氧化鋁中化學元素測試及其在工業生產領域中的應用

宋興存

［華北有色（三河）燕郊中心實驗室有限公司，河北廊坊 065201］

1 氧化鋁的性質

氧化鋁（Al2O3）是一種白色粉末狀固體成分，硬度高，它是氧元素和鋁元素組合成的化合物，其熔點在2 000℃以上，通常用于耐火材料。在工業上，氧化鋁制備主要是以礬土作為生產材料。目前，已經發現了十多種不同的氧化鋁晶體，不同的晶體結構具有不同的性質和優勢。此外，氧化鋁是典型的兩性氧化物，可以與無機酸和堿溶液產生化學反應，且基本不溶于水和非極性有機溶劑。由于氧化鋁極易受潮，因此在應用過程中要保持密封干燥。我國是世界上的氧化鋁生產大國，并且占比增長非常迅速。但即便如此，我國的氧化鋁市場需求仍然非常巨大，氧化鋁產業的發展前景非常廣闊。

2 X射線熒光光譜法測定氧化鋁中的化學元素

將 SiO2，Fe2O3，Na2O，K2O，CaO，TiO2，P2O5，ZnO，V2O5，Ga2O3，Cr2O311種氧化物按規定量加入高純氧化鋁制備中間標準樣品，中間標準樣品和純氧化鋁作為空白標準樣品，制作校準曲線。按一定比例制備中間標準樣品和純氧化鋁作為對照樣品，控制分析過程的質量。

2.1 實驗部分

2.1.1 儀器和測量條件

X射線熒光光譜儀ZSX PrimusII；電熱融樣機FRONT-3；振動攪拌儀YZJ-54。各元素測定條件見表1。

表1 測定氧化鋁中11種雜質的分析條件

2.1.2 主要試劑

混合熔劑：四硼酸鋰+偏硼酸鋰+氟化鋰，按45∶10∶5（質量比）的比例混合。

SiO2、Fe2O3，Na2O，K2O，CaO，TiO2，P2O5，ZnO，Cr2O3（高純或光譜純）：在1 100°C下烘烤2h，然后在干燥器中冷卻。

Ga2O3、V2O5（光譜純）：在600℃下烘烤2h，然后在干燥器中冷卻。

Na2O3（基準試劑）：在300℃加熱至少4h，然后在干燥器中冷卻。

Cr2O3、（NH4）2HPO4（基準試劑或光譜純）：105℃烘烤2h，然后在干燥器中冷卻。

2.1.3 實驗方法

稱取試樣2.0g和混合熔劑6.0g放入瓷坩堝中，混合均勻后轉移到鉑金坩堝中。加入3滴飽和溴化鉀溶液和4滴碘化鉀，將坩堝置于1 500℃電熱融樣機中，熔融15min，制備玻璃樣片。在整個過程中，應避免外部環境對熔融樣品的污染。

2.1.4 標準樣品的制備和校準曲線的構建

本試驗參照國標制備中間標準樣品，如表2所示。根據樣品與熔劑的比例和大小，稱取中間標準樣品，按表3放入鉑坩堝中，混合均勻，將坩堝置于1 500℃電熱融樣機中。制備3個空白和3個高標準樣品，分別測量空白和標準樣品，制作工作曲線。校準曲線如圖1所示。

表2 中間標準樣的試劑量及中間標準樣中氧化物濃度

表3 空白和標樣所需的試劑質量

圖1 兩點法校準曲線

2.2 結果與討論

2.2.1 樣品制備方法的選擇

粉末樣品的制備通常包括粉末壓制法和熔融玻璃法。粉末壓實法要求樣品非礦化，樣品粒徑必須降至61μm甚至更細；分析線波長越長，粉體粒徑的影響越明顯，操作難度大。因此，選擇熔融玻璃法進行樣品制備。

2.2.2 熔片的稀釋比和熔劑的選擇

氧化鋁是酸性氧化物，適合用堿性熔劑；因此采用四硼酸鋰+偏硼酸鋰+氟化鋰的混合熔劑（45∶10∶5）。實驗中采用1∶2，1∶3，1∶4的樣品進行混合測試，結果1∶2的比例需要更高的溫度而不易使用；在1 500℃熔化時使用1∶3和1∶4效果較好，為避免過度降低樣品中微量元素檢出率，本試驗按1∶3稀釋比制備樣品。

2.2.3 精密度

（1）檢出限：表1列出了各待測元素的檢出限（LD）。

（2）精密度：用1#氧化鋁樣品重復制備11個樣品，計數測量值，得到各組分的標準偏差（SD）和相對標準偏差（RSD）。從表4可以看出，各元素的 RSD均小于10%，樣品制備方法具有良好的重現性。

表4 樣品的重現性實驗結果（n=11）

2.3 結論

1）采用熔融玻璃法制樣，消除礦物效應和樣品粒徑的影響，提高了測量精度。

2）標準樣品和實樣結果符合標準值或化學方法，滿足氧化鋁的檢測規范要求。

3）樣品制備簡單、快速且價格低廉，可以同時測量多種元素，這對于科學研究和生產控制分析具有重要意義。

3 氧化鋁的應用

目前，已經發現了十多種不同的氧化鋁晶體，目前常用的氧化鋁晶型有三種，分別是：α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3，不同的晶體結構具有不同的性質和優勢。比如α-Al2O3的優勢和特點是可以在高溫下穩定存在，且不溶于多種溶劑，具有較高的化學穩定性和耐腐蝕性；γ-Al2O3的主要優勢和特點是低溫穩定但高溫不穩定，雖不溶于水但可溶于酸和堿，該型晶體的比表面積大，因此在應用中經常作為吸附劑、催化劑和載體。其余的晶型被認為是以上兩種晶型的過渡型或者不穩定型，應用研究相對較少。對于不同的晶型根據其特點應用研究的方向也不同，且加工使用的方向也不同。目前的主要研究方向是尋找一種簡單便宜的合成方法。在氧化鋁的應用中，化學元素雜質的含量對其影響極大，比如期耐磨性能、絕緣性能、機械強度等。

3.1 氧化鋁涂層的應用

隨著生產技術的提高和產品應用范圍的擴大，為適應各個領域的應用，對材料性能的要求也逐漸提高。產品的表面特性決定了它的功能和耐用性，而表面特性往往可以通過表面工程和材料技術進行保護和修飾，使產品具有許多優異的特性，延長使用壽命。從這個角度來看，產品的表面處理是一個關鍵的影響因素，如今已成為各個行業關注的問題。其中，涂層技術已成為表面保護領域應用最廣泛的技術之一。它不僅根據不同材料的特性賦予產品表面不同的功能，而且適用于不同形狀的產品表面。在產品零件上涂上不同性能的功能涂層，可廣泛應用于各種環境條件，如高磨損、高溫高壓、潮濕環境等，消除了自身零件的缺陷，提高產品在不同環境下的利用率。氧化鋁（Al2O3）是一種納米材料，適用于陶瓷涂料、催化介質、過濾膜等表面的涂層應用。氧化鋁涂層的應用主要通過幾下方法：

（1）電子束蒸發法：它是一種使用真空蒸發工藝的薄膜涂層方法。在真空條件下，噴涂的材料通過電子束在高溫下汽化并輸送到基板進行噴涂，然后利用冷水環境控制溫度冷凝加熱后霧化的物質，形成均勻的涂層。其優點是制造涂層的效率高，缺點是由于需要在冷水環境中凝結涂層，因此潮濕的環境會一定程度要影響涂層的結合質量。

（2）陽極氧化法：此類方法具有綠色工藝的特點，這種方法可以得到納米材料的模板，應用于微過濾器膜，還可用于制造具有光、電、磁等多種特性的納米級電子器件。陽極氧化法具有低能耗特點，在環保和設備等方面具有明顯優勢。

（3）溶膠-凝膠法：該方法是將金屬醇鹽或無機物作為前提溶解在乙醇等有機溶劑中，以弱酸和弱堿為催化劑，加入所需量的水使試劑水解縮合形成溶膠。溶膠聚合失去流動性，線性結構變為網狀并形成凝膠。最后對固化的凝膠進行熱處理和干燥，最終得到目標材料。該方法合成薄膜具有反應溫度低、成本低、粒徑可控、設備簡單等優點。這種材料廣泛用于陶瓷和金屬表面。

（4）化學氣相沉積法：該方法的應用主要過程分為三個階段，形成揮發性氣態物質，然后揮發性物質轉移到基材表面，最后通過化學反應形成各種結構和形態的物質。一般通過不同的反應條件進行化學反應方法的分類，比如原子氣相沉積熱分解的原理是基片表面的單體源和反應氣源交替脈動。就施加到基材表面的施加層的厚度而言，這種類型的吸附反應是特別典型的。

（5）磁控濺射法：此類方法是指將原子或分子氣化或濺射到靶材上，然后將噴涂的材料涂覆在基材上形成涂層的磁控濺射工藝。磁控濺射分為用于射頻反應磁控濺射和直流濺射。電場在可變電場的作用下振蕩，使氣體電離成等離子體。

3.2 不同類型氧化鋁的應用

（1）棒狀氧化鋁的應用：我國的重油和原油不足，但輕油需求增加。對不飽和烴進行催化加氫反應可以緩解輕油緊張的問題。因此，棒狀氧化鋁常作為加氫催化劑應用較為廣泛，其具有比表面積大、孔徑合適、機械強度高、選擇性良好、易于制備、成本低，可再生的特點。因此，氧化鋁用于加氫催化劑載體廣泛用于精煉。

（2）片狀氧化鋁的應用：此類氧化鋁主要為粉末狀，可以有效提高韌性因此，多用于陶瓷復合材料。由于其結構特殊和光敏性優異，也可用于高分子填料和珠光首飾顏料。作為基材，表面涂覆高折射率氧化鈦或氧化鐵，可以獲得性能優越的新一代珠光材料。

（3）球形氧化鋁的應用：陶瓷空心球氧化鋁與傳統的空心球氧化鋁相比，具有優越的高強度和耐高溫性能，且其價格低，衍生出的微米級陶瓷空心球可廣泛應用于軍工、航天、化工和絕緣材料等領域，具有廣闊的應用前景。

4 結束語

由于氧化鋁的化學元素含量與種類對于其化學性質和物理性質的影響極為巨大。因此，通過科學的檢測方法對其進行檢測尤為重要，可以有效促進氧化鋁的工業化應用。比如，氧化鋁涂層多用于包裝材料的表面，其優良的性能可以最大限度地減少產品在運輸和銷售過程中的損失。因此，采用鐵、鋁、玻璃、鈦等多種封裝材料作為基材，應用致密且完整的氧化鋁涂層，可保護包裝免受潮濕和腐蝕。而此類應用的質量需要通過氧化鋁元素檢測保障。因此，在未來的研究中，檢測方法的提高與改進對于促進氧化鋁的應用極為重要。