实验药品氯化铝含有一定杂质，对实验有一定影响。

可向氯化铝中加入过量的氢氧化钠溶液，静置一段时间，取上清液，向其中滴加碳酸氢钠溶液。

过滤后用去离子水洗涤沉淀，待干燥后密封保存，使用时通过滴加盐酸溶液，在电子PH计下调至一定PH值。

这样得到较纯的氯化铝溶液，有利于胶体的制备。

2.5.2在水浴水解中加入聚乙烯醇分散剂，能有效改变胶体表面状况，有利于溶胶凝胶法备制纳米氢氧化铝。

文献参考
[1]黄东，南海，吴鹤.氢氧化铝阻燃性质与应用研究.材料应用与开发[J].2004，19(3)33-37
[2]王建立，陈启元.阻燃剂用超细氢氧化铝的制备应用及展望.中国粉体技术[J].2007,(1)38-42
[3]张良苗，冯永利等.溶胶-凝胶法备制纳米氢氧化铝溶胶.物理学报[J].2007,23（5）728-732
[4]葛世成.阻燃剂材料手册[M]2000,61-67
[5]李晨，徐博，溶胶-凝胶法的基本原理、发展及应用现状.化学工业与工程[J].2009,26(3)
[6]路振华.阻燃作用机理与阻燃技术.海湖盐与化工[J].25(3)
[7]任书霞，杨丹.溶胶-凝胶法在纳米粉体制备中的应用.中国粉体技术[J]2006,1
[8]王庆伟，王建立，王锦，周世峰.超细氢氧化铝阻燃剂的备制、应用及展望.中国阻燃协会年会[M].2005
[]
致谢
本研究及学位论文是在陈该荣教授，实验室主任苗郁老师，实验指导王辉老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。

他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

从课题的选择到项目的最终完成，他们都始终给予我
细心的指导和不懈的支持。

半年多来他们不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向郑老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过研究生生活的各位同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!。