α相氧化鋁（α-Al?O?）粉體具有出色的耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定、電性能以及耐磨性的特點(diǎn)，是特種陶瓷、鋰電隔膜涂覆、高端耐火、磨料模具以及光學(xué)和電子材料領(lǐng)域的工業(yè)關(guān)鍵基礎(chǔ)原材料。不過，目前α-Al?O?一般采用拜耳法制備，在除去氧化鐵和二氧化硅的過程中需用過量的氫氧化鈉作為溶劑處理，不可避免的又會(huì)引入含量可高達(dá)0.5%或以上的Na₂O雜質(zhì)，而Na₂O會(huì)與α-Al₂O₃結(jié)合生成而Na₂O·11Al₂O₃，直接影響氧化鋁的物理和化學(xué)性能，成為制約5G通信陶瓷濾波器、高功率LED封裝基板等高端應(yīng)用的關(guān)鍵障礙，因此，深度除鈉已成為高純氧化鋁制備的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。

鈉雜質(zhì)對(duì)氧化鋁制品性質(zhì)的影響

Na₂O在高溫下（1400℃以上）煅燒時(shí)與Al₂O₃反應(yīng)形成高鋁酸納Na₂O·11Al₂O₃，又稱β-Al₂O₃，在高溫下他的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，將與α-Al₂O₃共存，并使α-Al₂O₃一次晶體間形成位阻，影響氧化鋁傳質(zhì)過程，抑制煅燒氧化鋁的一次晶體生長(zhǎng)，在煅燒過程中它大大降α-Al₂O₃的轉(zhuǎn)化速度及轉(zhuǎn)化率，從而對(duì)制品的機(jī)械性能、絕緣性能等產(chǎn)生影響。

1、機(jī)械性能降低

α-Al₂O₃結(jié)晶較高，屬于三方晶系密排堆積結(jié)構(gòu)，在該離子晶體結(jié)構(gòu)中，氧離子和鋁離子直接的鍵合作用強(qiáng)，晶格能大，因此硬度極高（莫氏硬度為9），僅次于金剛石，而β-Al₂O₃不是氧化鋁的異構(gòu)體，而是一種鋁酸鹽，屬六方晶系，莫氏硬度僅為6-7，因此當(dāng)Na2O含量較高導(dǎo)致β-Al₂O₃含量較高時(shí)，會(huì)對(duì)制品的機(jī)械性能產(chǎn)生一定的影響。

2、絕緣性能

在電子基板、電子導(dǎo)熱硅膠、絕緣填料、電池材料等制品的生產(chǎn)中，通常要求作為填料的氧化鋁具有很好的絕緣性能，以避免影響器件的電氣性能，而β-Al₂O₃的層狀結(jié)構(gòu)中存在鈉離子層，在可供鈉離子遷徙的同時(shí)還可以進(jìn)行電荷的傳遞，使得β-Al₂O₃具備優(yōu)良的鈉離子導(dǎo)電性及極小的電子導(dǎo)電性，作為填料會(huì)導(dǎo)致器件電氣性能下降。

β-Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)

（圖中A為Al³⁺，B為Na⁺，C為O^2-）

3、外觀

除此之外，在制備氧化鋁透明陶瓷時(shí)，由于β-Al₂O₃與α-Al₂O₃折射系數(shù)勛在較大差異，若采用Na₂O雜質(zhì)含量較高的氧化鋁粉體則會(huì)降低透明剛玉陶瓷的透光率。而在制備耐火材料時(shí)，由于β-Al₂O₃堿變體的密度和其向α--Al₂O₃轉(zhuǎn)化的溫度都低于剛玉密度和剛玉熔化溫度，在高溫下，β-Al₂O₃向α--Al₂O₃轉(zhuǎn)化過程中的變化都會(huì)引起剛玉耐火制品的變形。

如何除鈉？

在氧化鋁中Na₂O有３種存在形式：一是附著于氧化鋁表面的附著堿；二是硅酸鈉結(jié)合堿；三是由于Na+取代氫氧化鋁晶格中的氫，或氫氧化鋁挾帶的母液進(jìn)入結(jié)晶集合體的空隙中而產(chǎn)生的晶格堿。目前針對(duì)這三種存在形式，主要有如下去除方式：

1、洗滌脫鈉

洗滌法一般采用硫酸、純水、熱水等通過溶解、沖刷帶走鈉雜質(zhì)，并一定程度降低二氧化硅及其它雜質(zhì)含量。其中，由于硫酸等可與Na₂O發(fā)生中和反應(yīng)，酸洗的脫鈉效果比熱水和純水好，可以洗掉附堿和少量晶間堿，而熱水洗和純水洗只能去除附堿。

通常氧化鋁的結(jié)晶狀況和比表面積大小與洗滌效果有著直接關(guān)系。相比α相氧化鋁，一些過渡相氧化鋁的結(jié)晶程度較低，顆粒內(nèi)部微孔裂縫較多，比表面積大，內(nèi)部的包裹堿暴露更充分，且化學(xué)性質(zhì)活潑，采用水洗法脫鈉效果較好，因此在水洗前可通過過預(yù)焙燒尋找內(nèi)表面最大的氧化鋁來增加氧化鋁的內(nèi)表面積以使晶間堿盡可能暴露出來，以此提升脫鈉效果

2、水熱法

水熱法脫鈉是指將拜耳法生產(chǎn)的三水鋁石置于高壓釜中進(jìn)行熱處理，三水鋁石在高溫高壓下發(fā)生氫鍵斷裂、脫水和晶層破碎等后轉(zhuǎn)化為一水軟鋁石，包裹堿和晶間堿隨之被部分釋放出來溶于水中，該過程中水熱溫度、水熱時(shí)間、溶液pH等因素對(duì)除雜效果均有影響。該方法具有設(shè)備要求低、操作性強(qiáng)以及經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，不過由于中間半成品是含水濕基物料，通常含水率較高，后期需要進(jìn)一步的烘干，設(shè)備投入大，流程長(zhǎng)，能耗高。

3、煅燒添加脫鈉劑

在氧化鋁煅燒過程中加入部分氟系、氯系和硼系添加劑如AlF₃、NH₄F、MgCl₂、NH₄Cl、H₃BO₃等作為脫鈉劑能夠有效去除氧化鋁中的鈉雜質(zhì)。例如，MgCl₂在高溫下能夠把Na₂O置換出來生成NaCl蒸發(fā)進(jìn)入氣相而脫除，不過，該脫鈉劑會(huì)同時(shí)生成MgO雜質(zhì)進(jìn)入晶格中與氧化鋁結(jié)合。AlF₃、NH₄F以及MgF₂的脫鈉機(jī)理則相似，都是利用在高溫下分解出來的HF與Na₂O反應(yīng)生成具有揮發(fā)性的NaF從而實(shí)現(xiàn)了鈉含量的降低，但MgF₂使用時(shí)與MgCl₂一樣也會(huì)生成MgO雜質(zhì)。而H₃BO₃則是在一定溫度下先分解出B₂O₃，然后B₂O₃與Na₂O反應(yīng)生成在高溫下具有揮發(fā)性的Na₃BO₃，不過HF與Na₂O的反應(yīng)屬于氣-固反應(yīng)，而B₂O₃與Na2O之間為固相反應(yīng)，反應(yīng)速率相對(duì)較慢，但相同用量下，其能夠置換出更多的Na₂O，因此可以通過提高煅燒過程反應(yīng)時(shí)間和煅燒溫度來達(dá)到很好的脫鈉效果。

AlF₃、NH₄F脫鈉機(jī)理

H3BO3脫鈉機(jī)理

MgF₂生成MaO雜質(zhì)

煅燒過程添加H₃BO₃、AIF₃、NH₄F等脫鈉劑的方法雖然操作簡(jiǎn)單，一般要在大劑量的添加劑用量情況下才能獲得較好的效果，但這會(huì)造成生產(chǎn)成本增加、環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕等問題。

小結(jié)

Na₂O含量是評(píng)價(jià)氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。大部分情況下，Na₂O對(duì)氧化鋁材料的性能有著負(fù)面影響。目前主要有三種方式可以降低Na₂O雜質(zhì)含量，其中，水熱法能去除包裹堿和晶間堿，但設(shè)備投入大，流程長(zhǎng)，能耗高。水洗法和添加劑法均具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但水洗法一般主要用于洗去附著堿，而添加劑法則需要大劑量使用，因此，可將上述脫鈉方法聯(lián)合使用實(shí)現(xiàn)氧化鋁的深度脫鈉。

參考文獻(xiàn)：

1、周海萍.高導(dǎo)熱Al2O3深度脫鈉及其在制備過程中晶體生長(zhǎng)控制研究[D].中南大學(xué).

2、王哲.低鈉微晶氧化鋁粉體的制備工藝研究[J].世界有色金屬.

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