氧化鋁粉體具有高強度、高硬度、耐高溫、抗腐蝕等優異的物理化學性能，在陶瓷、電子、半導體、生物醫學、光學、催化等領域有廣泛應用；特別是球形氧化鋁粉體，具有規則的形貌，應力應變均勻，較大的堆積密度和較好的流動性，在很多場景下都需要將氧化鋁粉體制成微球形態來提高產品性能。不過，傳統制備方法（如溶膠-凝膠法、模板法）常面臨工藝復雜、成本高昂或結構均一性差等問題，限制了其規模化生產。而噴霧干燥技術作為制備氧化鋁微球的有效方法之一，除了具有連續化、耗時短、產品性質穩定等突出優勢，還通過精準控制前驅體溶液的霧化與干燥動力學，還可實現氧化鋁微球結構（實心、空心或者多孔）的靈活調控，來滿足氧化鋁微球在不同領域的應用，近年來得到了越來越多的重視。本文將從噴霧干燥技術的原理出發，看看如何利用噴霧干燥法調控球形氧化鋁的結構。

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噴霧干燥法的原理

噴霧干燥法是把坯料和塑化劑等混合后配置成固相含量一定的漿料，然后用噴霧器將漿料噴入造粒塔進行霧化，由于表面張力的作用能夠得到流動性較好的球狀顆粒。由于霧化后的漿料是非常細小的霧滴狀，且具有很大的比表面積，經過干燥之后使得霧滴水分蒸發迅速，得到球形度良好的顆粒。最終由于自身重力的作用，顆粒較粗的粉體下落至干燥室內錐形部分的底部被收集，而顆粒較細的粉體隨熱風進入旋風分離器，在分離器內被收集。

在這一過程中，各個工藝參數的相互作用直接決定了溶質遷移路徑、溶劑蒸發速率以及最終顆粒的形貌特征，因此要實現對球形氧化鋁的微觀結構（實心、空心或多孔）調控，本質上依賴于對原料配比、干燥動力學及后處理條件的多維度協同設計。

1、從原料配制上

在電子封裝、高溫耐火、研磨拋光、導熱、材料增強等領域中，氧化鋁通常需要制成實心氧化鋁微球來提升填充性能以更好地發揮作用。而要實現實心微球均勻收縮與晶粒完全致密化，核心邏輯是要抑制溶劑揮發與收縮過程中的內部孔隙形成。

制備氧化鋁微球的漿料通常由溶劑、氧化鋁粉體、粘結劑、填充劑、分散劑等組成，在配置時，可通過調整其組成實現結構控制：

（1）固含量對于氧化鋁微球結構的調控尤為關鍵：添加較高含量的氧化鋁粉形成的高濃度漿料中，由于溶質可以充分填充于液滴內部，干燥時顆粒內部不會留下明顯的空隙，更有利于形成均質的實心球體；而低濃度的漿料因溶質含量有限，更容易先在表面固化形成半透層，隨后液滴內部水分帶動氧化鋁粉體遷移，水份透過半透層至霧滴表面，氧化鋁粉體則留在半透層內，最終形成單一空腔結構，不過，固含量過低，則會在冷卻過程中，引起坯體內部熱空氣收縮，導致表面殼層顆粒向內部坍塌，最終形成“蘋果球”。

（2）引入功能性添加劑是實現結構精細化控制的重要手段：通過添加較低含量的分散劑（聚乙烯醇、聚丙烯酸銨等）可以改善高固含量漿料的流動性，確保粉末、粘結劑等均勻懸浮，保證霧化液滴的均勻性，最終有助于實心球狀顆粒成球率的提升。而使用一些具有固定的親水基團的表面活性劑（如聚乙二醇等）添加于低固含量漿料中時，也可以增加顆粒的分散性的同時降低細小顆粒的遷移阻力，有助于形成氧化鋁陶瓷空心微球；除此之外，填充劑（鋁溶膠等）用于填充顆粒表面孔隙，通過后期燒結可以達到最佳的表面致密化效果。而造孔劑則可以在高溫加熱時分解產成氣體，在顆粒中留下小孔，從而獲得具有多孔結構的氧化鋁微球。

2、工藝過程調控

通常，對微球粒徑的控制主要是對霧化過程的控制，而對于微球結構的控制更主要是對干燥過程的控制。當霧化后的霧滴與干燥室內的熱空氣接觸后，熱量從熱空氣向液滴內部傳遞的傳熱過程及水分由液滴內部向液滴表面擴散并向干燥熱空氣蒸發的傳質過程共同決定了產品顆粒的粒徑及形貌。

霧滴的干燥過程可以分為兩個階段：恒速干燥階段和降速干燥階段。

在恒速干燥階段，霧滴內部水分含量較高，水分在霧滴內部的擴散速率大于霧滴表面水分的蒸發速率，液滴內部不斷的有非結合水向液滴的表面移動，以維持與表面汽化所失去的水分達到平衡。

當液滴內部遷移到表面的水分開始不再維持其飽和的濕潤狀態時，霧滴進入降速干燥階段，物料的固體表面外殼逐漸形成，由于外殼抑制了霧滴表面水分的蒸發，此過程的干燥速率下降的很快，同時物料表面的溫度將逐步上升，此時，顆粒內部的殘余水分可在殘留水分在毛細管力的作用下，通過氧化鋁微粒間的微細孔隙移動至液滴表面，并向干燥室內的熱空氣蒸發，最終成球。

從這兩個階段來看，對球形顆粒結構的控制與干燥溫度有著密切的關系。如果干燥溫度較低，恒速干燥速率較慢，會導致降速干燥階段被殘留的水分較多，水分擴散蒸發后，氧化鋁粉體遷移至殼壁內，會使顆粒中心產生空隙，于是形成空心顆粒。而如果干燥溫度較高，恒速干燥速率快，此時霧滴中殘留并水分不多，水分干燥后，顆粒內部不會留下明顯的空隙，于是形成實心的球形氧化鋁顆粒。不過，若干燥升溫速度過快，或表面層的透過性較低，水分來不及遷移至霧滴表 面就已經在顆粒內部汽化，則霧滴在蒸汽作用下會發生體積膨脹，并從球形氧化鋁外殼的薄弱處噴發出，造成塌陷。

空心顆粒的形成

除此之外，進料速度也會影響熱量傳遞，進而影響微球的形貌。進料速度慢，霧滴的瞬間蒸發量較大，導致內部含水量少，而形成實心顆粒。進料速度快，則會使得熱量傳遞變慢，導致內部含水量多，而形成空心顆粒。不過過快和過慢的進料速度也會導致一些問題的產生：如進料速度過快，液滴難以充分干燥，容易導致粘壁現象，而過慢的進料速率導致的蒸發量過大，則易導致霧滴直接變成碎渣。

參考文獻：

1、孫趙軍.噴霧干燥法制備氧化鋁陶瓷空心微球[D].華南理工大學.

2、李保強,金化成,丁飛,等.二氧化鋯空心微球制備技術的主要進展[J].過程工程學報.

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