氧化鋁粉體具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在陶瓷、電子、半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、催化等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用；特別是球形氧化鋁粉體，具有規(guī)則的形貌，應(yīng)力應(yīng)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(tài)來提高產(chǎn)品性能。不過，傳統(tǒng)制備方法（如溶膠-凝膠法、模板法）常面臨工藝復(fù)雜、成本高昂或結(jié)構(gòu)均一性差等問題，限制了其規(guī)模化生產(chǎn)。而噴霧干燥技術(shù)作為制備氧化鋁微球的有效方法之一，除了具有連續(xù)化、耗時(shí)短、產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定等突出優(yōu)勢，還通過精準(zhǔn)控制前驅(qū)體溶液的霧化與干燥動力學(xué)，還可實(shí)現(xiàn)氧化鋁微球結(jié)構(gòu)（實(shí)心、空心或者多孔）的靈活調(diào)控，來滿足氧化鋁微球在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，近年來得到了越來越多的重視。本文將從噴霧干燥技術(shù)的原理出發(fā)，看看如何利用噴霧干燥法調(diào)控球形氧化鋁的結(jié)構(gòu)。

（來源：網(wǎng)絡(luò)）

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(jìn)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(xì)小的霧滴狀，且具有很大的比表面積，經(jīng)過干燥之后使得霧滴水分蒸發(fā)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(nèi)錐形部分的底部被收集，而顆粒較細(xì)的粉體隨熱風(fēng)進(jìn)入旋風(fēng)分離器，在分離器內(nèi)被收集。

在這一過程中，各個(gè)工藝參數(shù)的相互作用直接決定了溶質(zhì)遷移路徑、溶劑蒸發(fā)速率以及最終顆粒的形貌特征，因此要實(shí)現(xiàn)對球形氧化鋁的微觀結(jié)構(gòu)（實(shí)心、空心或多孔）調(diào)控，本質(zhì)上依賴于對原料配比、干燥動力學(xué)及后處理?xiàng)l件的多維度協(xié)同設(shè)計(jì)。

1、從原料配制上

在電子封裝、高溫耐火、研磨拋光、導(dǎo)熱、材料增強(qiáng)等領(lǐng)域中，氧化鋁通常需要制成實(shí)心氧化鋁微球來提升填充性能以更好地發(fā)揮作用。而要實(shí)現(xiàn)實(shí)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(fā)與收縮過程中的內(nèi)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(jié)劑、填充劑、分散劑等組成，在配置時(shí)，可通過調(diào)整其組成實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制：

（1）固含量對于氧化鋁微球結(jié)構(gòu)的調(diào)控尤為關(guān)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(zhì)可以充分填充于液滴內(nèi)部，干燥時(shí)顆粒內(nèi)部不會留下明顯的空隙，更有利于形成均質(zhì)的實(shí)心球體；而低濃度的漿料因溶質(zhì)含量有限，更容易先在表面固化形成半透層，隨后液滴內(nèi)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(nèi)，最終形成單一空腔結(jié)構(gòu)，不過，固含量過低，則會在冷卻過程中，引起坯體內(nèi)部熱空氣收縮，導(dǎo)致表面殼層顆粒向內(nèi)部坍塌，最終形成“蘋果球”。

（2）引入功能性添加劑是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)精細(xì)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(jié)劑等均勻懸浮，保證霧化液滴的均勻性，最終有助于實(shí)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(tuán)的表面活性劑（如聚乙二醇等）添加于低固含量漿料中時(shí)，也可以增加顆粒的分散性的同時(shí)降低細(xì)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(jié)可以達(dá)到最佳的表面致密化效果。而造孔劑則可以在高溫加熱時(shí)分解產(chǎn)成氣體，在顆粒中留下小孔，從而獲得具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁微球。

2、工藝過程調(diào)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(jié)構(gòu)的控制更主要是對干燥過程的控制。當(dāng)霧化后的霧滴與干燥室內(nèi)的熱空氣接觸后，熱量從熱空氣向液滴內(nèi)部傳遞的傳熱過程及水分由液滴內(nèi)部向液滴表面擴(kuò)散并向干燥熱空氣蒸發(fā)的傳質(zhì)過程共同決定了產(chǎn)品顆粒的粒徑及形貌。

霧滴的干燥過程可以分為兩個(gè)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(nèi)部水分含量較高，水分在霧滴內(nèi)部的擴(kuò)散速率大于霧滴表面水分的蒸發(fā)速率，液滴內(nèi)部不斷的有非結(jié)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(dá)到平衡。

當(dāng)液滴內(nèi)部遷移到表面的水分開始不再維持其飽和的濕潤狀態(tài)時(shí)，霧滴進(jìn)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(fā)，此過程的干燥速率下降的很快，同時(shí)物料表面的溫度將逐步上升，此時(shí)，顆粒內(nèi)部的殘余水分可在殘留水分在毛細(xì)管力的作用下，通過氧化鋁微粒間的微細(xì)孔隙移動至液滴表面，并向干燥室內(nèi)的熱空氣蒸發(fā)，最終成球。

從這兩個(gè)階段來看，對球形顆粒結(jié)構(gòu)的控制與干燥溫度有著密切的關(guān)系。如果干燥溫度較低，恒速干燥速率較慢，會導(dǎo)致降速干燥階段被殘留的水分較多，水分?jǐn)U散蒸發(fā)后，氧化鋁粉體遷移至殼壁內(nèi)，會使顆粒中心產(chǎn)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(shí)霧滴中殘留并水分不多，水分干燥后，顆粒內(nèi)部不會留下明顯的空隙，于是形成實(shí)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(jīng)在顆粒內(nèi)部汽化，則霧滴在蒸汽作用下會發(fā)生體積膨脹，并從球形氧化鋁外殼的薄弱處噴發(fā)出，造成塌陷。

空心顆粒的形成

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

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參考文獻(xiàn)：

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(xué).

2、李保強(qiáng),金化成,丁飛,等.二氧化鋯空心微球制備技術(shù)的主要進(jìn)展[J].過程工程學(xué)報(bào).