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纳米材料 分析报告
纳米氧化铝是近年发展较快的一种极为重要的工业原料，外观为白色微细结晶粉末，无毒、无味、纯度高，粒子尺寸为30nm。极细晶粒具有明显的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应，在光学、陶瓷、电子、力学、化工、塑料、油漆、涂料、油墨等方面具有特异功能及重要应用价值，是21世纪的重要新材料。
1纳米氧化铝概况
1.1纳米氧化铝的概况及理化性质[2]
中文名：纳米氧化铝
英文名：Aluminium oxide，nanometer
别名：纳米三氧化二铝
分子式：Al2O3
分子量：101.96
氧化铝是白色晶状粉末，已经证实氧化铝有α、β、γ、δ、η、θ、κ和χ等十一种晶体。不同的制备方法及工艺条件可获得不同结构的纳米氧化铝：χ、β、η和γ型氧化铝，其特点是多孔性，高分散、高活性，属活性氧化铝；κ、δ、θ型氧化铝；α-Al2O3，其比表面低，具有耐高温的惰性，但不属于活性氧化铝，几乎没有催化活性；β-Al2O3、γ-Al2O3的比表面较大，孔隙率高、耐热性强，成型性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。
1.2.纳米氧化铝的包装及贮存
外包装为纸箱或纸桶，内包装为聚乙烯薄膜袋，净重5/10/25Kg。
密封储存在阴凉、干燥、通风良好的地方。避免阳光直射。
1.3.纳米氧化铝的用途。[3]
（1）、透明陶瓷：高压钠灯灯管、EP-ROM窗口。
（2）、化妆品填料。
（3）、单晶、红宝石、蓝宝石、白宝石、钇铝石榴石。
（4）、高强度氧化铝陶瓷、C基板、封装材料、刀具、高纯坩埚、绕线轴、轰击靶炉管。
（5）、精密抛光材料、玻璃制品、金属制品、半导体材料、塑料、磁带、打磨带。
（6）、 涂料、橡胶、塑料耐磨增强材料、高级耐水材料。
（7）、 气相沉积材料、荧光材料、特种玻璃、复合材料和树脂材料。
（8）、 催化剂、催化载体、分析试剂。
（9）、 宇航飞机机翼前缘。
2纳米氧化铝的生产方法
2.1. 溶胶—凝胶法[4]
2.1.1.合成概述
以异丙醇铝(Al (C3H7O)3) 为原料,利用有机盐异丙醇铝水解、缩聚,使其在一定的条件下形成溶胶,并由此转化成凝胶、干凝胶,随后将干凝胶在一定温度下进行热处理1 h ,得到所需产物的粉末.XRD 分析结果也表明，溶胶—凝胶法所获得的干凝胶在1 200 ℃的温度下可以完全转化为α- Al2O3纳米颗粒,所制备的纳米α- Al2O3具有较为理想的晶体结构类型。
2.1.2.合成方法
以异丙醇铝100 g 为前驱物,加入异丙醇50 g、乙二醇单乙醚的混合物15 g 为混合溶剂,回流搅拌4 h ,然后加入蒸馏水后磁力搅拌3 h. 由于溶剂蒸发和缩聚反应继续进行而导致向凝胶的逐步转变. 接下来再把制备好的凝胶在80～120 ℃环境下干燥24 h 获得干凝胶,将其研磨,可得到白色的粉末。然后,把这种白色的粉末热处理,由室温至450 ℃,后保温1 h ,升温速率5 ℃/ min. 由此便得到非晶纳米Al2O3。以同样的升温速率,再对样品在1 200 ℃进行热处理，保温1 h ,得到有晶体结构的纳米Al2O3。
制备过程流程图如下：
2.2用高岭土制备[5]
2.2.1.方法概述
采用高岭土为原料制备纳米氧化铝成本低廉,可以大幅度提高高岭土的产品附加值,提高经济效益。以高岭土为原料,通过酸溶、过滤、干燥和煅烧等步骤制备纳米氧化铝粉体。
高岭土经700 ℃煅烧,盐酸浓度20 % ,Al/ HCl 摩尔比为1 ∶7 ,100 ℃酸浸3h ,浸取率达到93. 83 % ,干燥产物在800 ℃煅烧得到长度为50nm、长径比为10 左右的针状γ-Al2O3,1300 ℃完全转变为α-Al2O3。
2.2.2.合成步骤
高岭土在不同温度煅烧2h 使其活化,煅烧料和分散剂加入预先配置好的一定浓度的盐酸溶液中,在具有冷凝、搅拌装置的水浴中恒温加热,反应一定时间后将反应物抽滤,使固液分离。浸出液加入一定量的去离子水稀释后,得到一定浓度的AlCl3溶液,滴加沉淀剂获得前驱体,前躯体干燥后于不同温度煅烧获得Al2O3粉体。
2.3.均相沉淀法[6]
以0. 5mol/ L硫酸铝铵(AlNH4(SO4)2·12H2O)为母液,以1. 7mol/ L 碳酸氢铵(N H4HCO3) 为沉淀剂,以聚乙二醇( PEG-2000) 为分散剂(添加质量分数为3 % ,以硫酸铝铵和碳酸氢铵质量之和为基准) ,采用均相沉淀法制备纳米α- Al2O3。
2.4. 以蒸发—冷凝法[7]
将工业纯铝块(99. 99% )盛放于石墨—氧化铝复合坩埚中，对蒸发室抽真空,并用高纯Ar ( 99. 999% )清洗多次,以进一步降低真空室内杂质气体的浓度,再充入一定压力的高纯Ar。启动高频感应电源,缓慢提升感应电流,使坩锅内的铝块熔化直至蒸发,并保持一定蒸发时间,最后通入少量空气进行钝化处理。
2.5超临界抗溶剂法[8]
首先利用SAS 法制备前驱体纳米硝酸铝颗粒.以无水乙醇为溶剂, CO2为超临界介质,将硝酸铝溶解到无水乙醇中,配成一定浓度的硝酸铝乙醇溶液. 将该溶液用高压泵经由喷嘴连续打入充满CO2的沉淀釜中发生抗溶剂沉淀过程，CO2同时连续进入沉淀釜. 沉淀完成后,继续通入CO2吹扫以除去残存的乙醇，即制得前驱体硝酸铝颗粒。将硝酸铝颗粒在空气气氛中焙烧，即可制得纳米Al2O3颗粒。
2.6.水热法[9]
水热法就是在特制的密闭反应容器(高压釜)里,采用水溶液作为反应介质,通过对反应容器加热,创造一个高温、高压反应环境,使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶,用来生长各种单晶,是制备超细、无团聚或少团聚、结晶完好的粉体材料的一种新工艺新方法。温度的取值一般介于水的沸点和临界温度之间,即100 ～ 37312 ℃, 压力在011 ～ 22 MPa 范围内。
晶体的生长是利用高温高压使常温条件下不溶或难溶于水的物质溶解或反应并在一定的过饱和度下反复进行结晶和生长的方法。可以用该法制造纳米氧化铝。
2.7.超声波—化学沉淀法[10]
选用廉价的硝酸铝和碳酸氢氨为主要原料,采用超声波—化学沉淀法制备出氢
氧化铝沉淀,经高温煅烧,得到纳米氧化铝粉末.
工艺流程如下：
2.8 机械化学法[11]
该方法将A lCl3和CaO 按一定的比例混合并添加一定的钢球, 采用机械球磨震动使粉末活化, 然后在一定的温度下进行热处理. 热处理过程中存在如下反应：
2A lCl3+ 3CaO →Al2O3+ 3CaCl2
2.9微乳液法[12]
使互不相溶的两种溶液中的一种以微小液滴的形式分散于另一相中形成乳状液, 然后用乳状液中的微小液滴作为氧化物或氢氧化物微粉生成的微反应器, 控制颗粒的形状、粒度分布及组成. 在利用乳化技术制备分散球形氧化铝粉末时, 制备微乳液的方法有三种: 1 先制备出油包水的微乳液, 然后让这种微乳液与醇铝反应; 2 水溶性的溶液在有机溶剂中溶化, 再使这种溶胶液滴凝胶化; 3 将醇铝乳化在一种惰性不溶性溶剂中, 再水解醇铝乳化液滴.
2.10.等离子气相合成法[13]
等离子气相合成法可分为直流电弧等离子体法、高频等离子体法和复合等离子体法. 直流电弧等离子法, 由于电弧间产生高温, 在反应气体等离子化同时, 电极熔化或蒸发. 高频等离子法的主要缺点是能量利用率低, 产物稳定性差. 复合等离子法是将前两种方法和为一体, 在产生直流电弧时不需要电极,避免了由于电极物质熔化或蒸发而在反应产物中引入杂质. 同时直流等离子体电弧束又能有效地防止高频等离子火焰受原料的进入而造成干扰, 从而在提高产物的纯度、制备效率的同时提高了系统的稳定性.
2.11 喷雾热解法[14]
将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中, 使其蒸发和金属热分解, 然后因过饱和而析出固相, 从而直接制得氧化物纳米陶瓷粉末. 采用该方法已制备出纯度为99. 9%、粒度为10～ 20 nm 的α-Al2O3粉末.
3纳米氧化铝的市场前景[15]
3.1.市场需求和生产企业状况
近年来, 随着纳米技术的发展, 纳米材料的经济价值和社会效益越来越明显。1999年至2005年,我国对该产品的需求从430t增长到1100t, 据预测, 2011年国内市场需求量将达到3050t。我国纳米氧化铝发展迅速, 但仍然存在诸多问题, 产品不能很好地满足国内市场的需求, 部分仍然依赖进口。虽然进口产品质量相对较高, 但价格比国内相同产品至少高出23%。
我国企业在近几年才开始涉足纳米氧化铝的生产。我国的纳米材料及纳米技术企业中, 有60%以上成立于仪2000年以后, 主要是2003年左右。而较早成立的纳米材料生产企业, 实际上也都是2000年以后才开始涉足纳米氧化铝生产领域的。可见, 我国纳米氧化铝生产刚刚起步, 纳米氧化铝生产企业还未成熟。
多数企业分布在东部发达城市。我国纳米氧化铝材料产业主要分布在经济实力雄厚市场开阔的华东、华北及华南地区, 可见, 资金和市场发展程度是影响纳米氧化铝产业发展的主要因素。在这些企业中，私营企业占绝大多数, 企业活力较强。
纳米氧化铝生产企业的规模较小, 注册资本在700万以下的占左右，1500 万以下的占63%。这是因为纳米氧化铝生产线一次性投资较大, 而大多数企业处于初创期, 面临资金短缺、难以扩大再生产的局面, 这是导致我国纳米氧化铝难以形成规模实现产业化的主要原因之一。
纳米产品的产量按小规模(年产不足10t)、中规模(年产50t)左右和大规模(年产100t以上)划分, 我国有80%的企业处于尝试性地小规模生产, 存在产品稳定性差、生产成本高等问题。可见, 我国纳米氧化铝的生产还没达到一定的生产规模。规模效应无法发挥作用也是纳米氧化铝产业发展的制约因素。
3.2.产品价格
国内价格混乱, 无统一产品定价标准。据调查, 2001年纳米氧化铝的市场售价约为50元/kg,2003年价格为120元/kg, 2004年10月以后达到180~200元/kg，2005 年以后仍然在增长。目前我国纳米氧化铝供不应求, 纳米产品市场没有统一的定价标准规范, 市场价格混乱。例如纯度99.9%、粒径10nm的型纳米氧化铝有的报价170元/kg, 而有的报价380元/kg。国内生产的纳米氧化铝主要是α型氧化铝, α 型氧化铝占纳米氧化铝90%以上。
进口产品价格昂贵。国外昂贵的人力资源成本和关税等一系列附带支出, 导致进口纳米氧化铝价格十分昂贵, 高达250~400元/kg, 但产品质量较为稳定, 可以达到客户要求。
3.3. 市场前景
2005年《纳米氧化铝市场调研》报告显示，1999年一2005年, 我国高纯纳米氧化铝需求量分别为430t、450t、520t、610t、730t、920t、1100t。按这样的增长速度，到2011年我国高纯纳米氧化铝需求量将达到3000t左右。近年来, 纳米氧化铝需求一直保持增长势头, “上海六鉴电子商务有限公司” 的专业调查人员表示纳米氧化铝将以每年的25%速率增长, 他们预计2010年需求量将达到3500t, 纳米氧化铝的市场前景非常乐观。
4总结
纳米氧化铝市场前景良好, 利润空间较大。作为一种有广泛用途的纳米材料, 纳米氧化铝市场前景广阔, 由于其优异的特性, 市场需求强劲, 市场价格连年增长, 利润空间较大。相信随着纳米技术的发展和市场的规范, 在不久的将来, 我国纳米氧化铝产业将逐步走向成熟, 为我国国民经济增长做出贡献。
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