Hydrát a trihydrát oxidu hlinitého

Hliník má složité chemické složení, včetně různých polymorfů, které lze tepelnou transformací přeměnit na formy s vysokým povrchem, jako je tomu například u boehmitu a bayeritu.

Tepelným rozkladem vznikají lamelární nebo vláknité g-Al2O3, jejichž morfologie závisí na výchozím materiálu použitém k jejich vytvoření.

Zpomalovač hoření

Hydrát oxidu hlinitého (Al(OH)3) je bílá, jemně práškovitá látka s chemickým vzorcem Al(OH)3. Vyrábí se Bayerovým procesem z bauxitové rudy, je bez zápachu a chuti a má nízkou rozpustnost a tepelnou stabilitu, což z něj činí mimořádně univerzální surovinu s mnoha aplikacemi v mnoha průmyslových odvětvích jako zdroj Al2O3.

Gibbsit (-Al(OH)3), bayerit (-Al(OH)3), doyleit a nordstrandit jsou čtyři polymorfy trihydroxidu hlinitého Al(OH)3, které se obvykle vyskytují v přírodě; všechny jsou si příbuzné a mají podobnou strukturu; jejich morfologie se však výrazně liší a ovlivňuje jejich vlastnosti, přičemž jejich viskozita se liší v závislosti na distribuci velikosti částic; jejich morfologii však lze řídit tepelným zpracováním, aby se dosáhlo specifické viskozity pro konkrétní aplikace.

Schopnost hydrátu oxidu hlinitého zpomalovat hoření spočívá v jeho schopnosti uvolňovat vodní páru při zvýšených teplotách, čímž ochlazuje materiály, ředí hořlavé plyny a zpomaluje šíření požáru. Toho je dosaženo vytvořením bariéry zachycující kyslík a další hořlavé plyny, což těmto molekulám ztěžuje přístup k povrchu a jeho hoření.

Hydráty oxidu hlinitého mají velmi nízkou absorpci kyslíku a vysokou reaktivitu s různými plyny, jako je oxid siřičitý, sirovodík, oxid uhelnatý a oxidy dusíku. Díky těmto vlastnostem mohou sloužit jako ideální náhrada oxidu siřičitého v mnoha aplikacích, jako je pyrotechnika a výbojky.

Hydráty oxidu hlinitého se používají jako prekurzory pro výrobu aktivovaného oxidu hlinitého (AA). Aktivovaný oxid hlinitý je průmyslový výrobek vyráběný tepelným rozkladem hydroxidů a oxihydroxidů oxidu hlinitého. Nachází uplatnění v různých průmyslových odvětvích, zejména v papírenském průmyslu jako plnidlo pigmentu nebo nátěrového pigmentu a ve farmaceutickém průmyslu jako pomocná látka; různé techniky přípravy vedou k různým druhům porézního oxidu hlinitého s jedinečnými vlastnostmi a možnostmi využití; např. kalcinací bayeritu vznikají spinelové roviny (111), zatímco kalcinací Al(OH)3 vznikají šestikoordinované ionty Al3+.

Přípravek proti kouření

Díky nízkému bodu tání má oxid hlinitý vynikající vlastnosti zpomalující hoření. Může pomoci zabránit šíření plamene v plastových materiálech nebo chránit místa náchylná k poškození ohněm před dalším šířením. Kromě toho je oxid hlinitý díky svým schopnostem pohlcovat oleje vhodný jako prostředek proti plamenům s uhlovodíky; navíc se stal neocenitelným jako přísada do maziv, aby se zabránilo degradaci strojů.

Hliník je hojný přírodní minerál, který se vyrábí jako konečný produkt Bayerova procesu získávání hliníku z bauxitu, obvykle srážením rozpustných hydroxidů hliníku z vody nebo reakcí trihydrátu hliníku s hydroxidy alkalických kovů za vzniku boehmitu, extrémně metastabilní a špatně krystalizující látky s ionty Al3+ obklopujícími mikroporézní oxyhydroxidy v alkalickém prostředí (31). 27Al MAS NMR ukazuje více koordinačních úrovní mezi Al3 + a Al3 + s několika koordinačními vzory (31); plocha BET g-Al2O3 je přibližně 275 m2g-1 (41).

Tepelně rozložený oxid hlinitý může mít podobu různých polymorfů. Běžnými příklady jsou gibbsit (také hydrargilit) a bayerit, oba vyráběné Bayerovým procesem; nordstrandit se vyskytuje jako součást severoamerických ložisek bauxitu; gibbsit se často používá pro keramické glazury, zatímco nordstrandit lze nalézt ve smaltech a kamenině.

Srážení spočívá v přeměně gelů gibsitu a pseudoboehmitu na boehmit pomocí řízeného tlaku vodní páry, když teplota klesne pod 80 stupňů C; pak se jejich forma vrátí zpět do původní formy hydroxidů oxidu hlinitého, které se snadněji rozpouštějí ve vodě; tím se disociují na taveninu a vzniká snadno rozpustný oxid hlinitý, který se s časem nebo vyšší teplotou rozpouští snadněji (60). Při vyšších teplotách nebo za přísnějších podmínek stárnutí se tento oxid hlinitý může nakonec přeměnit na dobře krystalizovaný boehmit (60).

Výplň

Trihydrát oxidu hlinitého, běžně označovaný jako kalcinovaný oxid hlinitý a hydroxid hlinitý, je mimořádně univerzální plnivo. V plastových aplikacích slouží ke zvýšení nehořlavosti a mechanických a tepelných vlastností různých polymerů; jeho všestrannost se jako plnivo dobře uplatňuje také ve skle, keramice a papíru. Výrobci papíru jej dále používají jako nátěrový pigment a ke zvýšení neprůhlednosti a jasu různých papírů; jeho alkalická povaha mu také pomáhá v některých aplikacích při úpravě vody.

Hydratovaný oxid hlinitý je díky své vysoké reaktivitě vynikající surovinou pro výrobu keramických těles a glazur a často slouží jako ekonomická náhrada přírodních surovin, jako je živec a křemen. Je k dispozici v suché i mokré formě a lze jej rozemlít na částice s různou distribucí velikosti ve fluidních energetických mlýnech nebo v kulových mlýnech s keramickou výstelkou.

Rozemletý hydrát oxidu hlinitého přidaný do glazury nebo skleněné taveniny se rychle rozkládá na oxid hlinitý a molekuly vody prostřednictvím exotermické endotermické reakce, což tomuto materiálu propůjčuje vlastní nehořlavost a během této reakce vzniká nekorozivní a nejedovatý kouř.

Aby trihydrát oxidu hlinitého účinně fungoval jako zpomalovač hoření, musí být vystaven teplotám vyšším než 220 °C. Při zahřátí na tuto úroveň se 3 molekuly vody na molekulu oxidu hlinitého odpaří do taveniny glazury ve formě páry. Tento rozklad hydrátu oxidu hlinitého mu zajišťuje charakteristickou úroveň zpomalení hoření, která se u jiných plniv nevyskytuje.

Přídavek hydrátu oxidu hlinitého do glazur a skel může zvýšit neprůhlednost tím, že v tavenině glazury vytváří plynové bubliny, které pomáhají snížit smršťování při výpalu a zároveň vytvářejí lesklý povrch a zajišťují nízkou míru smršťování při výpalu. Kromě toho je ideální volbou pro výrobu glazur, které vyžadují nízkou míru smrštění při sušení.

Catalyst

Hydrát oxidu hlinitého je vynikající katalyzátor, který vytváří plynové bubliny v glazurách a emailech a zvyšuje tak jejich kryvost Bayerovým procesem. Nejenže není toxický a má nízkou smršťovací schopnost při výpalu, ale je také cenově výhodný, snadno se s ním manipuluje, je ekonomický a má velký povrch - což nejsou špatné vlastnosti pro průmyslový materiál, jehož roční produkce dosahuje přibližně 100 milionů tun! Takto vyrobený trihydrát oxidu hlinitého se rozemílá buď na bezvodou, nebo kalcinovanou formu pro použití jako integrální složka.

Existují různé polymorfy oxidu hlinitého, z nichž každý má odlišné vlastnosti způsobené různým pořadím stohování, geometrií mezivrstvových a vnitrovrstvových vodíkových vazeb a substitučními vzorci hydroxylových skupin na okrajových oktaedrech Al(OH)6. Přesto jejich termodynamická stabilita zůstává podobná - existence může spíše záviset na kinetice než na termodynamických vlastnostech tohoto materiálu.

Mikroporézní gibbsitové gely oxidu hlinitého (pseudoboehmit a boehmit) lze vytvořit pečlivým řízením procesů gelace/flokulace, stárnutí a sušení. Namáčení gelů ve vodě však vede k nenapravitelné ztrátě plochy BET a přeměně na neporézní bayerit.

Výsledkem plamenové hydrolýzy chloridu hlinitého při vysokých teplotách je jemný prášek g-Al2O3 o průměrné velikosti částic 10 nm a povrchu 130 m2g-1. Částice oxidu hlinitého mají obvykle spinelovou mřížku, ačkoli mohou být přítomny i hexagonální nebo kubické krystaly s těsným uspořádáním.

Hydrát oxidu hlinitého je jedním z nejstabilnějších a nejrozšířenějších materiálů z oxidu hlinitého, který se vyznačuje vysokým povrchem a nízkou mírou smrštění při výpalu, díky čemuž je vhodný pro celou řadu aplikací. Kromě toho je díky svým antikorozním vlastnostem a zpomalování hoření vhodný jako zpomalovač hoření; probíhá výzkum antikorozních vlastností a jeho částice se také osvědčily jako autokatalyzátory a součásti palivových článků díky objevům, které odhalily, jak částice oxidu hlinitého reagují s vodou a vytvářejí proudy plynu bohaté na vodík, které lze následně spalovat jako palivo pro automobily a trysková letadla!