通过火焰水解法制备的具有大表面积的氧化铝粉末

摘要

通过火焰水解法制备的、由初级粒子的聚集体组成的氧化铝粉末，其BET表面积为100至250m2/g，邻苯二甲酸二丁酯吸收值为50至450g/100g氧化铝粉末，该粉末在高分辨率TEM照片中只显示结晶的初级粒子。所述氧化铝粉末制备如下：汽化氯化铝，通过载气将蒸气转移至混合室，分别地将可任选富集氧气和/或可任选被预热的空气(初级空气)和氢气送入所述混合室，然后，氯化铝蒸气、氢气和空气的混合物在燃烧器中被点燃，火焰在和周围的空气隔开的反应室里燃烧，随后，将固体物质与气体物质分离，然后用蒸汽及任选地用空气处理所述固体物质，所述反应混合物从混合室进入反应室的流出速率为至少10m/s，λ值为1至10，γ值为1至15。该氧化铝粉末可在喷墨介质中用作吸墨物质。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过火焰水解法制备并具有大的表面积的氧化铝粉末，并涉及其制备和用途。

背景技术

已知生产氧化铝粉末是依靠热解法。热解法包括火焰水解法，其中在高温下依照方程式1使通常是氯化铝的卤化铝水解，生成氧化铝和盐酸。

(方程式.1)

(方程式.2).

例如，Degussa AG的氧化铝C就是按照这种方式生产的。所述氧化铝C的表面积为大约90m²/g。

另一种通过火焰水解法制备的氧化铝粉末是Cabot的粉末。其BET表面积为55m²/g，并且包含约56％的θ晶体变种和20％的δ晶体变种，及24％的无定型成分。

EP-A-1083151描述了一种BET表面积大于115m²/g的氧化铝粉末，同时该粉末的Sears指数为大于8ml/2g，并且其邻苯二甲酸二丁酯的吸收值不能被确定。该实例描述了一种BET表面积为121m²/g、Sears指数为9.38ml/2g的粉末。

US 3663283描述了一种用火焰水解法制备金属氧化物粉末的方法。尽管给出了一个涉及氧化铝的实例，但是该氧化铝仅仅描述为具有细分散的窄粒子分布。进一步的详细资料未给出。

US 5527423申请保护一种包含沉淀法氧化铝、或火焰水解法制备的、BET表面积为40至430m²/g氧化铝的分散体。可是，获得这种氧化铝粉末的方式并未透露。在实施例中，仅公开了BET表面积为55至100m²/g的狭窄范围内的氧化铝粉末。

EP-A-1256548中公开了一种平均初始粒径为5至100nm、聚集体平均粒径为50至80nm的氧化铝粒子。所述粒子可以是无定型的或者结晶的。直径大于45μm的粒子的比例优选为0.05wt％或更少。这些氧化铝粒子据说可以通过氯化铝与氧和/或蒸汽的气相反应而得到，其中所述反应物在800℃的温度下被预热，随后由气相物质形成的氧化铝被分离。氧、水和氧/水混合物在该反应中被用来作为氧化剂。

但是，该反应是气相反应，不是火焰水解或火焰氧化反应。按照EP-A-1256548制备的粉末与通过火焰水解或火焰氧化得到的粉末具有不同的结构和不同的性能。例如，其氯化物的比例可达到几个wt％。该粉末会有一种不受欢迎的灰色，其原因可归于由氯化铝不完全反应而产生的铝的氧氯化物成分。

已知氧化铝粉末有许多的可能用途。它们被用于造纸业，特别是用于喷墨纸。氧化铝粉末尤其影响光泽、颜色的鲜艳、持久，以及对墨水的粘附与吸收。由于对喷墨纸越来越多的需求，所以要求这些参数也要不断改良。

氧化铝粉末也在电子工业中作为用于抛光氧化物及金属涂层的分散体中的研磨剂(化学机械抛光，CMP)。这里，组份不断的微型化要求定制允许在纳米范围内对表面进行无划痕抛光的研磨剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种满足在喷墨和CMP领域的进一步需求的氧化铝粉末。特别是，应当可以容易地将所述粉末混合入分散体中，同时又具有高度的填充。本发明的另一个目的是制备这种粉末的方法。

本发明提供了一种通过火焰氧化法制备的、由初级粒子聚集体组成的氧化铝粉末，该粉末的特征在于：

-BET表面积为100至250m²/g，

-邻苯二甲酸二丁酯吸收值为50至450g/100g氧化铝粉末，及

-其在高分辨率TEM照片中只显示结晶的初级粒子。

本发明的氧化铝粉末优选具有的OH密度为8至12OH/nm²。

本发明的氧化铝粉末的氯含量优选为低于1.5wt％。

还有，优选直径大于45μm的粒子比例在0.0001至0.05wt％的范围内。

也可以优选本发明的氧化铝粉末在X射线衍射图中的强度以计数率所表示为在2θ角等于67°时大于50。

这种氧化铝粉末可以在X射线衍射图上显示出γ-、θ-和/或δ-氧化铝的信号，γ-氧化铝的信号通常最强。

本发明的氧化铝粉末也可以具有在X射线衍射图上的强度以计数率表示为在2θ角等于67°时小于50。这样的粉末最可能的是X射线无定型的。

可以优选的是以下的氧化铝粉末：

-BET表面积为120至200m²/g，邻苯二甲二丁酯吸收值为150至350g/100g氧化铝粉末，OH密度为8至12OH/nm²，和

-在高分辨率TEM照片中只显示结晶的初级粒子，并且

-在X射线衍射图上具有的强度信号以计数率来表示为在2θ角等于67°时大于50，并且具有γ-、θ-和/或δ-氧化铝的信号。

在这种粉末中，BET表面积125至150m²/g为特别优选。

可以进一步优选氧化铝粉末：

-BET表面积为120至200m²/g，邻苯二甲酸二丁酯吸收值为150至350g/100g氧化铝粉末，OH密度为8至12OH/nm²，该粉末

-在高分辨率TEM照片中只显示结晶的初级粒子，并且

-在X射线衍射图上具有的强度以计数率表示为在2θ角等于67°时小于50。

在这种粉末的情况下，特别优选的BET表面积为135至190m²/g。

本发明另外提供了一种制备本发明氧化铝粉末的方法，其中

-氯化铝被蒸发，蒸气借助于载气被转移到混合室中，

-分别地将可以任选富集氧气和/或可以任选被预热的空气(初级空气)和氢气送入所述混合室，然后，

-将氯化铝蒸气、氢气和空气的混合物在燃烧器中点燃，火焰在和周围的空气隔开的反应室里燃烧，

-随后，固体物质与气体物质分离，并且

-所述固体物质然后用蒸汽及任选地用空气处理，

-所述反应混合物从混合室到反应室中的流出速率为至少10m/s，

-λ值为1至10，

-γ值为1至15。

就其X射线结晶的或X射线无定型的状态而言，本发明氧化铝粉末的结构可以通过改变气流中氯化铝的浓度来控制。气流中高的氧化铝浓度产生X射线的结晶粉末。

高的氯化铝浓度的定义取决于反应器的结构；0.2至0.6kgAlCl₃/m³的范围可以作为生产装置的参考点。

如果在同样的生产装置中的氯化铝浓度乘以因子0.4至0.6，将最有可能获得X射线的无定型粉末。

除了最大程度地产生X射线结晶粉末或X射线无定型粉末的调整外，同样也可以通过改变气流中的铝浓度来获得例如含有规定比例的X射线无定型氧化铝的粉末。

在本发明方法的具体实施方案中，由空气和/或氮气组成的二级气体可以被引进反应室中。初级空气/二级气体的比优选为10至0.5。二级气体的导入可以帮助消除反应室中的结块。

本发明也涉及本发明的氧化铝粉末作为吸墨物质在喷墨介质中的用途。

本发明还涉及本发明的氧化铝粉末作为研磨剂的用途。

本发明还涉及本发明的氧化铝粉末在分散体中的用途。

本发明还涉及本发明的氧化铝粉末作为填料、载体、催化活性物质、陶瓷的基材、在电子工业中、在化妆品工业中、作为有机硅和橡胶工业中的添加剂、用于调节液态系统的流变性能、用于热稳定、以及在表面涂料工业中的用途。

具体实施方式

实施例

分析

粒子的BET表面积按照DIN 66131标准确定。

X射线衍射图借助于德国Darmstadt的Stoe & Cie的衍射计来确定。其参数为：CuKα射线，激发30mA，45kV，OED。

邻苯二甲酸二丁酯的吸收值用Karlsruhe的Haake RHEOCORD90装置进行测量。为此，精确到0.001g的16g氧化铝粉末被引入盖子密封的捏合室中，邻苯二甲酸二丁酯吸收值通过在预定的测量速率0.0667ml/s下穿过盖子上的孔来计量。捏合机在马达转速为125转/分钟下运转。当达到最高扭矩时，捏合机和DBP计量被自动中断。利用已经被消耗的DBP的数量和粒子的初始重量，DBP吸收值的计算如下：

DBP数量(g/100g)＝(消耗的DBP g/粒子部分的重量g)×100

羟基密度依照由J.Mathias and G.Wannemacher在Journal ofColloid and Interface Science 125(1988)中发表的方法，通过与氢化锂铝反应来确定。

Sears指数的测量描述在EP-A-717008中。

γ＝提供的H₂/化学计算所必需的H₂

λ＝提供的O₂/化学计算所必需的O₂

实施例1

将2.76kg/h的AlCl₃在汽化器中汽化。蒸气通过惰性气体(2.00Nm³/h)被转移至混合室。分别地从那里，3.04Nm³/h的氢气和10.00Nm³/h的空气被引入所述混合室。通过中心管道，反应混合物被送入燃烧器中并点燃。燃烧器的反应混合物的流出速率为31.4m/s。火焰烧进水冷的火焰管道。20Nm³/h的二级空气另外被引入反应室中。形成的粉末在下游过滤器中被分离，并且逆流地由空气和蒸汽在约600℃下进行处理。所述粉末的物理化学数据见表2中所示。

实施例2至8类似于实施例1进行。过程参数和所述粉末的物理化学数据见表1。

图1A所示为实施例1的粉末的X射线衍射图，图1B所示为实施例4的粉末。实施例1的粉末的X射线衍射图清楚地显示出氧化铝变种的信号。另一方面，实施例4的粉末在2θ＝67°时只显示出非常微弱的信号，并且在最大可能的程度上表现出X射线无定型的特性。两种粉末的初级粒子都是由结晶的初级粒子组成。图2是实施例4的粉末的高分辨率TEM照片，其也显示了这种情况。

                            表1：Al₂O₃粉末的过程设置与物理化学数据

实施例  1  2  3  4  5  6  7  8AlCl₃  kg/h  2.76  2.76  2.76  1.25  1.25  1.25  1.25  1.25氢气  Nm³/h  3.04  3.04  3.04  1.90  1.9  1.9  0.5  3.5初级空气  Nm³/h  10.00  9.15  9.5  13.50  13  13.8  8.25  15二次空气  Nm³/h  20.00  20.00  20.00  20.00  20.00  20.00  20.00  20.00惰性气体  Nm³/h  2.00  2.00  2.00  2.00  2.00  2.00  2.00  2.00全部气体  Nm³/h  35.04  34.19  34.54  37.4  36.9  37.7  30.75  40.5AlCl₃/全部气体  kg/Nm³  0.079  0.081  0.080  0.033  0.034  0.033  0.041  0.031γ^#4.374.374.37  6.03  6.03  6.03  1.59  11.1λ^#  1.38  1.26  1.31  7.38  7.27  7.45  6.91  1.79v_B^*m/s31.429.730.435.434.036.022.943.4BET表面积  m2/g  175  104  125  181  124  195  192  1012θ＝67°时XRD计数率  400  500  650  15  5  0  22  10DBP值  g/100g  280  160  204  284  215  315  301  154OH密度  OH/nm²  8.7  8.1  10.5  8.9  11.4  8.9  11.1  9.6Sears指数  ml/2g  15.3  17.8  24.5  23.1  25.3  227  24.5  21.5pH  5.3  5.1  5.4  5.5  5.5  5.1  5.2  5.3堆积密度  g/l  20  19  18  20  21  20  19  19夯实密度  g/l  26  24  26  28  25  28  31  27氯含量  wt％  1.2  0.8  1.0  1.3  0.9  1.4  1.4  0.7＞45μm的比例  ％

^*v_B＝在燃烧器口的流出速率；#基于核心气体初始空气、氢气、惰性气体