專利名稱：α-氧化鋁粉末的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種α-氧化鋁粉末的制備方法，且特別涉及一種具有高α比、高BET比表面積，且含有少量頸形的α-氧化鋁顆粒的α-氧化鋁粉末的制備方法。
背景技術(shù)：
α-氧化鋁粉末是一種化學(xué)式為Al2O3且具有α晶相的化合物，其使用非常廣泛，例如其可作為燒結(jié)體比如是透明管的原料。由強(qiáng)化燒結(jié)體強(qiáng)度的觀點(diǎn)而言，所使用的α-氧化鋁原料必須具有高α比、高BET比表面積，且含有少量頸形的α-氧化鋁顆粒。
公知技術(shù)的一種制備具有上述特性的α-氧化鋁粉末的方法，是在硝酸鋁的存在下鍛燒氧化鋁原料(Key Engineering Material，第53-55期(1991)，第462-468頁)。
然而，公知技術(shù)的方法所獲得的α-氧化鋁粉末并無法符合制造燒結(jié)體時(shí)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明研究一種α-氧化鋁粉末的制備方法，其結(jié)果顯示本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明提出一種α-氧化鋁粉末的制備方法，此方法是先移除一混合物中的水分，再將已去除水分的混合物鍛燒，其中該混合物含有以下(1)、(2)、(3)與(4)種成分(1)一α-氧化鋁前趨物；(2)一晶種；(3)一水；(4)一硝酸根離子，其含量為該α-氧化鋁前趨物與該晶種中每1莫耳的鋁(Al)含有2.8至3.3莫耳。


圖1為本發(fā)明例1的一種α-氧化鋁的穿透式電子顯微鏡照片；圖2為本發(fā)明例2的一種α-氧化鋁的穿透式電子顯微鏡照片；圖3為比較例1的一種α-氧化鋁的穿透式電子顯微鏡照片；圖4為比較例2的一種α-氧化鋁的穿透式電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的α-氧化鋁粉末的制備方法，是先移除一混合物中的水分，再將去除水分的混合物鍛燒，其中該混合物含有α-氧化鋁前趨物、晶種、水、與硝酸根離子。
上述的α-氧化鋁前趨物可以是一種鍛燒后可轉(zhuǎn)變?yōu)棣?氧化鋁的化合物，其例如是鋁鹽、烷氧化鋁、過渡氧化鋁(transition alumina)、氫氧化鋁、鋁化合物的水解產(chǎn)物。
鋁鹽包括，例如是無機(jī)鋁鹽如硝酸鋁、硫酸鋁、硫酸銨鋁與氫氧化碳酸銨鋁(ammonium aluminum carbonate hydroxide)，或是有機(jī)鋁鹽如草酸鋁、醋酸鋁、硬脂酸鋁、銨礬(ammonium alum)、乳酸鋁(aluminum lactate)與月桂酸鋁(aluminum laurate)。
烷氧化鋁包括，例如是異丙氧烷基鋁、乙氧烷基鋁、仲丁氧基鋁、叔丁氧基鋁等。
過渡鋁包括，例如是結(jié)晶相為γ、χ、θ、ρ、κ。
氫氧化鋁包括，例如是三水鋁石(gibbsite)、水鋁礦(boehmite)、擬-水鋁礦(pseudo-boehmite)、拜三水鋁石(bayerite)、諾斯三水鋁石(norstrandite)或水鋁石(diaspore)等晶相的結(jié)晶化合物，或非晶型化合物。
鋁化合物的水解產(chǎn)物較佳的例如是水溶性鋁化合物的水解產(chǎn)物，其可由鋁鹽(無機(jī)鋁鹽、有機(jī)鋁鹽)和堿在水存在下反應(yīng)而得，或由烷氧化物(異丙氧基鋁、乙氧基鋁、仲丁氧基鋁、叔丁氧基鋁)和水反應(yīng)而得。
α-氧化鋁前趨物以鋁鹽較佳，無機(jī)鋁鹽更佳，硝酸鋁鹽上佳。
晶種可促使α-氧化鋁前趨物產(chǎn)生相轉(zhuǎn)移而形成α-氧化鋁，其通常為金屬氧化物，其例包括氧化鋁(Al2O3)、氧化鐵(Fe2O3)與氧化鉻(Cr2O3)。較佳的晶種具有金剛砂結(jié)晶結(jié)構(gòu)的金屬氧化物，其包括例如是α-氧化鋁、α-氧化鐵或α-氧化鉻，其中較佳的是α-氧化鋁。
晶種的平均粒徑通常約為或大于0.01μm。較佳的是約為或大于0.05μm，且通常是約為或小于0.5μm。
晶種的BET比表面積通常約為或大于12m2/g，較佳的是約為或大于15m2/g，且通常是小于或約為150m2/g。
α-氧化鋁晶種的制備方法，例如是將異丙氧基鋁水解所形成的氫氧化鋁預(yù)鍛燒，以獲得過渡氧化鋁，之后將過渡氧化鋁磨碎，再鍛燒、研碎。氧化鐵和鉻化鐵則可以例如是將市售的商品磨碎來制備，晶種的含量，以金屬氧化物來計(jì)，通常是每100重量份的α-氧化鋁與晶種總重量和中含有約為或大于5重量份的晶種，較佳的是約為或大于10重量份，且通常是小于或約為50重量份，較佳的是小于或約為30重量份。
關(guān)于水，則通常是使用純水、離子交換水與蒸餾水。水的含量通常為通常是每100重量份的α-氧化鋁與晶種總重量和中含有約為或大于50重量份，較佳的是約為或大于100重量份，且通常是小于或約為1000重量份，較佳的是小于或約為500重量份。
混合物中的硝酸根離子通常以化學(xué)式NO3-來表示。當(dāng)α-氧化鋁前趨物是可以水中產(chǎn)生硝酸根離子的硝酸鋁化合物時(shí)，將α-氧化鋁前趨物溶解于水中，即硝酸鋁化合物即可產(chǎn)生硝酸根離子。
混合物中的硝酸根離子亦可將非金屬硝酸鹽溶于水中以產(chǎn)生。非金屬硝酸鹽例如是硝酸銨、硝酸、氫氧化硝酸銨、丙基硝酸、硝酸酯、乙醇硝酸(ethanoyl nitrate)、乙基硝酸、硝酸次乙酯(ethylene nitrate)等。
混合物中的硝酸根離子含量，通常是混合物中每莫耳的鋁含有2.8莫耳或大于2.8莫耳，較佳的是含有2.9莫耳或大于2.9莫耳，且其含量通常是小于或等于3.3莫耳，較佳的是小于或等于3.2莫耳。若是晶種不是氧化鋁，則混合物中的鋁含量等于上述α-氧化鋁前趨物中的鋁含量。若是晶種含有氧化鋁，則混合物中的鋁含量等于晶種與α-氧化鋁前趨物中的鋁含量和。
上述混合物的制備方法，可以將α-氧化鋁前趨物和水混合，之后，再與晶種以及可以產(chǎn)生硝酸根離子的化合物(非金屬硝酸鹽等)混合。
移除水分的方法，可以采用蒸發(fā)混合物中水份以獲得干燥固體的方式，例如是冷凍干燥法或減壓干燥法。移除水分的溫度通常為100℃或低于100℃。
移除水分的方法，亦可以采用固-液分離法如過濾、離心分離法將混合物中的固體與水分離，之后，再將所得的固體干燥。固-液分離的溫度通常為100℃或低于100℃。干燥步驟可在室溫下進(jìn)行或加熱進(jìn)行，其通常是在空氣或鈍氣(例如氮?dú)?、氬?的環(huán)境下，溫度為100℃或低于100℃，壓力為1大氣壓或低于1大氣壓的情況下進(jìn)行。
移除水分之后所獲得的混合物通常是粉末狀，其含有α-氧化鋁前趨物、晶種以及硝酸鹽。若是用以產(chǎn)生硝酸根離子的化合物是非金屬硝酸鹽(硝酸銨、硝酸、氫氧化硝酸銨、丙基硝酸、硝酸酯、乙醇硝酸、乙基硝酸、硝酸次乙酯等)，則此非金屬硝酸鹽會(huì)與α-氧化鋁前趨物反應(yīng)而形成一產(chǎn)物，且在進(jìn)行水分的移除步驟時(shí)，此產(chǎn)物會(huì)沉淀下來，使得移除水分之后所獲得的混合物中亦包含此成分。
本發(fā)明的方法包括將上述混合物鍛燒的步驟。
進(jìn)行鍛燒的設(shè)備例如是一管式電子爐(tubular electric furnace)、箱型電子爐、隧道式爐管、遠(yuǎn)紅外線爐管、微波爐、深井爐(shaft furnace)、反射爐、旋轉(zhuǎn)爐及輥底式爐(Roller Hearth furnace)。鍛燒步驟可以以批次式進(jìn)行或連續(xù)式進(jìn)行，亦可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)。
鍛燒的溫度通常約為600℃或是600℃以上，較佳的是約為或大于700℃，且通常是小于或約為1000℃，較佳的是約為或大于950℃。鍛燒的時(shí)間通常是10分鐘或10分鐘以上，較佳的是約為或大于30分鐘，且通常是小于或約為24小時(shí)，較佳的是小于或約為10小時(shí)。
通常鍛燒程序是在空氣或鈍氣(氮?dú)?、氬?下進(jìn)行，亦可在控制空氣中水蒸氣分壓的環(huán)境下進(jìn)行，例如是在水蒸氣分壓為600Pa或小于600Pa的空氣中進(jìn)行鍛燒。
以上述方法所獲得的α-氧化鋁粉末可再磨碎。磨碎的方法例如是以中型粉碎機(jī)如震動(dòng)式研磨機(jī)和球磨機(jī)(ball mill)，或是氣流式粉碎機(jī)如噴射粉碎機(jī)。此外，鍛燒所形成的α-氧化鋁粉末，或以上述方法磨碎后所得的α-氧化鋁粉末可再分類。
本發(fā)明所制備的α-氧化鋁粉末的平均粒徑通常為0.01μm或小于0.01μm，較佳的是約為或小于0.05μm，且通常是小于或約為0.09μm。此外，本發(fā)明所形成的α-氧化鋁粉末具有高α比、高BET比表面積，例如，α比約為或大于90％，較佳的是約為或大于95％；BET比表面積約為或大于15m2/g，較佳的是約為或大于17m2/g。BET比表面積的上限通常約為或小于50m2/g，但并不限定于此，較佳的是約為或小于40m2/g。α-氧化鋁粉末含有少量具有頸形的顆粒，且其較佳的含量是20％或更少，更佳的是10％或更少。
如上所述，本發(fā)明所制備的α-氧化鋁粉末具有高α比、高BET比表面積，且含有少量的頸形顆粒，因此，本發(fā)明的α-氧化鋁粉末可用來作為制造具有高強(qiáng)度的α-氧化鋁燒結(jié)體的原料。本發(fā)明所形成的α-氧化鋁燒結(jié)體可用以作為需要高強(qiáng)度的構(gòu)件，例如是切割工具、生醫(yī)陶瓷(bioceramics)與防彈擋板。由于此種α-氧化鋁燒結(jié)體具有絕佳的化學(xué)穩(wěn)定性例如是絕佳的耐腐蝕性，因此，可以制成用來制造半導(dǎo)體中的裝置或設(shè)備中的構(gòu)件，例如是晶圓取放機(jī)(wafer handler)、電子零件如氧氣傳感器、透明管件如鈉氣燈與金屬鹵化燈，或陶瓷過濾器。陶瓷過濾器可用以移除廢氣中的固體成分，或是過濾鋁熔化物、過濾酒(如啤酒)，或選擇性地分散煉制石油過程中所產(chǎn)生的氣體或一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕?、氫氣?br> 本發(fā)明所制備的α-氧化鋁粉末可作為添加劑、調(diào)色劑或樹脂填充物，當(dāng)其添加到所應(yīng)用型態(tài)的磁性媒介的材料層上后可增進(jìn)其熱清洗性與耐磨性。α-氧化鋁粉末亦可作為研磨的材料。例如，將α-氧化鋁粉分散于如水的媒介中所形成的研漿，以應(yīng)用于半導(dǎo)體化學(xué)機(jī)械研磨制程或硬盤基底的研磨工藝中。將α-氧化鋁粉涂布在長帶上所制成的研磨帶可應(yīng)用于硬盤或磁頭的精細(xì)研磨工藝中。
此外，α-氧化鋁粉末可作為化妝品的添加劑、煞車內(nèi)襯的添加劑或觸媒載體，或是導(dǎo)電燒結(jié)體或?qū)釤Y(jié)體的材料。
實(shí)例本發(fā)明將以以下的實(shí)例詳細(xì)說明，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍。α-氧化鋁粉末的性質(zhì)以以下的方法測量。
α比(％)α比依照以2θ＝25.6°(α-氧化鋁)的波峰強(qiáng)度I25.6以及2θ＝46°的波峰強(qiáng)度I46所表示的式(1)計(jì)算而得的。其中I25.6與I46以繞射光譜儀使用CuKα光束40kV×20mA，石墨分光儀，測量2θ＝25.6°(α-氧化鋁)的波峰強(qiáng)度I25.6以及2θ＝46°的波峰強(qiáng)度I46，且是使用X光粉末繞射儀所測得α比＝I25.6/(I25.6+I46)×100(％)BET比表面積(m2/g)以氮吸附法測量。
平均粒徑(μm)以穿透式電子顯微鏡測量α-氧化鋁粉末而得，其最大的粒徑沿著所測量的20顆或20顆以上的主顆粒的固定方向來測量，然后，再計(jì)算其平均值。
頸形顆粒的比例以穿透式電子顯微鏡觀察20顆或20顆以上的α-氧化鋁粉末，計(jì)算集結(jié)2顆或2顆以上的主顆粒的比例。測量的方法以以下的例子說明。
在圖中沒有集結(jié)主顆粒的顆粒18集結(jié)2個(gè)主顆粒的顆粒1集結(jié)3個(gè)主顆粒的顆粒1此例中，頸形顆粒的比例為10％[＝2/(18+1+1)]例1晶種研漿的制備將異丙氧基鋁水解所得的氫氧化鋁預(yù)鍛燒以形成過渡氧化鋁，此過渡氧化鋁的主要晶相為θ相，且含有3wt％的α-氧化鋁，其后，以噴射磨碎機(jī)將此過渡氧化鋁磨碎，以形成總密度為0.21g/cm3的粉末。
將100克的粉末置于體積為8升的空氣鍛燒爐(atmospherecalcination furnace，商品名”TUBULAR ATMOSPHERE FURNACE”，MOTOYAMA K.K.制造)中，將露點(diǎn)為-15℃的干燥空氣(水蒸氣的部分分壓為165Pa)以1L/min的速率通入鍛燒爐中。然后，將鍛燒爐中的氣體升溫至1170℃持續(xù)3小時(shí)，但其露點(diǎn)仍維持在-15℃，之后，再慢慢冷卻。接著，以震動(dòng)式研磨機(jī)(研磨媒介為氧化鋁)將此鍛燒條件所形成的鍛燒氧化鋁磨碎，以形成BET比表面積為16.0m2/g的α-氧化鋁粉末。
將20重量份的α-氧化鋁加入并分散于80重量份、pH值為4的硝酸中，然后，在一球磨機(jī)中加入直徑為2mm的鋁珠，并以此球磨機(jī)將前述的混合物進(jìn)行濕式分級(jí)(wet-classified)，以獲得一晶種研漿。微細(xì)顆粒的α-氧化鋁粉末的制備將375.13克(1莫耳)的水合硝酸鋁[Al(NO3)3·9H2O，Wako Pure化學(xué)公司制造，保證試劑(guaranteed reagent)]溶于777.87克的純水中，以形成1000cm3的硝酸鋁水溶液。在100cm3的硝酸鋁水溶液中加入2.83克上述的晶種研漿(Al2O3含量為0.566克)，然后再加入2.64克的硝酸銨[NH4NO3，Wako Pure化學(xué)公司制造，保證試劑]，以形成一混合物。以晶種為Al2O3計(jì)算，每100重量份的混合物中則含有10重量份的氧化鋁[Al2O3]晶種。混合物中的硝酸根離子的濃度，為每1莫耳的硝酸鋁與晶種的鋁總量中含有3莫耳。
接著，將混合物置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，以去除混合物中的水分，制成粉末。蒸發(fā)器中的氣壓為減壓，外部以75℃的水加熱。然后，將粉末置于箱型電子爐中的鋁坩堝上，在890℃鍛燒3小時(shí)，以形成α-氧化鋁粉末。此α-氧化鋁粉末的性質(zhì)如表1所示，其穿透式電子顯微鏡的照片如圖1所示。
例2以相同于例1的方法操作，但所加入的硝酸銨量改成4.16克，鍛燒的溫度改為930℃。所形成的α-氧化鋁粉末的性質(zhì)如表1所示?；旌衔镏械南跛岣x子的濃度是為每1莫耳的硝酸鋁與晶種的鋁總量中含有3.2莫耳。所形成的α-氧化鋁粉末的性質(zhì)如表1所示，其穿透式電子顯微鏡的照片如圖2所示。
比較例1以相同于例1的方法操作，但未加入硝酸銨。所形成的α-氧化鋁粉末的性質(zhì)如表1所示?；旌衔镏械南跛岣x子的濃度是為每1莫耳的硝酸鋁與晶種的鋁總量中含有2.7莫耳。所形成的α-氧化鋁粉末的性質(zhì)如表1所示，其穿透式電子顯微鏡的照片如圖3所示。
比較例2以相同于例1的方法操作，但所加入的硝酸銨量改成6.24克或更多，鍛燒的溫度改為930℃。所形成的α-氧化鋁粉末的性質(zhì)如表1所示?；旌衔镏械南跛岣x子的濃度是為每1莫耳的硝酸鋁與晶種的鋁總量中含有3.4莫耳。所形成的α-氧化鋁粉末的性質(zhì)如表1所示，其穿透式電子顯微鏡的照片如圖4所示。
表1α-氧化鋁粉末的性質(zhì)


雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)所作些許更動(dòng)與潤飾，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種α-氧化鋁粉末的制備方法，該方法包括移除一混合物中的水分，該混合物含有以下(1)、(2)、(3)與(4)種成分(1)一α-氧化鋁前趨物；(2)一晶種；(3)一水；(4)一硝酸根離子，其含量為該α-氧化鋁前趨物與該晶種中每1莫耳的鋁(Al)含有2.8至3.3莫耳；鍛燒已去除水分的該混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該α-氧化鋁前趨物選自于鋁鹽、烷氧化鋁、過渡氧化鋁(transitionalumina)、氫氧化鋁、鋁化合物的水解產(chǎn)物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該α-氧化鋁前趨物選自由鋁鹽、烷氧化鋁、過渡氧化鋁(transitionalumina)、氫氧化鋁、鋁化合物的水解產(chǎn)物所組成的族群。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該鋁鹽為硝酸鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該晶種為一金屬氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該金屬氧化物具有金剛砂結(jié)晶(corundum crystal)結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該晶種選自于α-氧化鋁、α-氧化鐵及α-氧化鉻的族群。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該晶種的含量以其金屬氧化物成分來計(jì)，為每100重量份的該α-氧化鋁與該晶種的重量中含有5至50重量份。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該水的含量是每100重量份的該α-氧化鋁與該晶種的重量中含有50至1000重量份。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的α-氧化鋁粉末的制備方法，其特征在于該鍛燒的溫度為600至1000℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種α－氧化鋁粉末的制備方法，此方法是先移除一混合物中的水分，再將已去除水分的混合物煅燒，其中該混合物含有以下(1)、(2)、(3)與(4)種成分(1)一α－氧化鋁前趨物；(2)一晶種；(3)一水；(4)一硝酸根離子，其含量為該α－氧化鋁前趨物與該晶種中每1摩爾的鋁(Al)含有2.8至3.3摩爾。
文檔編號(hào)C01F7/34GK1550452SQ200410038199
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月19日
發(fā)明者真木一, 竹內(nèi)美明, 梶原和久, 久, 明 申請(qǐng)人:住友化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社