СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ОКСИДА АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ КЕРАМИКИ Российский патент 1998 года по МПК C01F7/02 C01F7/44 C04B35/115 

Изобретение относится к технологии порошка оксида алюминия, используемого для получения прозрачной корундовой керамики, применяемой, в частности, в виде трубок газоразрядных натриевых ламп высокого давления.

Известен способ получения неагрегированного порошка α-Al₂O₃ для изготовления керамики (Патент СССР N 1709901, кл. C 01 F 7/44, 30.01.92). Однако в качестве вещества-предшественника в указанном патенте используется высокодисперсный порошок (средний размер частиц 0,16 - 1,35 мкм) гидроксида алюминия или γ-Al₂O₃ , получение которого в промышленных масштабах при сохранении необходимой для получения прозрачной керамики чистоты весьма затруднительно. Так, в примерах (патент СССР N 1709901, кл. C 01 F 7/44, 30.01.92) указано, что гидроксид алюминия получали в виде аэрозоля при производительности по алкоксиду алюминия 8,9 г/ч и расходе газоносителя (азота) 750 л/ч (около 900 г/ч). Подобное разбавление реагента до массовой концентрации около 1% снижает удельную производительность реактора и чистоту продукта. Кроме этого, (патент СССР N 1709901, кл. C 01 F 7/44, 30.01.92) указывается необходимость мгновенного нагрева вещества-предшественника от температуры не выше 850^oC до температуры 1150 - 1450^oC, т.е. не менее чем на 300^oC, что весьма затруднительно реализовать в промышленных масштабах, не прибегая к использованию сложного и дорогостоящего оборудования.

В (Патент США N 5455019, кл. C 01 F 7/02, кл. 423/629, 3.10.95) предложен способ решения проблемы получения высокодисперсного гидроксида алюминия (размер частиц 2 - 10 мкм), не содержащего крупных частиц путем жидкофазного гидролиза алкоксида алюминия в аппарате с весьма интенсивным перемешиванием в присутствии органических веществ, вводимых в виде раствора с алкоксидом алюминия и химически модифицирующих последний. Однако (патент США 5455019, кл. С 01 F 7/02, кл. 423/629, 3.10.95) не указано, какую структуру имеют частицы порошка Al₂O₃, образующегося в результате термообработки гидроксида, получаемого по способу, описанному в патенте, и может ли он быть применен для получения прозрачной корундовой керамики. Кроме этого, (патент США N 5455019, кл. C 01 F 7/02, кл. 423/629, 3.10.95) указывает на необходимость реализации очень высоких скоростей сдвига, что требует использования очень мощной мешалки. Это приводит к повышению капитальных и энергетических затрат.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, описанный в (патент РФ N 2083531, 20.10.97) и заключающийся в жидкофазном гидролизе спиртовой смеси алкоксида алюминия водным раствором минеральных солей и органических веществ при перемешивании, сушке геля и гидроксида алюминия, помоле ксерогеля, термообработке молотого гидроксида алюминия, формовании заготовок из порошка α-Al₂O₃ и обжиге заготовок в вакуумной печи при максимальной температуре 1800^oC.

Задачей настоящего изобретения является повышение удельной производительности оборудования, снижение энергопотребления, упрощение используемого оборудования при сохранении качества получаемого порошка Al₂O₃.

Поставленная задача достигается тем, что жидкофазный гидролиз ведут путем смешивания алкоксида алюминия, который может быть в индивидуальном виде или в виде спиртового раствора, при перемешивании с водным раствором одного или нескольких органических полимеров, по крайней мере один из которых нерастворим в спирте, образующемся при гидролизе. Указанный водный раствор также содержит уплотняющую добавку в растворенном виде. Далее смесь подвергают перемешиванию, молярное соотношение вода : алкоксид алюминия составляет от 2,5 до 5. Суммарное количество упомянутых органических полимеров составляет 3 - 30 мас.% от эквивалентного содержания оксида алюминия. Из полученного гидролизата удаляют спирт и остатки воды до перехода гидролизата в хрупкое состояние (ксерогель). Способ удаления спирта и остатков воды не имеет значения, однако температура, которой при этом должен подвергаться гидролизат, не должна превышать 200^oC. Полученный ксерогель подвергают измельчению до размера частиц не более 50 мкм. Измельченный ксерогель направляют на термообработку на воздухе или в другой окислительной среде при максимальной температуре 1100 - 1350^oC. Полученный порошок является неагрегированным, представляет собой преимущественно α-Al₂O₃ и имеет узкое распределение частиц по размерам в диапазоне 0,8 - 1,6 мкм. Образцы, отформованные из этого порошка после обжига в вакууме или водороде при 1750 - 1850^oC отличаются высоким светопропусканием, являющимся основным параметром качества изделий из прозрачной керамики. При этом линейная усадка заготовок находится в технологически приемлемом интервале 16 - 18%.

Отличие предлагаемого способа от прототипа (патент РФ N 2083531, кл. 20.10.97) заключается в том, что для гидролиза может быть использован не только спиртовой раствор алкоксида алюминия, но и индивидуальный алкоксид алюминия. Это позволяет снизить энергетические затраты на испарение летучих компонентов смеси, образующейся в результате гидролиза. Помимо этого, при гидролизе алкоксида алюминия должен быть использован хотя бы один органический полимер, нерастворимый в спирте, присутствующем в аппарате для гидролиза. Это позволяет получить структуру ксерогеля гидроксида алюминия, обеспечивающую стабильность свойств керамики.

Примеры. Гидролиз втор-бутоксида алюминия проводили следующим образом. В втор-бутоксиду алюминия при комнатной температуре при перемешивании доливали водный раствор полиакриламида и полиметилакриловой кислоты, содержание которых составляет 2 мас.% и 1 мас.% соответственно по отношению к Al₂O₃, а также уплотняющие добавки: нитратов магния, иттрия и лантана из расчета содержания оксидов в Al₂O₃ (мас.%) :MgO- 0,1; V₂O₃ - 0,05; La₂O₃ - 0,05. Образовавшуюся при гидролизе пасту выдерживали при перемешивании в течение 10 мин. Далее проводили удаление спирта и остатков воды путем отгонки при температуре 150^oC. Образовавшийся ксерогель гидроксида алюминия подвергали сухому помолу в планетарной мельнице корундовыми шарами в тефлоновых барабанах. Максимальный размер частиц после помола определяли петрографически. Далее измельченный порошок, помещенный в корундовый тигель, подвергали термообработке в печи в среде воздуха. Скорость нагревания составляла 400^oC/ч. После достижения максимальной температуры (1250^oC) следовала выдержка при ней в течение 2 ч., после чего порошок охлаждали с печью. Из полученного порошка были отформованы методом полусухого прессования при давлении 100 МПа образцы в виде дисков толщиной 1 мм. После этого образцы обжигали в вакуумной печи сопротивления по режиму: линейный нагрев до 1250^oC на 100 мин, линейный нагрев до 1400^oC за 80 мин, линейный нагрев до 1800 ^oC за 8 мин, выдержка при 1800^oC в течение 3 ч., охлаждение со скоростью не выше 80^oC/мин. Прозрачность обожженных полированных дисков толщиной 0,5 мм оценивали по величине прямого светопропускания, полученной на спектрофотометре Specord M 400 при длине волны 660 нм. Результаты экспериментов, в которых варьировались некоторые технологические параметры, представлены в таблице.

Водный раствор имеет pH от 2 до 4.

Изобретение предназначено для получения порошка оксида алюминия. Его получают путем жидкофазного гидролиза, который ведут путем смешивания алкоксида алюминия с водным раствором одного или нескольких органических полимеров, по крайней мере один из которых нерастворим в спирте, образующемся при гидролизе. Указанный водный раствор также содержит уплотняющую добавку в растворенном виде. Полученную смесь подвергают перемешиванию. Молярное соотношение вода:алкоксид алюминия составляет от 2,5 до 5,0. Суммарное количество упомянутых органических полимеров составляет 3 - 30 мас.% от эквивалентного содержания оксида алюминия. Из полученного гидролизата удаляют спирт и остатки воды до перехода гидролизата в хрупкое состояние (ксерогель). При удалении спирта и остатков воды из гидролизата температура гидролизата не должна превышать 200^oC. Полученный ксерогель гидроксида алюминия подвергают измельчению до размера частиц не более 50 мкм. Измельченный ксерогель направляют на термообработку на воздухе или в другой окислительной среде при температуре 1100 - 1350^oC. Изобретение позволяет повысить удельную производительность оборудования, снизить энергопотребление. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения порошка оксида алюминия для изготовления прозрачной керамики, включающий жидкофазный гидролиз алкоксида алюминия водным раствором уплотняющей добавки при молярном отношении вода : алкоксид алюминия 25 - 5,0, удаление спирта и остатков воды из гидролизата, измельчение ксерогеля гидроксида алюминия и его термообработку, отличающийся тем, что гидролиз осуществляют путем смешения алкоксида алюминия в индивидуальном виде или в виде спиртового раствора при перемешивании с водным раствором одного или нескольких органических полимеров, по крайней мере один из которых нерастворим в спирте, образующемся при гидролизе. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарное количество органических полимеров составляет 3 - 30 мас.% от количества оксида алюминия, образующегося из алкоксида алюминия. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при удалении спирта и остатков воды из гидролизата температура последнего не превышает 200^oC. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед термообработкой гидроксида алюминия производят измельчение последнего до размера частиц не более 50 мкм. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку гидроксида алюминия осуществляют на воздухе или в любой другой окислительной атмосфере. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку гидроксида алюминия ведут при температуре в диапазоне 1100 - 1350^oC.