球形氧化铝及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及球形材料造粒的生产领域，具体涉及一种球形氧化铝及其制备方法与应用。
背景技术
随着现代芯片技术、电力及通讯等领域的快速发展，电子元器、智能控制设备及相关线路连接等都需要特殊材料，如球形材料。球形材料中，球形氧化铝就是需求较大的材料，能够应用到众多领域中。现有技术中，球形导热氧化铝的主要方法是火焰熔融法，该方法对设备要求高、耗能大、成本高、产量低，不利于大规模推广应用，另外制备出的球形氧化铝堆积密度提高有限，比表面积相对较大。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的制备球形氧化铝时能耗大、成本高、产量低且过程难以控制的问题，提供一种球形氧化铝及其制备方法与应用，所提供的球形氧化铝具有比表面积小、比重大的特点，并且球形氧化铝的致密度高、表面无明显空洞、球形度以及形态良好，球形氧化铝具有优异的粉体流动性，在特殊陶瓷材料以及球形材料等领域具有良好的应用前景，特别地，作为填充剂时，能够显著改善复合材料的导热性能。且所提供的制备方法生产工艺简单、成本低、产量大。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种球形氧化铝，其中，所述球形氧化铝的比重为3.85-3.95g/cm3；所述球形氧化铝的比表面积为0.03-0.25m2/g；所述球形氧化铝的松装堆积密度为2-2.6g/cm3。
本发明第二方面提供一种本发明所述的球形氧化铝的制备方法，其中，所述制备方法包括：
将铝源、粘结剂、分散剂、消泡剂、助烧剂配置成混合物浆液，对混合物浆液进行喷雾造粒，即得所述球形氧化铝。
本发明第三方面提供一种本发明所述球形氧化铝作为填充剂在散热片、散热基板、散热油脂、相变化片、半导体封装树脂和陶瓷过滤器中任意一种中的应用。
通过上述技术方案，本发明所提供的球形氧化铝及其制备方法与应用获得以下有益效果：
本发明所提供的球形氧化铝具有比表面积小、比重大的特点，并且球形氧化铝的致密度高、表面无明显空洞、球形度以及形态良好，球形氧化铝具有优异的粉体流动性，在特殊陶瓷材料以及球形材料等领域具有良好的应用前景，特别地，作为填充剂时，能够显著改善复合材料的导热性能。
本发明所提供的制备方法中，将含有铝源、粘结剂、分散剂、消泡剂、助烧剂的原料混合物配制成浆液，对混合物浆液进行喷雾造粒得到的球形氧化铝。所述方法生产工艺简单、成本低、产量大，而且制备得到的球形氧化铝的粉体流动性好，性能优异。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的球形氧化铝的扫描电子显微镜照片；
图2是本发明实施例3制备的球形氧化铝的扫描电子显微镜照片；
图3是本发明对比例1制备的球形氧化铝的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种球形氧化铝，其中，所述球形氧化铝的比重为3.85-3.95g/cm3；所述球形氧化铝的比表面积为0.03-0.25m2/g；所述球形氧化铝的松装堆积密度为2-2.6g/cm3。
根据本发明，所述球形氧化铝的比重为3.87-3.93g/cm3；所述球形氧化铝的比表面积为0.04-0.23m2/g；所述球形氧化铝的松装堆积密度为2.1-2.4g/cm3。
本发明中，所提供的球形氧化铝具有优异的粉体流动性，且球形氧化铝致密度高、比表面积低，综合性能优异，在特殊陶瓷材料以及球形材料等领域具有良好的应用前景。
本发明第二方面提供一种本发明所述的球形氧化铝的制备方法，其中，所述制备方法包括：
将铝源、粘结剂、分散剂、消泡剂、助烧剂配置成混合物浆液，对混合物浆液进行喷雾造粒，即得所述球形氧化铝。
本发明中，将含有铝源、粘结剂、分散剂、消泡剂、助烧剂的原料混合物配制成浆液，对混合物浆液进行喷雾造粒得到的球形氧化铝。所述方法生产工艺简单、成本低、产量大，而且制备的粉体流动性好，性能优异。
本发明中，所用铝源为纳米级铝源。
根据本发明，所述铝源选自氧化铝、氢氧化铝、一水铝石和拟薄水铝石中的至少一种。
根据本发明，所述粘结剂的重均分子量为5000-350000，优选为150000-270000。
根据本发明，所述粘结剂选自聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶、聚丙烯酸酯、聚乙烯酸酯和甲基吡咯烷酮中的至少一种。
根据本发明，以铝源为基准，所述粘结剂的用量为0.1-10wt％，优选为0.5-2.5wt％。
根据本发明，所述分散剂选自铝酸钠、草酸钠、碳酸锂、聚丙烯酸钠和聚丙烯酸乙酯中的至少一种。
本发明中，选用本发明特定的分散剂，能够有效降低混合物浆液的沉降，进而改善制得的球形氧化铝的性能。
根据本发明，以铝源为基准，所述分散剂的用量为0.1-3wt％，优选为0.1-1.5wt％，更优选为0.1-1.2wt％。
根据本发明，所述消泡剂选自水性有机硅消泡剂、乙二醇、甘油、有机聚醚酯和GPE型聚氧乙烯聚氧丙烯甘油醚中的至少一种。
根据本发明，所述消泡剂的用量为0.1-10wt％，优选为0.1-1.5wt％。
根据本发明，所述助烧剂选自氧化镁、氧化钙、氧化钛、氧化铜、氧化硅、碳酸锂和氧化锆中的至少一种。
根据本发明，以铝源为基准，所述助烧剂的用量为0.1-10wt％，优选为0.1-1.2wt％。
本发明中，发明人研究发现，按照上述配比的铝源、粘结剂、分散剂、消泡剂、助烧剂进行制备球形氧化铝时，所制得的球形氧化铝的致密度高、比表面积低，综合性能优异，在特殊陶瓷材料以及球形材料等领域具有良好的应用前景。
根据本发明，所述混合物浆液中铝源的固体含量为40-90wt％，优选为45-55wt％。
本发明中，将铝源以粉体和/或滤饼的形式与溶剂混合，制得浆液。其中，所述溶剂可以为现有技术中的常规溶剂，具体的，可以为水。
根据本发明，所述喷雾造粒选自压力式喷雾造粒和/或离心式喷雾造粒。
根据本发明，所述喷雾造粒的条件包括：进口温度180-300℃，优选为220-260℃；出口温度80-150℃，优选为100-120℃；压力为0.2-0.7MPa，优选为0.4-0.5MPa；进料速度为50-2200mL/min，优选为120-330mL/min。
本发明第三方面提供本发明所述的球形氧化铝的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，
球形氧化铝的微观形貌采用电子扫描显微镜(SEM)进行表征；
采用标准量具测试造粒后球形氧化铝的松装堆积密度；
采用ICP测试球形氧化铝成分；
采用激光粒度仪测试球形氧化铝的粒度；
采用比表面积测试仪测试球形氧化铝的比表面积；
采用比重仪测试球形氧化铝的比重；
采用导热测试仪测试使用产品球形氧化铝制作的导热片导热性能；
实施例以及对比例所用原料均为市售品。
实施例1
铝源选用氢氧化铝，采用粉体加去离子水化浆，用聚丙烯酸钠为分散剂，分散剂的含量为前述铝源质量的1.1wt％，边搅拌边加入，选用聚丙烯酸酯粘结剂(重均分子量为7000)，含量为前述铝源质量的1.3wt％，选用有机聚醚酯消泡剂，含量为前述铝源质量的0.35wt％，选用氧化镁助烧剂，含量为前述铝源质量的1.2wt％，边搅拌边加入搅拌30分钟，最终浆液的铝源的固含量为48wt％，搅拌均匀后进行造粒。
喷雾造粒方法为压力式喷雾造粒，进口温度230℃，出口温度110℃，空气压力在0.55MPa，负压采用中档控制，造粒制得球形氧化铝A1，其性能如表1所示，由图1所示的扫描电子显微镜照片可以看出，球形氧化铝A1的球形度、形态良好，无明显气孔，表面致密。
实施例2
铝原料选用氢氧化铝，采用粉体加去离子水化浆，用聚丙烯酸乙酯为分散剂，分散剂的含量为前述铝原料质量的0.8wt％，边搅拌边加入，选用聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂(重均分子量为10000)，含量为前述铝原料质量的1.2wt％，选用聚丙二醇消泡剂，含量为前述铝原料质量的0.25wt％，选用氧化钙助烧剂，含量为前述铝原料质量的1wt％，边搅拌边加入搅拌30分钟，最终浆液的铝原料固体含量为43wt％，搅拌均匀后进行造粒。
喷雾造粒方法为压力式喷雾造粒，进口温度250℃，出口温度106℃，空气压力在0.58MPa，负压采用中档控制，造粒制得球形氧化铝A2，其性能如表1所示，用电镜观察球形度，形态良好，无明显气孔，表面致密。
实施例3
铝原料选用氧化铝，采用粉体加去离子水化浆，用草酸钠为分散剂，分散剂的含量为前述铝原料质量的0.92wt％，边搅拌边加入，选用丁苯橡胶粘结剂(重均分子量为179000)，含量为前述铝原料质量的1.15wt％，选用乙二醇消泡剂，含量为前述铝原料质量的0.28wt％，选用氧化硅助烧剂，含量为前述铝原料质量的1.5wt％，边搅拌边加入搅拌30分钟，最终浆液的铝原料固体含量为52wt％，搅拌均匀后进行造粒。
喷雾造粒方法为离心式喷雾造粒，进口温度230℃，出口温度112℃，空气压力在0.25MPa，进料速度56ml/min，转速18000rpm，造粒制得球形氧化铝A3，其性能如表1所示，由图2所示的扫描电子显微镜照片可以看出，球形氧化铝A3的球形度，形态良好，无明显气孔，表面致密。
实施例4
按照实施例1的方法制备球形氧化铝，不同的是，用聚丙烯酸钠为分散剂，分散剂的含量为前述铝源质量的0.08wt％，边搅拌边加入，选用聚丙烯酸酯粘结剂(重均分子量为8500)，含量为前述铝源质量的1.75wt％，选用有机聚醚酯消泡剂，含量为前述铝源质量的0.76wt％，选用氧化镁助烧剂，含量为前述铝源质量的2.9wt％，边搅拌边加入搅拌30分钟，最终浆液的铝源的固含量为48wt％，搅拌均匀后进行造粒。制得球形氧化铝A4，结果如表1所示。
实施例5
按照实施例1的方法制备球形氧化铝，不同的是：用聚丙烯酸钠为分散剂，分散剂的含量为前述铝源质量的0.05wt％，边搅拌边加入，选用聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂(重均分子量为15000)，含量为前述铝源质量的1.1wt％，选用水性有机硅消泡剂，含量为前述铝源质量的0.06wt％，选用氧化镁助烧剂，含量为前述铝源质量的2.5wt％，边搅拌边加入搅拌30分钟，最终浆液的铝源的固含量为43.5wt％，搅拌均匀后进行造粒。制得球形氧化铝A5，结果如表1所示。
实施例6
按照实施例1的方法球形氧化铝，不同的是：用六偏磷酸钠为分散剂，分散剂的含量为前述铝源质量的1.1wt％，边搅拌边加入，选用甲基纤维素粘结剂(重均分子量为150000)，含量为前述铝源质量的1.3wt％，选用有机硅树脂消泡剂，含量为前述铝源质量的0.35wt％，选用锂钛硅助烧剂，含量为前述铝源质量的1.2wt％，边搅拌边加入搅拌30分钟，最终浆液的铝源的固含量为48wt％，搅拌均匀后进行造粒。制得球形氧化铝A6，结果如表1所示。
实施例7
按照实施例1的方法球形氧化铝，不同的是：用水玻璃分散剂，分散剂的含量为前述铝源质量的1.1wt％，边搅拌边加入，选用糊精粘结剂(重均分子量为504)，含量为前述铝源质量的1.3wt％，选用油酸消泡剂，含量为前述铝源质量的0.35wt％，选用钛硼助烧剂，含量为前述铝源质量的1.2wt％，边搅拌边加入搅拌30分钟，最终浆液的铝源的固含量为48wt％，搅拌均匀后进行造粒。制得球形氧化铝A7，结果如表1所示。
对比例1
按照实施例1的方法制备球形氧化铝，不同的是，采用熔融烧结法制备球形氧化铝D1，氧气流量为1.6m3/h，惰性气体流量为1.4m3/h，氢燃料流量为0.8m3/h，1.5微米氧化铝粉体流量为3.1kg/h，炉膛温度控制在1480-1560℃，制得球形氧化铝D1，其性能如表1所示。由图3所示的扫描电子显微镜照片可以看出，球形氧化铝D1的球形度不是很好，部分表面存在未熔融留下的裂纹。
选用粒度为40微米作为有机硅散热粘结剂用填充剂，填充率60％，固化成胶片，厚度5mm，尺寸120×120mm，测试导热系数为1.02w/m·K。结果如表1、图3所示。
测试例
将实施例1-7以及对比例1所提供的球形氧化铝A1-A7以及球形氧化铝D1作为填充剂添加至有机硅散热粘结剂中，填充率为60wt％，将所述有机硅散热粘结剂在85℃、12h的条件下，固化成厚度为5mm，尺寸为120×120mm的胶片，经测试，胶片的导热系数如表2所示。
表1
表2
通过表1的结果可以看出，从比重、比表面积和松装堆积密度等性能指标来看，采用本发明实施例所提供的球形氧化铝具有比重、松装堆积密度大、比表面积小明显更好的特点。
通过表2可以看出，将本发明所提供的球形氧化铝作为填充剂时，能够显著改善有机硅散热粘结剂的导热性能。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
