异丙醇铝气相燃烧法制备纳米氧化铝的实验研究.doc

异丙醇铝气相燃烧法制备纳米氧化铝的实验研究I2.2l1l?26?精细与专用化学品FineandSpecialtyChemicals第19卷第8期20lJ年8月异丙醇铝租燃烧莹;=f备纳米氧|7,匕铝的宾验研究吴祖桑,李齐春,戴品中(浙江省明矾石综合利用研究所,浙江温州325028)摘要:以自制的异丙醇铝与异丙醇,二乙二醇单丁醚按一定比例混合,经自行设计的燃烧器,以8kg/h的速度与液化气,空气,氧气共同喷人燃烧炉进行燃烧,得到粒径为60nm以下,比表面积为57m/g,平均孔径为11nrn,含多种晶相结构的氧化铝粉体.关键词:氧化铝;纳米颗粒;燃烧制备;二乙二醇单丁醚StudyonpreparationofnanoaluminabyaluminumisopropoxidecombustionVUZushen,LIQichun,DAIPinzhong(ZhejiangInstituteofMultipurposeUtilizationofAlunite,Wenzhou325028,China)Abstract:Thealuminananopowderswerepreparedbycombustionmethod.Aluminumisopropoxidemixedwithisopropanolanddiethyleneglycolmonobutylether(DGBE)incertainproportionwereinjectedintofurnacebytheself-designedburnerwithO2,liquidgasandairatratesof8kg/h.Itgavenanoalumina,whoseparticlesizewasblewtO60nm.specificsurfaceareawasabout57m/gandaverageporediameterwas1lnm.Thealuminananopowdersconsistedseveralcrystalphasestructure.Keywords:alumina;nanoparticles;combustionpreparation;diethyleneglycolmonobutylether纳米氧化铝具有高强度,耐热,耐腐蚀等特性,广泛应用于精细陶瓷,复合材料,微电子工业,工业催化等领域,其制备方法主要分为液相法,机械法,气相法3类.燃烧法是制备氧化物纳米材料的一种新方法,其制备的纳米颗粒具有粒径小,分布窄,化学活性高等特点_1.燃烧法主要有低温燃烧法,气相燃烧法,喷雾燃烧法,燃烧火焰一化学气相凝聚法(CFCVC),电控火焰合成法2.在低温燃烧法中,如王志强等【3以硝酸铝和尿素为原料,采用微波引燃及添加糊精,在900通氧条件下燃烧合成了lOOnm以下的旷A1.0.;ASinghal等_4用燃烧火焰一化学气相凝聚法制备了球形,致密,粒度为525nm的纳米晶状A1.Oa;THinklin等_6使用硝酸铝,乙酰丙酮铝与溶剂混合喷雾燃烧制得含(11.3),6(47.8),0(31.5),7(9.4)相的纳米氧化铝.本文介绍的用异丙醇铝燃烧法制备纳米氧化铝的方法获得国家发明专利(专利号:ZL02138014.7).1实验1.1试剂与仪器异丙醇铝,自制;异丙醇,99.8,壳牌公司;二乙二醇单丁醚,99.8,美国英力士.透射电镜(TEM),JEM一2010,日本JEOL公司;X一射线粉末衍射仪,D8一Advence,德国布鲁克公司;等离子光谱发射仪,ICPE一9000,日本岛津;比表面积及孔径分析仪,NOVA1000e,美国康塔(Quantachrome).1.2燃烧器的设计燃烧器是关键设备之一,混合液雾化好坏直接影响燃烧效果.经过对湖南颜氏(四型)燃油,燃气自动燃烧器及上海钜炼(DRLAND)热能设备制收稿日期:2O110608基金项目:浙江省科学技术厅科研院所专项基金资助项目(2010F20015)作者简介:吴祖粲(1958一),男,工程师,浙江省明矾石综合利用研究所所长,主要从事金属铝系列化工产品开发与生产.通讯联系人李齐春.2011年8月吴祖桑等:异丙醇铝气相燃烧法制备纳米氢化铝的实验研究?27?造有限公司的DL26FS-B型燃烧器(结构见图2)2种燃烧器的优缺点进行对比分析,自行设计出如图1所示结构的燃烧器,其中空气及氧气导流板各有8片螺旋片.燃烧器喷嘴雾化锥角为6O.,结构见图1.空气导濉板1,燃斑2,旋漉暑3,喷油4,点火电报5,送腿管图2DL26FSB型燃烧器结构1.3实验装置图3为实验装置流程示意图,整个实验装置包括物料混合预热系统,物料输送系统,燃烧器,冷却系统,粉尘收集系统.燃烧炉规格为1300cm1530cm,废热锅炉外形尺寸为2443cm1637cm,布袋除尘器1270cm3340cm,共有24条120cmx2000cm的布袋,过滤面积18m.混合预热槽燃烧器燃烧炉废热锅炉布袋除尘器尾气风机图3实验装置流程示意图1.4实验方法首先配制醇铝混合液,将异丙醇铝,异丙醇及二乙二醇单丁醚按一定比例投人混合预热槽中,搅拌并升温至60C左右,待用.然后将液化汽,空气喷入燃烧炉内进行燃烧预热,达到试验温度(10001050)后,再用氮气将配制好的异丙醇铝混合液以8kg/h压人燃烧器,保持混合液入炉压力1.2MPa,并通入氧气,在炉温保持基本不变的情况下进行燃烧,生成含Al()3粉体的气体,经废热锅炉冷却后进入布袋除尘器,燃烧尾气经风机排人大气,布袋中的粉体经压缩空气反吹落人料斗中收集.产品用电镜,ICP,比表及孔径分析仪测定粒径,杂质含量及比表面积,孔体积,孔径分布.2结果与讨论2.1溶剂作用异丙醇铝极易水解生成水合氧化铝,在输送过程中容易堵塞管路和喷嘴,必须选用易燃溶剂来稀释.异丙醇虽然是极性溶剂,但是异丙醇铝在异丙醇中的溶解度不大,容易结晶析出.而在异丙醇与异丙醇铝混合液中再加入一定量的二乙二醇单丁醚,异丙醇铝与二乙二醇单丁醚发生醇解反应,化学反应方程式如下:H0CH2CH2OCH2CH20(CH2)3CH3+A1(OPr).(PrO)2A1OCH2CH2OCH2CH20C4H9+iC3H7OH其生成物(P,O):AIOCH.CHOCHCHOC4H.是性质比较稳定的液体有机铝化物,它的产生,能有效防止异丙醇铝结晶,管路堵塞等问题,按一定比例配制的混合液可以保持良好的流动性.2.2产品分析2.2.1透射电镜(TEM)分析图4所示为氧化铝TEM图.由图4可知,氧化铝粒子为60nm左右,分散良好.图4氧化铝TEM图2.2.2比表面积及孔径分布分析样品的比表面积及孔径分布分析在美国Quan?28?精细与专用化学品第J9卷第8期tachrome公司NOVA1000e型仪器上测定,测定前样品在200C真空脱气2h,N为吸附质,一196下蛙测定.经检测,氧化铝产品比表面积为57m/g,孔体积为0.16cm./g,平均孔径为11nm.吸t日-脱附,/蕾l_,一一.一.目=毋肜一一一一一日一相对压力/(p/po)图5N吸附一脱附等温曲线从图5等温吸附一脱附曲线中可以看到,吸附和脱附存在滞后现象.从曲线的形状和特征来看,具有第类吸附等温线特征,表明吸附质N和氧化铝之间的相互作用很弱,N.在氧化铝表面的吸附一开始就是多分子层吸附,当压力P接近于饱和蒸气压P.时,曲线呈趋于与纵轴平行的渐近线,这是N.吸附质在固体颗粒间凝聚的典型表现.从N.吸附一脱附等温线的滞后圈可以看到,在压力接近于P.时吸附线急剧上升,而脱附线趋缓.其相应的孔结构是蠕虫状.这类孔吸附时只有当P接近于P.时才发生毛细凝结,故此时吸附量陡增.根据BJH公式可以绘制出孔径分布曲线,结果如图6.孔径/nm图6氧化铝孔径分布曲线由图6可以看出,样品的孔径分布范围在530nm之间,而集中分布在725nm之间,其中最可几颗粒为13.23nm.表明所获得样品的孔径基本在介孔范围之内,孔径分布范围比较宽.2.2.3X一射线衍射分析X一射线衍射(XRD)分析在D8一AdvenceX射线2011年8月吴祖檠等:异丙醇铝气相燃烧法制备纳米氧化铝的实验研究?29?粉末衍射仪进行,X射线为Cu靶的Ka射线,管压40kV,管流100mA,图7为氧化铝的XRD衍射图.其中口一Al0.典型的特征峰d值有3.4834,2.5546,2.0875,2.3808;20为25.551.,35.099.,43.308.,醴37.755.7-A1.O.典型的特征峰d值有1.9857,2.3808,2.2824,4.5233;20为45.648.,37.242.,39.264,19.73.另外还含6,6,1;,0相,其中n相含量为9.0.20,.图7氧化铝XRD衍射峰2.2.4杂质含量分析图8为氧化铝能谱图.由图8可知,氧化铝中含微量炭(1.94),系有机物燃烧不完全所产生的炭黑,主要是物料在燃烧过程中停留时间过短所致;通过ICP检测可知,氧化铝中Na含量为0.0019/6,Fe含量为0.005,Cu,Mg,Zn及Si含量都低于0.0019/5.0l70帅33O4_O3结论元素质量百分,%图8氧化铝能谱图(1)异丙醇铝燃烧法可制得粒径为60nm以下含,6,1;,7,a相的纳米氧化铝,比表面积57m/g,孔体积0.16cm/g,平均孔径llnm.(2)金属杂质含量低于0.01,由于燃烧不完全,所得到的氧化铝中炭含量1.94.(3)在异丙醇铝与异丙醇的混合体系中加入二乙二醇单丁醚,可以有效防止混合液中异丙醇铝结晶的生成,从而解决了燃烧器的堵塞问题.参考文献1孟东,杜俊琪,岳仁亮,等.燃烧合成二氧化硅纳米颗粒形成机理的实验研究J.中国粉体技术,2010,16(4):4749.E2程永亮,宋武林,谢长生.燃烧法制备氧化物纳米材料的研究进展J.材料导报,2003,17(7):7072.33王志强,马铁成,蔡英骥,等.超细a一氧化铝的低温合成及其烧结特性的研究EJ.硅酸盐通报,2000,(5):2831.4ASinghal,GSkandan,AWang,eta1.OnnanoparticleaggregationduringvaporphasesynthesisJ.ScriptaMater,1999,11(4):545-552.5ASinghal,GSkandan,NGlumac,eta1.MinimizingaggregationeKect