技术领域
[0001] 本
发明涉及用于制备氧化铝的微细球状颗粒的方法。所述氧化铝的粒度在亚微米范围内。
背景技术
[0002] 氧化铝的微细球状颗粒具有各种各样的用途，尤其在陶瓷材料领域内。
[0003] 作为实例，氧化铝的微细球状颗粒可用作颜料、
磨料和
抛光剂、用于耐火和防火产品中、用于陶瓷中、用作催化剂材料或用作填料。取决于氧化铝的纯度，该颗粒还可用作高性能
结构陶瓷、用作高性能抛光剂(用于
半导体)、用作光学和功能陶瓷、
生物陶瓷的原材料等等。
[0004] 在
现有技术中，已通过众多方法制备氧化铝，下文将提及所述方法中的几种。
[0005] 美国
专利No. 4,291,011描述了通过以下方式来生产氧化铝的方法：使高纯度金属铝(固体或液体)与以化学计算过量的量存在的高纯度氧气在垂直取向的筒形容器内连续反应，所述筒形容器在顶部封闭而在底部开放，并具有冷却的
侧壁，在该侧壁上形成一层固体氧化铝。新近形成的氧化铝作为液体膜沉积在该层的内表面上，并通过重
力在其上向下流至容器的开放底部，并随后落入下面的收集容器中，其在该下落期间
凝固或在碰撞到移动的金属表面上之后凝固。
燃烧器(例如氢氧燃烧器)的环形阵列限制该层在容器下方的向下生长，并促进分离向下流动的膜(使其)以液滴形式落入收集容器中。该方法不提供氧化铝的球状亚微米颗粒。
[0006] 加拿大专利No. 2110961描述了一种制备氧化铝颗粒的方法，根据所述方法制备的氧化铝粉末及其用途。 所述方法包括以下步骤：向炉设备（furnace unit）中引入铝载体（例如Al或Al2O3），加热铝载体，将铝载体还原成金属铝(除非铝载体作为金属铝引入)和/或
碳化铝(包括碳氧化铝)，将炉温升高至在其下金属铝或碳化铝
蒸发的值、随后使金属铝或碳化铝在气流中氧
化成氧化铝、和将气流引入
过滤器中，其中根据所需的粒度来调节
温度、气氛和氧化铝颗粒在气流中的保留时间。该方法的缺点在于碳的使用，这可导致呈碳化物和碳氧化物形式的杂质的形成。
[0007] 因此，本发明的目标是提供一种避免以前的方法的缺点的替代且改善的方法，其用于制备在亚微米范围(< 1.0 μm)中的非常微细且纯的氧化铝颗粒。还有一个目标是提供一种可以相对便宜的方式进行的方法。
[0008] 发明描述本发明的原理是产生低价氧化铝
蒸汽，允许该蒸汽与氧气反应并从而形成具有球状性质的氧化铝颗粒。
[0009] 该原理是使氧化铝与铝反应，从而产生用作燃烧介质的气态低价氧化铝(例如AlO、Al2O)和铝蒸汽。通过所述氧化物的部分还原来产生气态铝和低价氧化铝通常是耗热反应。因此此类储热器的存在促进并稳定该过程。
[0010]氧化铝浴的温度高于该氧化物的熔点。优选的温度范围是：2000-2100oC、2100-
2500oC、2500-2700oC。
[0011] 因此所描述的是生产金属氧化物的球状亚微米颗粒的方法，其中将金属氧化物和还原剂注射到包含熔融状态的金属氧化物池（pool of the metal oxide in molten state）的反应容器中，该熔融状态的金属氧化物池用作该方法的储热器，由此金属氧化物与还原剂反应产生金属蒸汽和金属低价氧化物蒸汽，之后所述金属和金属低价氧化物蒸汽被氧化成所述金属氧化物颗粒。
[0012] 因此本发明涉及生产氧化铝(Al2O3)的球状亚微米颗粒的方法，其中将氧化铝和铝金属添加到包含熔融状态的氧化铝池的反应容器中，该熔融状态的氧化铝池用作该方法的储热器，由此氧化铝与铝金属反应产生低价氧化铝(AlO、Al2O)和铝蒸汽，之后该低价氧化物和Al蒸汽在熔融氧化铝池(molten pool of aluminium oxide)上方被氧化，以产生球状亚微米颗粒形式的氧化铝。
[0013] 在优选的实施方式中，所述氧化铝池包含20 – 50重量%氧化铝和50 – 80重量%二氧化锆。
[0014] 在又一种优选的实施方式中，所述氧化铝池包含30 – 55重量%氧化铝和45 – 70重量%二氧化锆。
[0015] 在另一种优选的实施方式中，将氧化铝和铝金属注射到反应容器中。
[0016] 在又一种优选的实施方式中，在空气或氧气中进行低价氧化铝的氧化。
[0017] 在又一种优选的实施方式中，将气体引入熔融池(melted pool)中，用于增加导致增加量的低价氧化铝从该池中释放的分压。
[0018] 该气体优选是空气或氮气或其它惰性气体。
[0019] 所生产的颗粒的尺寸处于亚微米至纳米尺寸颗粒的范围内，其意味着在低于1微米的范围内。
[0020] 在本发明的优选实施方式中，所制备的颗粒具有在10-6至10-7 m范围内的粒度。
[0021] 在本发明的另一种优选实施方式中，所制备的颗粒具有在10-7至10-8 m范围内的粒度。
[0022] 在本发明的再一种优选实施方式中，所制备的颗粒具有小于10-8 m的粒度。
[0023]
附图简述图1是低价氧化铝的分压作为温度的函数的图示说明，其中以
大气压给出沿着Y轴的分压。
[0024] 图2是显示所制备的颗粒的实例的显微照片。
[0025] 发明详述本发明的方法用于生产氧化铝（Al2O3）的球状亚微米颗粒，由此在其下燃烧气体的分压超过0.1个大气压的温度下，用铝金属还原氧化铝，以提供气态铝和低价氧化铝(AlO、Al2O)，由此反应物池为保持在高于其熔点的温度下的熔融氧化铝，之后气态铝和低价氧化物在熔融氧化铝浴上方被氧化成氧化铝，其在过滤器中被捕获。
[0026] 形成低价氧化物的主要反应将为：Al2O3 + 4Al = 3Al2O(g)
Al2O3 + Al= 3AlO(g)
因此该方法是铝热方法。
[0027] 如以上所指出的，将氧化铝和铝金属添加到熔融氧化铝浴中。优选地，将氧化铝和铝注射到熔融氧化铝池中，并在浴中产生之后立即将所得的铝蒸汽和低价氧化铝气体进行燃烧。
[0028] 在一种实施方式中，氧化铝池包含20 – 50重量%氧化铝和50 – 80重量%二氧化锆。在另一种实施方式中，氧化铝池包含30 – 55重量%氧化铝和45 – 70重量%二氧化锆。
[0029] 在具有以上所指出的组成的熔融池中，该熔融池将具有比仅由氧化铝组成的熔融池更高的温度；参见，例如G. Cervales, Ber. Deut. Keram. Ges., 45 [5] 217 (1968)中关于Al2O3 – ZrO2体系的
相图，其显示上述组合物的熔点比纯的氧化铝更高。这将在将氧化铝和金属铝添加到池中时提供更快的反应。因此实现氧化铝颗粒的更高的生产率。熔融池中的二氧化锆将是惰性的，并且将不污染氧化铝颗粒。
[0030] 在用于生产氧化铝的球状亚微米颗粒的方法中，如以上所指出的，氧化铝和铝的反应将在高于氧化铝的熔点的温度下和在其中分压超过一定
水平的温度下主要提供低价氧化铝。如图1中所例示的，低价氧化铝（Al2O）的分压在2200 K下达到0.1个大气压，且之后o随着温度增加而快速增加。从曲线中看出，通过反应的Al2O的
蒸汽压在高于大约2000 C (2273K)的温度下开始变得显著。将熔融氧化铝池保持在高于氧化铝的熔点的温度下，优选保持在显著更高的温度下。通过注射或其它合适的手段使反应物与熔融氧化铝池
接触，并将所得的铝蒸汽和低价氧化铝气体在形成之后立即通过空气或氧气进行燃烧。通过该燃烧获得球状的且基本上为亚微米的氧化铝颗粒。
[0031] 可在常规的或改进的用于制备熔融氧化铝(棕色熔融氧化铝或白色熔融氧化铝)的电炉中进行制备氧化铝的方法。此类炉以不同的实施方式(已知为例如希金斯炉(Higgins furnace)或可倾炉(tilt furnace))以及其它设计存在。典型的炉将由筒状
钢壳组成，其配备有折射（refractive）材料的
内衬和外部水冷却。使用以三
角形布置排列的
石墨或碳
电极提供
能量。炉效可典型为约1-10 MW。在电极周围可提供开放浴，可向其中添加金属铝和氧化铝。可以大
块的形式添加铝；然而，还可设想添加液态铝。铝具有比熔融氧化铝更低的
密度，并将因此作为池的顶部上的层存在。
[0032] 因此可在现存的工艺设备中进行生产氧化铝的方法。另外，将需要过滤器，以用于容纳所生产的氧化铝。根据当前技术水平，若需要，来自过滤器的废气可包含用于NOx的简单的
净化设备。
[0033] 与液态铝的燃烧相关的问题在于高温对于提供点燃是必需的(根据我们的实验约为1600-1700 oC)。此外，归因于氧化物(结壳)形成而难以维持燃烧。还假设反应经由气相进行，其中第一步是吸热的。因此必须持续供应能量，以避免氧化铝熔体的冷却并从而熄灭该过程。这在具有电极的熔炉中是可能的。即使总反应Al + O2 → Al2O3是强放热的，但是在池上方一定距离形成
燃烧热，并可能不可被下面的熔体所利用。
[0034] 熔融氧化铝池或熔融氧化铝浴(约2050℃或更高)将用作用于稳定并促进所述方法的热缓冲物。
[0035] 可使用相对便宜的原材料(
煅烧氧化铝和金属铝)来进行根据本发明的方法。相比于其它方法，该方法使得有可能制备担负得起的产品。这对于大容量（high volume）用途（例如用于耐火材料）是决定性的因素。
[0036] 制备氧化铝的球状亚微米颗粒的方法是铝热的，并因此避免了碳热方法的缺点，例如形成碳化物和碳氧化物。
[0037] 使用纯的原材料（例如高等级氧化铝、高纯度铝和由高纯度石墨制成的电极）使得有可能生产高纯度品质的亚微米/纳米氧化铝。这开辟了一系列用途，例如高性能结构陶瓷、例如用于半导体的高级抛光剂、用于制备光学和功能陶瓷、生物陶瓷的原材料等等。
[0038] 虽然已描述了本发明的优选实施方式，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，可使用结合所述概念的其它实施方式。以上例示的本发明的这些和其它
实施例仅意欲举例说明，而本发明的实际范围由以下
权利要求书所确定。
