Υδρική και τριυδρική αλουμίνα

Η αλουμίνα έχει πολύπλοκη χημική σύσταση, συμπεριλαμβανομένων διαφόρων πολυμορφών που μπορούν να μετατραπούν σε μορφές με μεγάλη επιφάνεια μέσω θερμικών διεργασιών μετασχηματισμού, όπως αυτές που παρατηρούνται με τον μποεμίτη και τον βαγιερίτη.

Η θερμική αποσύνθεση παράγει ελασματοειδές ή ινώδες g-Al2O3, με τις αντίστοιχες μορφολογίες τους να εξαρτώνται από το αρχικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τους.

Επιβραδυντικό φλόγας

Η ένυδρη αλουμίνα (Al(OH)3) είναι μια λευκή, λεπτόκοκκη ουσία με χημικό τύπο Al(OH)3. Παράγεται μέσω της διαδικασίας Bayer από το μετάλλευμα του βωξίτη, δεν έχει οσμή ή γεύση και έχει χαμηλή διαλυτότητα και θερμική σταθερότητα, καθιστώντας το μια εξαιρετικά ευέλικτη πρώτη ύλη με πολλές εφαρμογές σε πολλές βιομηχανίες ως πηγή Al2O3.

Gibbsite (-Al(OH)3), bayerite (-Al(OH)3), doyleite, και nordstrandite είναι τα τέσσερα πολυμορφήματα του τριυδροξειδίου της αλουμίνας Al(OH)3 που απαντώνται συνήθως στη φύση- όλα είναι συγγενικά και μοιράζονται παρόμοιες δομές- ωστόσο η μορφολογία τους διαφέρει σημαντικά και επηρεάζει τις ιδιότητές τους, με διαφορετικά ιξώδη ανάλογα με την κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων- ωστόσο η μορφολογία τους μπορεί να ελεγχθεί μέσω θερμικής επεξεργασίας για την επίτευξη συγκεκριμένων ιξωδών για συγκεκριμένες εφαρμογές.

Οι ικανότητες επιβράδυνσης φλόγας της ένυδρης αλουμίνας βασίζονται στην ικανότητά της να απελευθερώνει υδρατμούς σε υψηλές θερμοκρασίες, ψύχοντας έτσι τα υλικά, αραιώνοντας τα εύφλεκτα αέρια και επιβραδύνοντας την εξάπλωση της πυρκαγιάς. Αυτό επιτυγχάνεται με τη δημιουργία ενός φραγμού παγίδευσης οξυγόνου και άλλων εύφλεκτων αερίων, καθιστώντας πιο δύσκολο για τα μόρια αυτά να φτάσουν στην επιφάνεια και να την κάψουν.

Οι υδρίτες αλουμίνας έχουν πολύ χαμηλή πρόσληψη οξυγόνου και υψηλή αντιδραστικότητα με διάφορα αέρια, όπως διοξείδιο του θείου, υδρόθειο, μονοξείδιο του άνθρακα και οξείδια του αζώτου. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών μπορούν να χρησιμεύσουν ως ιδανικό υποκατάστατο του οξειδίου του θείου σε πολλές εφαρμογές, όπως τα πυροτεχνήματα και οι λαμπτήρες εκκένωσης αερίου.

Οι ενυδρίτες αλουμίνας χρησιμοποιούνται ως πρόδρομες ουσίες για την παραγωγή ενεργοποιημένης αλουμίνας (ΑΑ). Η ενεργοποιημένη αλουμίνα είναι ένα βιομηχανικό προϊόν που παράγεται με θερμική αποσύνθεση υδροξειδίων και οξυϋδροξειδίων της αλουμίνας. Βρίσκει εφαρµογές σε διάφορες βιοµηχανίες, ιδίως στο χαρτί ως χρωστική ουσία πλήρωσης ή επίστρωσης και στα φαρµακευτικά προϊόντα ως έκδοχο- διάφορες τεχνικές παρασκευής οδηγούν σε διαφορετικά είδη πορώδους αλουµίνας µε µοναδικά χαρακτηριστικά και δυνατότητες εφαρµογών- για παράδειγµα, η πύρωση του βαγιερίτη παράγει επίπεδα (111) σπινελίου, ενώ η πύρωση του Al(OH)3 παράγει εξασυντονισµένα ιόντα Al3+.

Κατασταλτικό κατά του καπνού

Λόγω του χαμηλού σημείου τήξης της, η αλουμίνα διαθέτει εξαιρετικές ιδιότητες επιβράδυνσης της φλόγας. Μπορεί να συμβάλει στην πρόληψη της εξάπλωσης της φλόγας σε πλαστικά υλικά ή να προστατεύσει περιοχές ευάλωτες σε ζημιές από πυρκαγιά από την περαιτέρω εξάπλωση. Επιπλέον, οι ικανότητες απορρόφησης πετρελαίου της αλουμίνας την καθιστούν κατάλληλη ως απορρόφηση από τις φλόγες που περιέχουν υδρογονάνθρακες- επιπλέον έχει γίνει ανεκτίμητη ως πρόσθετο στα λιπαντικά για την αποφυγή της υποβάθμισης των μηχανημάτων.

Η αλουμίνα είναι ένα άφθονο φυσικό ορυκτό που παράγεται ως το τελικό προϊόν της διαδικασίας Bayer για την εξόρυξη αλουμινίου από βωξίτη, συνήθως με την καταβύθιση διαλυτών υδροξειδίων του αλουμινίου από το νερό ή με την αντίδραση τριϋδρικής αλουμίνας με υδροξείδια αλκαλίων μετάλλων για το σχηματισμό μποεμίτη, μιας εξαιρετικά μετασταθούς και ελάχιστα κρυσταλλωμένης ουσίας με ιόντα Al3 + που περιβάλλουν μικροπορώδη οξυϋδροξείδια σε αλκαλικό μέσο (31). Το 27Al MAS NMR δείχνει πολλαπλά επίπεδα συντονισμού μεταξύ Al3 + και Al3 +, με διάφορα πρότυπα συντονισμού (31)- η επιφάνεια BET του g-Al2O3 είναι περίπου 275m2g-1 (41).

Η θερμικά αποσυντεθειμένη αλουμίνα μπορεί να λάβει τη μορφή διαφόρων πολυμορφών. Συνήθη παραδείγματα είναι ο γκιμπσίτης (επίσης υδροργιλίτης) και ο βαγιερίτης, που παράγονται και οι δύο μέσω της διαδικασίας Bayer- ο nordstrandite εμφανίζεται ως μέρος των βωξιτικών κοιτασμάτων της Βόρειας Αμερικής- ο γκιμπσίτης χρησιμοποιείται συχνά για εφαρμογές κεραμικών υαλωμάτων, ενώ ο nordstrandite μπορεί να βρεθεί σε σμάλτα και πέτρες.

Η καταβύθιση περιλαμβάνει τη μετατροπή των πηκτωμάτων γιββσίτη και ψευδοβοεμίτη σε βοεμίτη με τη χρήση ελεγχόμενης πίεσης υδρατμών, όταν οι θερμοκρασίες πέφτουν κάτω από τους 80 βαθμούς Κελσίου- στη συνέχεια, η μορφή τους επανέρχεται στην αρχική τους μορφή υδροξειδίων της αλουμίνας που διαλύονται ευκολότερα στο νερό- έτσι διαλύονται σε τήγμα για να δώσουν ευδιάλυτο οξείδιο της αλουμίνας που διαλύεται ευκολότερα με το χρόνο ή υψηλότερες θερμοκρασίες (60). Σε υψηλότερες θερμοκρασίες ή υπό αυστηρότερες συνθήκες γήρανσης, αυτό το οξείδιο της αλουμίνας μπορεί τελικά να μετατραπεί σε καλά κρυσταλλωμένο μποεμίτη (60).

Filler

Η τριϋδρική αλουμίνα, που συνήθως αναφέρεται ως πυρωμένη αλουμίνα και υδροξείδιο του αργιλίου, είναι ένα εξαιρετικά ευέλικτο πληρωτικό υλικό. Σε εφαρμογές πλαστικών χρησιμεύει για την ενίσχυση της επιβράδυνσης φλόγας καθώς και των μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων διαφόρων πολυμερών- η ευελιξία της προσφέρεται επίσης για εφαρμογές σε γυαλί, κεραμικά και χαρτί ως υλικό πλήρωσης. Επιπλέον, οι κατασκευαστές χαρτιού το χρησιμοποιούν ως χρωστική ουσία επικάλυψης και για την αύξηση της αδιαφάνειας και των επιπέδων φωτεινότητας σε διάφορα χαρτιά- η αλκαλική του φύση το βοηθά επίσης σε ορισμένες εφαρμογές επεξεργασίας νερού.

Η υψηλή αντιδραστικότητα της ενυδατωμένης αλουμίνας την καθιστά εξαιρετική πρώτη ύλη για την παραγωγή κεραμικών σωμάτων και υαλωμάτων, και συχνά λειτουργεί ως οικονομικό υποκατάστατο φυσικών πρώτων υλών όπως το άστριο και το διοξείδιο του πυριτίου. Διαθέσιμη τόσο σε υγρή όσο και σε ξηρή μορφή, η τελευταία μπορεί να αλεσθεί για την παραγωγή σωματιδίων μεταβλητής κατανομής μεγέθους σε μύλους ρευστής ενέργειας ή σε σφαιρόμυλους με κεραμική επένδυση.

Το ένυδρο αλεσμένο άλας αλουμίνας που προστίθεται στο υάλωμα ή στο τήγμα γυαλιού διασπάται γρήγορα σε οξείδιο του αλουμινίου και μόρια νερού μέσω μιας εξώθερμης ενδοθερμικής διαδικασίας αντίδρασης, προσδίδοντας στο υλικό αυτό εγγενείς ιδιότητες επιβράδυνσης της φλόγας και παράγοντας μη διαβρωτικό και μη δηλητηριώδη καπνό κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης.

Για να λειτουργήσει αποτελεσματικά ως επιβραδυντικό πυρκαγιάς η τριϋδρική αλουμίνα, πρέπει να εκτεθεί σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 220 βαθμούς Κελσίου. Όταν θερμαίνεται σε αυτό το επίπεδο, 3 μόρια νερού ανά μόριο αλουμίνας εξατμίζονται στο τήγμα του υαλώματος ως ατμός. Αυτή η αποσύνθεση της υδρικής αλουμίνας της παρέχει το χαρακτηριστικό επίπεδο επιβράδυνσης της φλόγας που δεν συναντάται αλλού σε πληρωτικά υλικά.

Η προσθήκη ένυδρης αλουμίνας σε υαλώματα και γυαλιά μπορεί να αυξήσει την αδιαφάνεια με τη δημιουργία φυσαλίδων αερίου μέσα στο τήγμα του υαλώματος, συμβάλλοντας στη μείωση της συρρίκνωσης κατά την όπτηση, ενώ παράλληλα παράγει γυαλιστερές επιφάνειες και παρέχει χαμηλά ποσοστά συρρίκνωσης κατά την όπτηση. Επιπλέον, αποτελεί ιδανική επιλογή για την παρασκευή υαλωμάτων που απαιτούν χαμηλά ποσοστά συρρίκνωσης κατά την ξήρανση.

Καταλύτης

Η ένυδρη αλουμίνα είναι ένας εξαιρετικός καταλύτης, ο οποίος δημιουργεί φυσαλίδες αερίου σε υαλώματα και σμάλτα για να αυξήσει την αδιαφάνεια με τη διαδικασία Bayer. Δεν είναι μόνο μη τοξικό και έχει χαμηλή συρρίκνωση κατά την όπτηση, αλλά είναι επίσης οικονομικά αποδοτικό, εύκολο στο χειρισμό, οικονομικό και έχει μεγάλη επιφάνεια - όχι κακές ιδιότητες για ένα βιομηχανικό υλικό με ετήσια παραγωγή που φτάνει περίπου τα 100 εκατομμύρια τόνους! Η τριυδρική αλουμίνα που παράγεται με αυτόν τον τρόπο αλέθεται είτε στην άνυδρη είτε στην πυρωμένη μορφή της για χρήση ως αναπόσπαστο συστατικό.

Υπάρχουν διάφορα πολυμορφήματα αλουμίνας που το καθένα έχει διαφορετικές ιδιότητες λόγω διαφορετικών αλληλουχιών στοίβαξης, γεωμετρίας δεσμών υδρογόνου μεταξύ και εντός των στρωμάτων και προτύπων υποκατάστασης των ομάδων υδροξυλίου στα οκτάεδρα Al(OH)6 που μοιράζονται στα άκρα. Ωστόσο, η θερμοδυναμική τους σταθερότητα παραμένει παρόμοια - μάλλον, η ύπαρξή τους μπορεί να εξαρτάται περισσότερο από την κινητική παρά από τις θερμοδυναμικές ιδιότητες του εν λόγω υλικού.

Μικροπορώδη πηκτώματα αλουμίνας (ψευδομποεμίτης και μποεμίτης) μπορούν να δημιουργηθούν μέσω προσεκτικής διαχείρισης των διεργασιών ζελατινοποίησης/κροκίδωσης, γήρανσης και ξήρανσης. Ωστόσο, η εμβάπτιση των πηκτωμάτων σε νερό οδηγεί σε ανεπανόρθωτη απώλεια της περιοχής BET και μετατροπή σε μη πορώδη μπαιμίτη.

Η υδρόλυση χλωριούχου αλουμίνας με φλόγα σε υψηλές θερμοκρασίες οδηγεί σε λεπτή σκόνη g-Al2O3 με μέσο μέγεθος σωματιδίων 10nm και επιφάνεια 130m2g-1. Τα σωματίδια αλουμίνας τείνουν να έχουν πλέγματα σπινέλιου, αν και μπορεί επίσης να υπάρχουν εξαγωνικοί ή κυβικοί στενά στοιβαγμένοι κρυσταλλίτες.

Η ένυδρη αλουμίνα είναι ένα από τα πιο σταθερά και ευρέως διαθέσιμα υλικά αλουμίνας, με μεγάλη επιφάνεια και χαμηλό ρυθμό συρρίκνωσης κατά την όπτηση, που την καθιστούν κατάλληλη για μια σειρά εφαρμογών. Επιπλέον, οι αντιδιαβρωτικές του ιδιότητες και οι ιδιότητες επιβράδυνσης της φλόγας το καθιστούν κατάλληλο ως επιβραδυντικό φλόγας- η έρευνα για την αντιδιαβρωτική προστασία βρίσκεται σε εξέλιξη και τα σωματίδιά του έχουν επίσης αποδειχθεί επιτυχημένα ως αυτοκαταλυτικοί μετατροπείς και συστατικά κυψελών καυσίμου χάρη στις ανακαλύψεις που αποκαλύπτουν πώς τα σωματίδια αλουμίνας αντιδρούν με το νερό για να δημιουργήσουν ρεύματα αερίου πλούσια σε υδρογόνο που μπορούν στη συνέχεια να καούν ως καύσιμο για αυτοκίνητα και αεροπλάνα!