一种铝溶胶的快速制备方法

季晓玲 翟丽莉 王珍

摘要：目前铝溶胶的制备过程用时较长，一般都需回流或陈化，本文介绍了一种铝溶胶的快速制备方法。在铝溶胶制备时加入表面活性剂A，在它的作用下异丙醇铝(AIP)在85℃时迅速水解，然后抽滤得到白色勃姆石沉淀，在沉淀中加入适量硝酸胶解，即可得贮存期至少6个月的透明铝溶胶，其中水解和胶解过程分别只要0.5h；同时还讨论了水与醇盐摩尔比、硝酸的浓度和用量对体系PH值和铝溶胶粒径大小的影响；实验结果表明，水与醇盐摩尔比越高所制得的铝溶胶的粒径越小，制备过程中加等量硝酸时浓度对铝溶胶的粒径无影响（除了浓硝酸外），且随着硝酸加入量的增加，所制备的铝溶胶粒径减小，PH值及粘度逐渐降低，而贮存稳定期变长。

关键词：异丙醇铝；铝溶胶；表面活性剂A

中图分类号：TQ426．6 文献标识码：A 

A Method on Rapid Preparation of Aluminum Sol

JI Xiao-ling, ZHAI Li-li ,WANG Zhen

Abstract: Presently reaction time of aluminum sol prepared was long and reaction process requred aging or refluxing generally .This paper introduced a rapid method of aluminum sol prepared . Added surface-active agent A when prepared aluminum sol, it can increase the hydrolytic reaction velocity of AIP in 85℃ water.Then we filtered this solution for getting white precipitate .Adding a certain amount of nitric acid and water into the precipitate we can obtain transparent aluminum sol which can stored six months stably.The hydrolytic reaction time and colliod decomposed reaction time were both 0.5h . In addition we discussed influence factor of PH and particle size including mol ratio of AIP and water, consistency and the amount of nitric acid.Experimental result indicated as follows: the larger mol ratio of AIP and water,the smaller particle size we could get , when added the same quantiy nitric acid its consistency hadn`t influnce on the particle size of aluminum sol (except aquafortis), along with quantiy of nitric acid increased the PH, viscosity and particle size were all decreased while the stable storage time got longer.

Keywords:  AIP; aluminum sol; surface-active agent A

前 言

    铝溶胶是带正电荷的水合氧化铝胶粒分散在水中的胶体溶液，它被广泛应用于石油化工表面活性剂、硅酸铝纤维和陶瓷等耐高温材料的成型粘结剂、陶瓷搪瓷釉料的添加剂、制绒和静电织绒植绒的抗静电剂、纺织物及纤维品处理的成膜剂和抗静电剂、精密铸造的氧化铝浇铸料、颜料和涂料的乳化剂及安定剂、相纸表面处理剂、大棚防雾剂、防水剂等，还可用于无机纤维、活性氧化铝、高纯氧化铝、搪瓷、日用品、造纸等多种行业。　

    目前，国内外生产铝溶胶的方法主要有：（1）盐酸法高碱度铝溶胶^[1]，俗称盐铝胶，即通过金属铝与盐酸反应制得，一般A1：C1(mol比)为1.1：1，溶胶的PH值为2-3，呈较强酸性，这种铝溶胶产品的腐蚀性很强，在加热使用过程中，还会放出大量强腐蚀性的HC1气体，因而，大大地限制了其使用范围；（2）有机铝化合物水解得铝溶胶，一般以异丙醇铝为原料，水解后加硝酸回流陈化24h ^[2]；（3）SB粉直接胶解得铝溶胶，以SB粉为原料，HNO₃ 为胶溶剂，在84℃水中搅拌解胶，一般老化时间为5h，冷却回流2h^[3]；（4）无机铝源得铝溶胶法，如吴剑锋^[4]等人在硝酸铝中加入一定量氨水，产生凝胶后加入硝酸，陈化10h或24h制得铝溶胶。

    上述铝溶胶的制备方法用时都较长，需要陈化或回流，且生产的铝溶胶普遍呈乳白色浆糊状，其胶粒不够均匀，有的胶粒可达微米级，本文通过在异丙醇铝水解过程中添加表面活性剂A，可以加快水解的速度，缩短整个反应时间。
　

1  实验部分

1.1 主要实验仪器与试剂

    NDJ-9S数显粘度计（上海天平仪器厂）、pHS—3C型实验室pH计（上海雷磁仪器厂）、3000HS Zeta-sizer分析仪、100W电动搅拌（江苏省金坛市医疗仪器厂）、98-1-B型加热套（天津市泰斯特仪器有限公司）、SX-2.5-10型马福炉（上海圣欣科学仪器有限公司）、TECNA1G2 20S-TWIN型透射电镜（荷兰飞利浦公司）；

异丙醇铝 AIP（分析纯）、硝酸（分析纯）、去离子水、表面活性剂A（为烷基醚类表面活性剂、分析纯）

1.2 实验操作

（1）将异丙醇铝与水按不同配比混合，搅拌升温至85℃时加入表面活性剂A；

（2）水解反应0.5h后抽滤，得白色勃姆石沉淀，用去离子水洗去沉淀中夹杂的表面活性剂A，重复5次；

（3）在沉淀中加人一定量的硝酸和水并升温至95℃，搅拌下反应0.5h便制得透明的铝溶胶。

1.3 铝溶胶的表征

（1）使用1.1中所述的仪器测定溶胶的粘度、pH值、胶粒粒径和形态；

（2）实际浓度的检测：将铝溶胶成品于300℃的马福炉中煅烧至恒重后的固含量（羟基氧化铝AlOOH）所占铝溶胶的百分比即为铝溶胶的实际百分含量。

2 结果与讨论

2.1 催化反应机理

    因异丙醇铝属有机金属类物质，油性强一般在水中不易浸润，通常认为酸或碱会加快醇盐的水解速度，因为H⁺浓度的增加对M-OR的亲电取代有利，OH^-浓度的增加对M-OR的亲核取代有利^[5]。本文试图通过加入酸或碱来提高AIP的水解速度，结果反而都使水解速度变得更慢。我们分析认为AIP的水解机理可能是溶液中的OH^- 作为亲核试剂进攻-Al-O-中的-Al-，同时H⁺进攻-Al-O-中的-O-，反应过程中所需的[H⁺]和[OH^-]应是等量的，即亲电亲核过程同时进行而使Al-O键断裂。体系中加入酸后，[H⁺]浓度的增加会提高亲电反应速度，而另一方面[OH^-]浓度会变小，减小了亲核过程的碰撞几率，使反应速度变慢；同理加入碱也同样会使反应速度变慢。所以一般的铝溶胶制备过程都较长，需要回流或者陈化若干小时。基于此本实验室采用了烷基醚类表面活性剂A，可以大大降低水的表面张力，增加异丙醇铝与水的反应面积，从而使H⁺ 及OH^- 在小范围内浓度相对增加，使水解反应进行得更快。

    加入表面活性剂A的量如果在AIP的千分之一以上对催化效果无改变，且表面活性剂的用量对制得的铝溶胶性能指标无影响，说明表面活性剂A只是起到了加快反应速度的作用。

2.2 水与异丙醇铝的摩尔比对铝溶胶粒径的影响

    水与异丙醇铝的摩尔比为200: 1、150: 1、120: 1、100: 1、80: 1，相同条件下制备Al-10-4型铝溶胶。图1显示粒径随水与异丙醇铝摩尔比降低而逐渐增加，可根据对铝溶胶粒径的要求选择不同的摩尔比。图2中的电镜照片也可看出水与异丙醇铝的摩尔比不同不影响胶粒的棒状形态，但摩尔比为120: 1时粒径要小一些。

2.3 硝酸的浓度对铝溶胶性能的影响                                     

    以AL-10-4型号铝溶胶为例，实验选用硝酸的浓度分别是：体积比为1: 1、1M、0.5M，结果表明硝酸浓度对铝溶胶的性能指标无影响，均可得到透明均一、PH值在4，羟基氧化铝含量在10左右的铝溶胶，但采用浓硝酸时，体系易在瞬间凝胶，考虑能耗选用体积比为1: 1的硝酸为宜。

2.4 硝酸的加入量对铝溶胶粒径、PH值的影响

    不同H⁺/ AIP 摩尔比制备的10%铝溶胶的性能指标见表1，表中可见硝酸的加入量对铝溶胶的粒径及PH值的影响很大，当硝酸加入量小于0.05时，所制备的铝溶胶颜色都发白、不透明、粘度较大，且粒径也较大，当硝酸加入量大于0.07后，所制得的铝溶胶都很透明、粘度低，粒径较小，贮存6个月不凝胶，粘度稍变大。

表1 不同硝酸加入量时铝溶胶的性能指标

Table1 Influnce of amount of nitric acid on character of aluminum sol

                       反应条件：H₂O/ AIP 摩尔比是120：1，表面活性剂A加入量是AIP的千分之一

3 结 论

    制备铝溶胶的******工艺条件为：(1) 异丙醇铝与水的摩尔比为1: 120；(2) 选用体积比为1: 1的硝酸，加入量与异丙醇铝的摩尔比在0.07—0.09之间；(3) 表面活性剂A的加入大大提高了异丙醇铝水解阶段的反应速度，但其加入量对所制备的铝溶胶的性能无影响，按异丙醇铝的摩尔比千分之一加入即可。 此反应的最突出的优点是总反应时间很短，整个反应过程约为1.5小时，无需陈化，且所制得的铝溶胶透明澄清，粒径为纳米级，可稳定贮存6个月，该工艺已顺利通过3吨反应釜的中试实验。

参考文献：

[1] 尹忠亮. 铝溶胶生产工艺条件的研究.[J] 精细石油化工进展 2003,4(6):52-54

[2] 谢安建,沈玉华, 黄方志. 铝溶胶的制备及影响因素的研究.[J] 安徽化工 2003,4: 9-10

[3] 杨立英,李成岳,刘 辉. 金属基体上铝溶胶涂层的制备.[J] 催化学报 2004,25(4):283-288

[4] 吴建锋,徐晓虹,张欣. 以硝酸铝为原料制备铝溶胶的研究.[J] 陶瓷学报 2007,28(3):155-159

[5] 黄建峰. 溶胶凝胶原理与技术. [M] 化学工业出版社 2005,4:41-64