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This research project focuses on the preparation of nano-alumina using a gel-casting method and explores its applications in various fields such as ceramics and sensors. The study investigates the influence of factors like solvent pH, aluminum salt solubility, and organic polymer quantity on gel formation. Nano-alumina demonstrates strong volumetric, quantum, and surface effects, making it versatile for different industrial applications. Different methods for producing nano-alumina powder are discussed, highlighting the advantages and challenges of each approach. The research also presents a novel method for preparing nano-alumina powder through polymer gel formation, aiming to overcome the difficulties associated with conventional techniques.
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红河学院参加第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛情况红河学院参加第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛情况 • 全国第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛终审决赛于2005年11月19日在复旦大学举行，本次大赛共有来自全国200余所高校的1031份作品参赛，由我校理学院化学系易中周老师指导的梁春花同学的论文《凝胶法制备纳米氧化铝粉体的研究》入围终审决赛，并获三等奖。
凝胶法制备纳米氧化铝粉体的研究 梁春花1,2 指导教师：易中周 （1云南红河学院理学院化学系，蒙自 661100 2云南红河学院理学院分析测试中心,蒙自 661100）
摘 要：以铝盐（Al(NO3)3·9H2O），有机单体为原料，采用凝胶法，在引化剂和催发剂的作用下，使浆料中的铝盐、有机单体交联聚合形成一种有机物高分子网络结构而制得凝胶，经干燥后在高温下煅烧制得纳米氧化铝粉。进而研究了溶液的pH值、铝盐溶解度和高分子有机物用量对凝胶体形成的影响因素。 • Nano-alumina were prepared by gel-cating method with Al(NO3)3 .9H2O and organic monomer. Under the catalyst and initiator conditions, the polymer gels were prepared and the nano-alumina were abstained by calcined as-prepared gels under high temperature. The amount of polymer, as well as the concentration of Al(NO3)3 .9H2O and the pH value of solvents were studied in this paper.
纳米氧化铝具有强的体积效应、量子效应、表面效应和宏观量子效应，在光、电、热力学和化学反应等方面表现出一系列优异性能，广泛用作精细陶瓷、复活材料、荧光材料、湿敏性传感器及吸收材料等。纳米氧化铝具有强的体积效应、量子效应、表面效应和宏观量子效应，在光、电、热力学和化学反应等方面表现出一系列优异性能，广泛用作精细陶瓷、复活材料、荧光材料、湿敏性传感器及吸收材料等。 高纯、超细、高活性、颗粒度分布集中，团聚力小的氧化铝粉末的应用，不仅能够大大降低烧结温度，节约能源。而且能获得晶粒度细、致密度高的制品。 目前，文献报道了多种制备氧化铝超细粉末的方法。Sol-Gel法作为制备氧化铝粉的一种方法，具有操作简单、成本低及制得的粉末成分均匀等特点；沉淀法制备纳米氧化铝粉具有成本低、纯度高、能够大量生产，设备制造简单和工艺流程等特点。除此之外，还有微乳液法、气相法。
但到目前为止，纳米氧化铝陶瓷粉体的制备还是比较困难，一方面，由于纳米氧化铝陶瓷粉体通常是需要经过高温煅烧才可得到稳定相，因而在制备过程中因晶粒快速长大而很难得到α-Al2O3纳米粉体；另一方面，纳米氧化铝陶瓷粉体易于团聚，用一般的湿化学方法（如沉淀法）制备往往会产生硬团聚；因此，需要发展新的制备方法。但到目前为止，纳米氧化铝陶瓷粉体的制备还是比较困难，一方面，由于纳米氧化铝陶瓷粉体通常是需要经过高温煅烧才可得到稳定相，因而在制备过程中因晶粒快速长大而很难得到α-Al2O3纳米粉体；另一方面，纳米氧化铝陶瓷粉体易于团聚，用一般的湿化学方法（如沉淀法）制备往往会产生硬团聚；因此，需要发展新的制备方法。 本研究利用铝盐、有机单体为原料，在引发剂和催化剂的作用下，使浆料中的有机单体交联聚合成三维网状结构，形成低粘度、高固相体积分数的凝胶体，经干燥及热处理后得到颗粒为纳米级的氧化铝粉末，由于凝胶的形成，金属Al3＋离子在溶液中的移动受到了限制，同时，在干燥和煅烧过程中，纳米Al2O3颗粒相互间接触和聚集的机会减少，有利于形成颗粒尺寸小、团聚少的纳米粉体,粉体的性能良好。
1、实验 1.1 材料及试剂 硝酸铝（Al(NO3)3•9H2O、 PVP(分子量20000) 柠檬酸铵(分析纯) 1.2 仪器 电力搅拌机、粘度计、pH计、电热干燥箱、纳 米烧结炉
1.3 实验过程 量取10ml有机单体于100ml小烧杯中，在强烈搅拌下加入PVP-20000(质量分别为0.637g、0.440g、0.300g、0.180g)，待PVP-20000完全溶解后再加入0.2g柠檬酸铵，溶解后加入Al(NO3)3•9H2O(质量分别为63.7g、55.0g、50.0g、45.0g)在此过程中，加入的PVP-20000与Al(NO3)3•9H2O的关系为：PVP-20000(质量)/Al(NO3)3•9H2O（质量）×100%(分别为1%、0.8%、0.6%、0.4%)分别用粘度计、pH值计、电导率仪测出相关的粘度、pH值、电导力，在强烈搅拌下加入引发剂，最后加催化剂，在60～80℃的烘箱内放置15~20min，从而得到凝胶。具体的工艺流程见图1所示：
有机单体溶液 柠檬酸铵 PVP-20000 硝酸铝 催化剂 引发剂 凝胶化(60～80℃) 干 燥 烧结成粉(1100℃) 图1 纳米氧化铝粉体制备工艺流程
2 、实验结果及分析 2.1 铝盐不同用量与溶液pH值的关系 为了考察铝盐不同用量对浆料pH值的影响，在实验过程中固定单体用量，改变铝盐用量来观察溶液pH值的变化。如图2所示 随着铝盐用量的增加，pH值逐渐增大，这有利于浆料中铝盐成分固相体积分数的增加，由图可知，pH为7.50时，铝盐的物质的量最高。
2.2 铝盐的用量对胶体形成的影响 通过研究铝盐的用量对胶体的影响，测出了不同浓度下浆料的粘度（图3所示），粘度随溶液浓度的增加而增大。这是因为随铝盐含量的增加，固相颗粒间形成的孔隙增加，浆料中孔隙水和结合水的量相应增加，由于自由水的减少对浆料的流动性影响较大。因此，浆料粘度增大，另一方面，溶液浓度增加，颗粒表面所能吸附的有机分散剂的量相对减少，有机分散剂位阻稳定作用减弱，分散效果变差，而且随铝盐浓度的增加，浆料中颗粒间的距离缩小，范德华力作用加强，导致粘度上升。实验证明，铝盐的最佳用量为0.133mol，PVP含量为0.6%的浆料能够满足纳米氧化铝粉体的要求。
2.3 pH值对浆料粘度的影响 浆料的粘度与流动性有关，影响流动性最重要的因素是pH值。图4显示的是浆料粘度与pH值的关系，从图中可以看出，在pH值为6.87时，浆料的粘度最低，浆料处于稳定分散状态，另外，在pH值大于7.3时浆料的粘度随pH值的减小而减小，表明在碱性条件下也存在较好的稳定性。
2.4 浆料粘度与电导率的关系 随着铝盐用量的增加，会引入一定量的Ca2+、Mg2+、Fe3＋等高价金属离子，随着单体和柠檬酸铵的加入，这些离子在溶液中会形成Ca(OH)2、Mg(OH)2、Fe(OH)3而使浆料出现一定的团聚现象，从而降低胶体的稳定性和分散性。如下表所示，为浆料中不同电导率与粘度的关系，随着浆料粘度的变化，其电导率也随之变化。
3 、凝胶体的干燥及烧结 将胶体在室温自然干燥24h使一部分水自然蒸发，再将其放入120℃的烘箱内进行干燥，干燥24h，将胶体表面的水份完全蒸发。利用此法进行干燥是为了保持凝胶体的完整性，让PVP能够均匀地和铝盐等物质交联聚合在一起。 把干燥后的混合物放入硅碳棒炉中焙烧热分解，在1100℃温度下焙烧12h，焙烧过程中，温度以5℃∕min的速度自然升高，经煅烧后可制备出纳米氧化铝粉体。
4、结论 通过控制铝盐、有机单体配料和分散剂可以在pH=6.87左右制备具有良好流动性和稳定性的浆料，实验结果表明：在浆料中加入少量引发剂和催化剂并且在６０～８０℃温度下15～20min可获得良好的凝胶。经干燥后控制煅烧温度为1100℃以下可获得纳米氧化铝陶瓷粉体。 该法使用比较廉价的无机盐为原料，成本较低，此外，工艺简单，易于操作，具有一定的实用意义。
请各位专家评委批评指正 谢 谢！ 二零零五年十一月
