α相氧化铝（α-Al₂O₃）粉体具有出色的耐高温、化学稳定、电性能以及耐磨性的特点，是特种陶瓷、锂电隔膜涂覆、高端耐火、磨料模具以及光学和电子材料领域的工业关键基础原材料。不过，目前α-Al₂O₃一般采用拜耳法制备，在除去氧化铁和二氧化硅的过程中需用过量的氢氧化钠作为溶剂处理，不可避免的又会引入含量可高达0.5%或以上的Na₂O杂质，而Na₂O会与α-Al₂O₃结合生成而Na₂O·11Al₂O₃，直接影响氧化铝的物理和化学性能，成为制约5G通信陶瓷滤波器、高功率LED封装基板等高端应用的关键障碍，因此，深度除钠已成为高纯氧化铝制备的关键工艺环节。

钠杂质对氧化铝制品性质的影响

Na₂O在高温下（1400℃以上）煅烧时与Al₂O₃反应形成高铝酸纳Na₂O·11Al₂O₃，又称β-Al₂O₃，在高温下他的结构是稳定的，将与α-Al₂O₃共存，并使α-Al₂O₃一次晶体间形成位阻，影响氧化铝传质过程，抑制煅烧氧化铝的一次晶体生长，在煅烧过程中它大大降α-Al₂O₃的转化速度及转化率，从而对制品的机械性能、绝缘性能等产生影响。

1、机械性能降低

α-Al₂O₃结晶较高，属于三方晶系密排堆积结构，在该离子晶体结构中，氧离子和铝离子直接的键合作用强，晶格能大，因此硬度极高（莫氏硬度为9），仅次于金刚石，而β-Al₂O₃不是氧化铝的异构体，而是一种铝酸盐，属六方晶系，莫氏硬度仅为6-7，因此当Na2O含量较高导致β-Al₂O₃含量较高时，会对制品的机械性能产生一定的影响。

2、绝缘性能

在电子基板、电子导热硅胶、绝缘填料、电池材料等制品的生产中，通常要求作为填料的氧化铝具有很好的绝缘性能，以避免影响器件的电气性能，而β-Al₂O₃的层状结构中存在钠离子层，在可供钠离子迁徙的同时还可以进行电荷的传递，使得β-Al₂O₃具备优良的钠离子导电性及极小的电子导电性，作为填料会导致器件电气性能下降。

β-Al2O3的晶体结构

（图中A为Al³⁺，B为Na⁺，C为O^2-）

3、外观

除此之外，在制备氧化铝透明陶瓷时，由于β-Al₂O₃与α-Al₂O₃折射系数勋在较大差异，若采用Na₂O杂质含量较高的氧化铝粉体则会降低透明刚玉陶瓷的透光率。而在制备耐火材料时，由于β-Al₂O₃碱变体的密度和其向α--Al₂O₃转化的温度都低于刚玉密度和刚玉熔化温度，在高温下，β-Al₂O₃向α--Al₂O₃转化过程中的变化都会引起刚玉耐火制品的变形。

如何除钠？

在氧化铝中Na₂O有３种存在形式：一是附着于氧化铝表面的附着碱；二是硅酸钠结合碱；三是由于Na+取代氢氧化铝晶格中的氢，或氢氧化铝挟带的母液进入结晶集合体的空隙中而产生的晶格碱。目前针对这三种存在形式，主要有如下去除方式：

1、洗涤脱钠

洗涤法一般采用硫酸、纯水、热水等通过溶解、冲刷带走钠杂质，并一定程度降低二氧化硅及其它杂质含量。其中，由于硫酸等可与Na₂O发生中和反应，酸洗的脱钠效果比热水和纯水好，可以洗掉附碱和少量晶间碱，而热水洗和纯水洗只能去除附碱。

通常氧化铝的结晶状况和比表面积大小与洗涤效果有着直接关系。相比α相氧化铝，一些过渡相氧化铝的结晶程度较低，颗粒内部微孔裂缝较多，比表面积大，内部的包裹碱暴露更充分，且化学性质活泼，采用水洗法脱钠效果较好，因此在水洗前可通过过预焙烧寻找内表面最大的氧化铝来增加氧化铝的内表面积以使晶间碱尽可能暴露出来，以此提升脱钠效果

2、水热法

水热法脱钠是指将拜耳法生产的三水铝石置于高压釜中进行热处理，三水铝石在高温高压下发生氢键断裂、脱水和晶层破碎等后转化为一水软铝石，包裹碱和晶间碱随之被部分释放出来溶于水中，该过程中水热温度、水热时间、溶液pH等因素对除杂效果均有影响。该方法具有设备要求低、操作性强以及经济环保的优点，不过由于中间半成品是含水湿基物料，通常含水率较高，后期需要进一步的烘干，设备投入大，流程长，能耗高。

3、煅烧添加脱钠剂

在氧化铝煅烧过程中加入部分氟系、氯系和硼系添加剂如AlF₃、NH₄F、MgCl₂、NH₄Cl、H₃BO₃等作为脱钠剂能够有效去除氧化铝中的钠杂质。例如，MgCl₂在高温下能够把Na₂O置换出来生成NaCl蒸发进入气相而脱除，不过，该脱钠剂会同时生成MgO杂质进入晶格中与氧化铝结合。AlF₃、NH₄F以及MgF₂的脱钠机理则相似，都是利用在高温下分解出来的HF与Na₂O反应生成具有挥发性的NaF从而实现了钠含量的降低，但MgF₂使用时与MgCl₂一样也会生成MgO杂质。而H₃BO₃则是在一定温度下先分解出B₂O₃，然后B₂O₃与Na₂O反应生成在高温下具有挥发性的Na₃BO₃，不过HF与Na₂O的反应属于气-固反应，而B₂O₃与Na2O之间为固相反应，反应速率相对较慢，但相同用量下，其能够置换出更多的Na₂O，因此可以通过提高煅烧过程反应时间和煅烧温度来达到很好的脱钠效果。

AlF₃、NH₄F脱钠机理

H3BO3脱钠机理

MgF₂生成MaO杂质

煅烧过程添加H₃BO₃、AIF₃、NH₄F等脱钠剂的方法虽然操作简单，一般要在大剂量的添加剂用量情况下才能获得较好的效果，但这会造成生产成本增加、环境污染和设备腐蚀等问题。

小结

Na₂O含量是评价氧化铝产品质量的重要指标。大部分情况下，Na₂O对氧化铝材料的性能有着负面影响。目前主要有三种方式可以降低Na₂O杂质含量，其中，水热法能去除包裹碱和晶间碱，但设备投入大，流程长，能耗高。水洗法和添加剂法均具有操作简单的优点，但水洗法一般主要用于洗去附着碱，而添加剂法则需要大剂量使用，因此，可将上述脱钠方法联合使用实现氧化铝的深度脱钠。

参考文献：

1、周海萍.高导热Al2O3深度脱钠及其在制备过程中晶体生长控制研究[D].中南大学.

2、王哲.低钠微晶氧化铝粉体的制备工艺研究[J].世界有色金属.

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