專利名稱：：一種高純度電熔剛玉氧化鋁環(huán)氧澆注填料制備方法一種高純度電熔剛玉氧化鋁環(huán)氧澆注填料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電氣、電子領(lǐng)域絕緣封裝材料，涉及一種高純度電熔剛玉氧化鋁環(huán)氧澆注填料制備方法。
背景技術(shù)：
：環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，高的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱、耐化學(xué)腐蝕和良好的工藝性能，已成為電子、電氣工業(yè)中優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)的電工絕緣材料，廣泛應(yīng)用于電子、電氣元器件絕緣封裝及高壓開(kāi)關(guān)、干式變壓器、高壓電流互感器等高壓電器中絕緣件制備。近年來(lái)，隨著SF6電器產(chǎn)品，特別是全封閉SF6組合電器(GIS)的發(fā)展，對(duì)環(huán)氧澆注件的要求更加嚴(yán)格。要求環(huán)氧樹(shù)脂澆注件不僅具有高的電氣絕緣性能及高的機(jī)械強(qiáng)度，還需具有優(yōu)良的耐SF6分解氣體腐蝕的特性。為降低環(huán)氧樹(shù)脂固化收縮率，防止環(huán)氧樹(shù)脂固化開(kāi)裂，需在環(huán)氧樹(shù)脂澆注料中填加的無(wú)機(jī)填料。常用的是硅微粉和氧化鋁兩種填料。硅微粉填料的澆注工藝比較成熟，澆注質(zhì)量易保證，澆注制品的廢品率低。但是在充有SF6氣體的高壓設(shè)備中，SF6氣體在電弧放電時(shí)離解產(chǎn)生HF氣體，易與澆注件中Si02填料發(fā)生反應(yīng)，生成SiF4氣體后逸出，使?jié)沧⒓砻姘l(fā)生腐蝕，影響環(huán)氧澆注件絕緣性能，故Si02不能直接用作GIS中接觸SF6氣體的絕緣部件的填料。而氧化鋁(A1203)在酸性介質(zhì)中穩(wěn)定，不與HF及其他酸性分解物作用，在電弧放電中，仍具有良好的絕緣性能和機(jī)械性能，是用作GIS中絕緣部件的理想的填料。環(huán)氧澆注料中，氧化鋁填料的填充量是一個(gè)十分重要的指標(biāo)，氧化鋁填充量越大，熱傳導(dǎo)率越大，固化反應(yīng)的放熱越少，固化收縮越小，固化物的膨脹系數(shù)越小，環(huán)氧澆注件剛性強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定。早期我國(guó)環(huán)氧澆注使用的是普通工業(yè)氧化鋁，，Ab03不但填充量低，而且環(huán)氧澆注料起始粘度高，粘度增長(zhǎng)快，澆注困難，固化物的收縮性大，造成固化物的機(jī)械性能降低。a-Al203屬三方晶系，結(jié)構(gòu)最緊密，活性低，高溫穩(wěn)定。具有很好的介電性能及耐熱、耐腐蝕性能。采用0t-Al2O3作環(huán)氧澆注填料，其填充量大，澆注制品收縮小，強(qiáng)度高，性能穩(wěn)定。所以在SF6高壓電器中，絕緣件廣泛采用0t-Al2O3作為環(huán)氧樹(shù)脂澆注件填料。0t-Al2O3(氧化鋁)填料的生產(chǎn)方法有兩種，采用工業(yè)氧化鋁煅燒的燒結(jié)法及采用電熔剛玉法制造氧化鋁填料。燒結(jié)法A1203填料和電熔法A1203填料組織上最明顯的差別是結(jié)晶形態(tài)和顆粒球形度。燒結(jié)法Al203填料顆粒小于6pm顆粒大多為單晶，形狀對(duì)稱好，球形度高；而粒度較大的填料顆粒圖為多晶粒團(tuán)聚構(gòu)成，顆粒表面粗糙、晶粒間存在氣孔，球形度差，浸潤(rùn)填料所需環(huán)氧樹(shù)脂多，填充量低，難以形成大小合適的粒級(jí)配合。電熔法A1203填料顆粒均為單晶體，填料顆粒表面光滑平整，顆粒內(nèi)無(wú)氣泡，填料顆粒的比表面積小，浸潤(rùn)顆粒表面所需環(huán)氧樹(shù)脂量也少，可以采用多種粒級(jí)搭配，增加填料加入量。但電熔剛玉的品種較多，其主要來(lái)源于磨料工業(yè)，其中氧化鋁純度最高的是電熔白剛玉。電熔白剛玉的中A1203含量在99%以上，但磨料工業(yè)電熔剛玉中主要Na20雜質(zhì)量太高，達(dá)到0.5%以上，遠(yuǎn)高于環(huán)氧澆注氧化鋁填料Na20含量的標(biāo)準(zhǔn)，造成氧化鋁填料填加入量少，環(huán)氧澆注料的起始粘度高，可使用時(shí)間短，難以用于絕緣澆注材料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高純度電熔剛玉氧化鋁環(huán)氧澆注填料制備方法,該制備方法簡(jiǎn)單、且材料純度高，含Na20雜質(zhì)量少。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明釆用的技術(shù)方案為本發(fā)明在傳統(tǒng)磨料工業(yè)電熔剛玉制造方法基礎(chǔ)上，通過(guò)在剛玉冶煉過(guò)程加入可以和氧化鋁原料中Na20雜質(zhì)形成揮發(fā)物的添加劑的方法，除去Na20。工業(yè)化獲得高純度、低成本的電熔剛玉型氧化鋁填料。上述的添加劑為H3B03、NH4F或A1F3。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)如下本發(fā)明在傳統(tǒng)電熔剛玉冶煉過(guò)程中，通過(guò)生成揮發(fā)物的方法，直接將氧化鋁中Na20雜質(zhì)除去，解決傳統(tǒng)磨料工業(yè)電熔剛玉中Na20雜質(zhì)難以除去的問(wèn)題，低成本獲得高純度氧化鋁填料。通過(guò)熔融法獲得氧化鋁結(jié)晶，經(jīng)破碎后可以獲得寬粒度范圍氧化鋁填料顆粒，滿足不同顆粒粒級(jí)配合要求。通過(guò)改變添加劑加入量0.5~5wt%,可以將電熔剛玉氧化鋁中的Na20含量降低至0.2wt。/。以下，制得的氧化鋁填料加入量大，其環(huán)氧澆注料起始粘度低、可使時(shí)間長(zhǎng)，性能穩(wěn)定。添加劑與氧化鋁原料的混合越均勻，越有利于去除電熔剛玉中Na20雜質(zhì)，用水將添加劑溶解形成溶液，可以和工業(yè)氧化鋁原料充分混合，去除Na20作用更強(qiáng)。圖1是現(xiàn)有的電熔法工藝流程圖；圖2為電熔剛玉三相冶煉電弧爐結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為剛玉熔塊示意圖；圖4硼酸與氧化鋁顆粒固體粉末混合示意圖；圖5硼酸與氧化鋁顆粒水溶液混合示意圖；圖6為固體粉末法硼酸加入方式電熔氧化鋁X—射線相分析圖譜；圖7為水溶液硼酸加入方式電熔氧化鋁X—射線相分析圖譜。具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，圖1是現(xiàn)有的電熔法工藝流程圖；電熔法A1203填料顆粒均為單晶體，填料顆粒表面光滑平整，顆粒內(nèi)無(wú)氣泡，填料顆粒的比表面積小，浸潤(rùn)顆粒表面所需環(huán)氧樹(shù)脂量也少，可以采用多種粒級(jí)搭配，增加填料加入量。但電熔剛玉的品種較多，其主要來(lái)源于磨料工業(yè)，其中氧化鋁純度最高的是電熔白剛玉。電熔白剛玉的中六1203含量在99%以上，但磨料工業(yè)電熔剛玉中主要Na20雜質(zhì)量太高，達(dá)到0.5%以上，遠(yuǎn)高于環(huán)氧澆注氧化鋁填料Na20含量的標(biāo)準(zhǔn)，造成氧化鋁填料填加入量少，環(huán)氧澆注料的起始粘度高，可使用時(shí)間短，難以用于絕緣澆注材料。本發(fā)明技術(shù)方案是針對(duì)電熔剛玉型氧化鋁填料中Na20含量過(guò)高的問(wèn)題，采用在傳統(tǒng)磨料工業(yè)電熔剛玉制造方法基礎(chǔ)上，通過(guò)在剛玉冶煉過(guò)程加入可以和氧化鋁原料中Na20雜質(zhì)形成揮發(fā)物的添加劑的方法，除去Na20。工業(yè)化獲得高純度、低成本的電熔剛玉型氧化鋁填料。參見(jiàn)圖2，圖2為電熔剛玉三相冶煉電弧爐結(jié)構(gòu)示意圖；冶煉白剛玉時(shí)，電能由碳電極輸送到爐內(nèi)熔池，電弧產(chǎn)生高溫熔化氧化鋁爐料。冶煉過(guò)程是氧化鋁粉體熔化再結(jié)晶過(guò)程，無(wú)外加物。工業(yè)氧化鋁中Na20是由生產(chǎn)氧化鋁的原料鋁礬土中的偏鋁酸鈉帶來(lái)的，電熔冶煉過(guò)程中，Na20與A1203在熔融狀態(tài)下生成(3-Al203(Na2CHlA1203)，生成量隨著Na20含量增加而增大。本發(fā)明通過(guò)在氧化鋁原始料中加入添加劑，經(jīng)高溫熔煉反應(yīng)，與Na20作用生成可揮發(fā)性化合物，達(dá)到去除氧化鋁中Na20等堿金屬雜質(zhì)的目的。選用的添加劑為H3B03、NH4F、A1F3。其反應(yīng)方程式如下Na20+H3B03—Na2B204T+H20個(gè)Na20+NH4F—NaF個(gè)+H20+皿3個(gè)Na20+A1F3—NaFT+A1203其作用機(jī)理在于氧化鋁粉體內(nèi)的Na20可與硼酸反應(yīng)生成Na2B204而揮發(fā)掉。參見(jiàn)圖3，圖3為剛玉熔塊示意圖；熔煉爐內(nèi)位置同樣會(huì)影響電熔剛玉的純度，對(duì)電熔剛玉熔塊結(jié)晶不同部位取樣如圖lb所示，上部A位為疏松的多孔結(jié)構(gòu)，顏色較黑，含有大量P-Al203;中上部B和中下部C為大塊結(jié)晶，顏色較白，(3-^203含量極少；D為爐體邊緣結(jié)晶，E為爐底結(jié)晶，雜質(zhì)較多。本發(fā)明選用高純度C部位料塊制備氧化鋁填料。硼酸加入量影響除鈉效果，表1為在氧化鋁原料中加入硼酸量對(duì)電熔剛玉氧化鋁填料中Na20含量的影響。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>21.50.0533.0痕量由表l可以看出，氧化鋁原料中加入硼酸量較少的1#料，Na20含量高，選擇外加硼酸量為1.5%左右，可以較好達(dá)到除Na20效果。在氧化鋁料中加入過(guò)多硼酸，冶煉過(guò)程中由于硼酸在高溫下分解，釋放出水氣，易產(chǎn)生放炮現(xiàn)象，需將硼酸含量控制在5y。wt以內(nèi)。為防止放炮現(xiàn)象，冶煉前應(yīng)盡量將加入硼酸的氧化鋁料烘干，防止料層氣體過(guò)多，造成冶煉爐放炮現(xiàn)象。硼酸H2B03常溫下為固體粉末，可部分溶于水，由于吸潮，硼酸顆粒易形成團(tuán)粒，難以粉碎成細(xì)小分散顆粒。由于硼酸H2B03在工業(yè)氧化鋁中的加入量少，比重低于氧化鋁，采用攪拌機(jī)長(zhǎng)時(shí)間攪拌，直接將硼酸顆粒加入氧化鋁時(shí)，雖能提高硼酸在氧化鋁中的分散性，但不可能達(dá)到均勻混合。特別是硼酸不能進(jìn)入工業(yè)氧化鋁多孔球狀團(tuán)聚體內(nèi)，由于工業(yè)氧化鋁顆粒為由許多粒徑小于100nm的小晶體組成的多孔球狀團(tuán)聚體，平均顆粒大小為40~100拜，內(nèi)部氣孔占顆粒體積的25~30%，干法混料時(shí)，很難破壞這種多孔團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)的顆粒直接煅燒冶煉電熔氧化鋁，硼酸不能直接作用于工業(yè)氧化鋁團(tuán)聚體顆粒內(nèi)部，在高溫下硼酸易分解揮發(fā)，降低了硼酸除Na20效果。工業(yè)氧化鋁的細(xì)顆粒團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，每個(gè)團(tuán)聚體可包含多達(dá)106個(gè)小晶體，使其具有很大的比表面積，表面吸附能力很強(qiáng)。工業(yè)氧化鋁具有很強(qiáng)的吸水能力，利用此特點(diǎn)，我們采用將硼酸溶于去離子水中，將硼酸水溶液加入工業(yè)氧化鋁中，為保證吸附均勻充分，水溶液量為料重25%左右，恰好將氧化鋁粉末潤(rùn)濕，烘干后，將氧化鋁料用于熔煉。圖4為將硼酸顆粒攪拌加入氧化鋁顆粒示意圖，氧化鋁顆粒與硼酸顆粒接觸幾率小，不利于均勻除鈉。圖5為將硼酸以水溶液方式加入氧化鋁顆粒示意圖。以水溶液加入硼酸的方式，硼酸可以均勻分布于氧化鋁細(xì)小顆粒周圍。我們對(duì)比了兩種硼酸加入方式對(duì)冶煉電熔氧化鋁相組成的影響，硼酸加入量為氧化鋁料重的1.5%，X-射線相分析結(jié)果如圖6、7所示，圖中"為a-Al^3,-為P-aia?？梢钥闯觯趫D6采用固體粉末加入硼酸的方式，氧化鋁料中仍可見(jiàn)少量(3-八1203的衍射峰，而以水溶液加加入硼酸的方式，見(jiàn)圖7,氧化鋁料中^八1203的衍射峰己不明顯，這樣獲得的電熔剛玉氧化鋁填料純度高。權(quán)利要求1、一種高純度電熔剛玉氧化鋁環(huán)氧澆注填料制備方法，其特征在于本發(fā)明在電熔法冶煉電熔剛玉工藝步驟中，通過(guò)在工業(yè)氧化鋁原始料中加入添加劑，添加劑加入量為0.5～5wt％，經(jīng)高溫熔煉反應(yīng)，與Na2O作用生成可揮發(fā)性化合物，去除氧化鋁中Na2O堿金屬雜質(zhì)，獲得高純度的電熔剛玉型氧化鋁填料。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純度電熔剛玉氧化鋁環(huán)氧澆注填料制備方法，其特征在于所述的添加劑為H3B03、NH4F或A1F3。全文摘要本發(fā)明屬于電氣、電子領(lǐng)域絕緣封裝材料，涉及一種高純度電熔剛玉氧化鋁環(huán)氧澆注填料制備方法。采用在工業(yè)氧化鋁原料電熔冶煉過(guò)程中引入硼酸作為添加劑的方法，通過(guò)冶煉過(guò)程中硼酸與Na<sub>2</sub>O反應(yīng)，生成揮發(fā)物，大幅降低了電熔剛玉中的Na<sub>2</sub>O含量，硼酸加入量范圍為工業(yè)氧化鋁原料重量的0.5~5％wt，隨硼酸加入量增大，可以將電熔剛玉中有害雜質(zhì)Na<sub>2</sub>O含量降低。硼酸加入量為1.5％wt，可將電熔剛玉氧化鋁中Na<sub>2</sub>O含量降低至0.05％以下，工業(yè)化獲得高純度、低成本的電熔剛玉型氧化鋁填料。制得的電熔剛玉型氧化鋁填料加入量大，其環(huán)氧澆注料起始粘度低、可使時(shí)間長(zhǎng)，性能穩(wěn)定。文檔編號(hào)C01F7/00GK101544389SQ200910022158公開(kāi)日2009年9月30日申請(qǐng)日期2009年4月24日優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日發(fā)明者維陳,詮陳申請(qǐng)人:西安易升電子有限公司