Alumiinihydroksidi ja alumiinitrihydraatti

Alumiinioksidin kemiallinen koostumus on monimutkainen, ja siihen kuuluu erilaisia polymorfisia muotoja, jotka voidaan muuntaa suuren pinta-alan omaaviksi muodoiksi lämpömuuntumisprosesseissa, kuten böhmiitissä ja bayeriitissa.

Termisessä hajoamisessa syntyy lamellimaista tai kuitumaista g-Al2O3:a, joiden morfologia riippuu niiden valmistuksessa käytetystä lähtöaineesta.

Liekinkestävä

Alumiinihydraatti (Al(OH)3) on valkoinen, hienoksi jauhettu aine, jonka kemiallinen kaava on Al(OH)3. Sitä valmistetaan Bayer-prosessin avulla bauksiittimalmista, ja se on haju- ja mauton, vähän liukeneva ja lämpöstabiili, mikä tekee siitä erittäin monipuolisen raaka-aineen, jolla on monia käyttökohteita useilla teollisuudenaloilla Al2O3:n lähteenä.

Gibbsiitti (-Al(OH)3), bayeriitti (-Al(OH)3), doyleiitti ja nordstrandiitti ovat alumiinioksiditrihydroksidi Al(OH)3:n neljä polymorfia, joita tavallisesti tavataan luonnossa; kaikki ovat sukua toisilleen ja niillä on samankaltaiset rakenteet; niiden morfologiat eroavat kuitenkin merkittävästi toisistaan ja vaikuttavat niiden ominaisuuksiin, ja niiden viskositeetti vaihtelee hiukkaskokojakauman mukaan; niiden morfologioita voidaan kuitenkin hallita lämpökäsittelyllä, jotta saavutetaan tietty viskositeetti tiettyjä sovelluksia varten.

Alumiinihydraatin palonsuojaominaisuudet perustuvat sen kykyyn vapauttaa vesihöyryä korkeissa lämpötiloissa, mikä jäähdyttää materiaaleja, laimentaa palavia kaasuja ja hidastaa palon leviämistä. Tämä saavutetaan luomalla happea ja muita palavia kaasuja sitova este, joka vaikeuttaa näiden molekyylien pääsyä pintaan ja palamista.

Alumiinihydraattien hapenottokyky on hyvin alhainen ja niiden reaktiivisuus eri kaasujen, kuten rikkidioksidin, rikkivedyn, hiilimonoksidin ja typen oksidien kanssa on korkea. Näiden ominaisuuksien ansiosta ne voivat korvata rikkioksidia ihanteellisesti monissa sovelluksissa, kuten pyrotekniikassa ja kaasupurkauslampuissa.

Alumiinihydraatteja käytetään esiasteina aktivoidun alumiinioksidin (AA) valmistuksessa. Aktivoitu alumiinioksidi on teollisuustuote, joka valmistetaan alumiinioksidin hydroksidien ja oksyhydroksidien termisellä hajoamisella. Sitä käytetään useilla teollisuudenaloilla, erityisesti paperissa täyteaineena tai päällystyspigmenttinä ja lääkkeissä apuaineena. Erilaisilla valmistustekniikoilla saadaan erilaisia huokoisia alumiinioksideja, joilla on ainutlaatuiset ominaisuudet ja käyttömahdollisuudet; esimerkiksi bayeritea kalsinoimalla saadaan (111)-spinellitasoja, kun taas Al(OH)3:n kalsinoinnilla saadaan heksakoordinoidut Al3+-ionit.

Anti-Smoke Suppressant

Alhaisen sulamispisteensä ansiosta alumiinioksidilla on erinomaiset palonesto-ominaisuudet. Se voi auttaa estämään liekkien leviämistä muovimateriaaleissa tai suojaamaan palovaurioille alttiita alueita leviämiseltä. Lisäksi alumiinioksidin öljynimeytyskyky tekee siitä sopivan hiilivetypitoisten liekkien torjunta-aineen; lisäksi siitä on tullut korvaamaton lisäaine voiteluaineissa koneiden hajoamisen välttämiseksi.

Alumiinioksidi on runsaasti esiintyvä luonnonmineraali, jota tuotetaan lopputuotteena Bayer-prosessissa, jossa alumiinia uutetaan bauksiitista, yleensä saostamalla liukoisia alumiinihydroksideja vedestä tai reagoimalla alumiinioksiditrihydraatti alkalimetallihydroksidien kanssa muodostaen böhmiittia, joka on erittäin metastabiili ja huonosti kiteytynyt aine, jossa Al3+ -ionit ympäröivät mikrohuokoisia oksyhydroksideja emäksisessä väliaineessa (31). 27Al MAS NMR osoittaa, että Al3 + ja Al3 +:n välillä on useita koordinaatiotasoja, ja koordinaatiokuvioita on useita (31); g-Al2O3:n BET-pinta-ala on noin 275m2g-1 (41).

Termisesti hajonnut alumiinioksidi voi muodostua erilaisiksi polymorfoiksi. Yleisiä esimerkkejä ovat gibbsiitti (myös hydrargiliitti) ja bayeriitti, joita molempia tuotetaan Bayer-prosessin avulla; nordstrandiittia esiintyy osana Pohjois-Amerikan bauksiittiesiintymiä; gibbsiittia käytetään usein keraamisissa lasitussovelluksissa, kun taas nordstrandiittia voi esiintyä emaleissa ja kivitavaroissa.

Saostuksessa gibbsiitti- ja pseudoböhmiittigeelit muuttuvat boehmiitiksi hallitun vesihöyrynpaineen avulla, kun lämpötila laskee alle 80 celsiusasteen; sen jälkeen niiden muoto palautuu takaisin alkuperäiseen muotoonsa, alumiinioksidihydroksideihin, jotka liukenevat helpommin veteen; näin ollen ne dissosioituvat sulaksi, jolloin syntyy helppoliukoista alumiinioksidia, joka liukenee helpommin ajan kuluessa tai korkeammissa lämpötiloissa (60). Korkeammissa lämpötiloissa tai tiukemmissa vanhenemisolosuhteissa tämä alumiinioksidi voi lopulta muuttua hyvin kiteytyneeksi böhmiitiksi (60).

Täyteaine

Alumiinitrihydraatti, josta käytetään yleisesti nimitystä kalsinoitu alumiinioksidi ja alumiinihydroksidi, on erittäin monipuolinen täyteaine. Muovisovelluksissa sillä parannetaan eri polymeerien palonsuojausta sekä mekaanisia ja lämpöominaisuuksia; sen monipuolisuus soveltuu hyvin myös lasi-, keramiikka- ja paperisovelluksiin täyteaineena. Lisäksi paperinvalmistajat käyttävät sitä päällystyspigmenttinä ja eri papereiden opasiteetin ja kirkkauden lisäämiseen; sen emäksinen luonne auttaa sitä myös joissakin vedenkäsittelysovelluksissa.

Hydratoidun alumiinioksidin korkea reaktiivisuus tekee siitä erinomaisen raaka-aineen keraamisten massojen ja lasitteiden valmistukseen, ja se korvaa usein edullisesti luonnon raaka-aineita, kuten maasälpää ja piidioksidia. Alumiini on saatavana sekä märkä- että kuivamuodossa, ja se voidaan jauhaa vaihtelevan kokojakauman omaaviksi hiukkasiksi nestemäisellä energialla toimivissa myllyissä tai keraamisesti vuoratuissa kuulamyllyissä.

Lasitteeseen tai lasisulaan lisätty jauhettu alumiinihydraatti hajoaa nopeasti alumiinioksidiksi ja vesimolekyyleiksi eksotermisen endotermisen reaktioprosessin avulla, jolloin tämä materiaali saa luontaiset palonesto-ominaisuudet ja tuottaa reaktion aikana syövyttämätöntä ja myrkytöntä savua.

Jotta alumiinioksiditrihydraatti toimisi tehokkaasti palonestoaineena, sen on altistuttava yli 220 celsiusasteen lämpötiloille. Kun se kuumennetaan tälle tasolle, 3 vesimolekyyliä alumiinimolekyyliä kohti haihtuu höyrynä lasinsulaan. Tämä alumiinioksidihydraatin hajoaminen antaa sille sen erityisen palonestotason, jota ei löydy muualta täyteaineista.

Alumiinihydraatin lisääminen lasitteisiin ja laseihin voi lisätä peittävyyttä luomalla kaasukuplia lasitteen sulaan, mikä auttaa vähentämään polttokutistumaa ja tuottaa samalla kiiltäviä pintoja ja alhaisen polttokutistuman. Lisäksi se on ihanteellinen valinta valmistettaessa lasitteita, jotka vaativat alhaisia kuivauskutistumia.

Katalyytti

Alumiinihydraatti on erinomainen katalyytti, joka luo kaasukuplia lasitteisiin ja emaleihin ja lisää niiden peittävyyttä Bayer-prosessin avulla. Alumiini on myrkytöntä ja sen polttokutistuma on pieni, mutta se on myös kustannustehokasta, helppokäyttöistä, taloudellista ja sillä on suuri pinta-ala - ei huonoja ominaisuuksia teolliselle materiaalille, jonka vuosituotanto on noin 100 miljoonaa tonnia! Tällä tavoin tuotettu alumiinioksiditrihydraatti jauhetaan joko vedettömään tai kalsinoituun muotoonsa käytettäväksi ainesosana.

On olemassa erilaisia alumiinioksidin polymorfioita, joilla kullakin on erilaiset ominaisuudet, jotka johtuvat erilaisista pinoutumisjärjestyksistä, kerrosten välisestä ja kerrosten sisäisestä vetysidosgeometriasta ja Al(OH)6:n reunoja jakavien oktaedrien hydroksyyliryhmien substituutiomalleista. Niiden termodynaaminen stabiilisuus pysyy kuitenkin samanlaisena - pikemminkin niiden olemassaolo saattaa riippua enemmänkin kyseisen materiaalin kinetiikasta kuin termodynaamisista ominaisuuksista.

Mikrohuokoisia gibbsiitti-alumiinigeleitä (pseudoböhmiittiä ja boehmiittiä) voidaan valmistaa geelöitymis- ja flokkulaatioprosessien, ikääntymis- ja kuivausprosessien huolellisella hallinnalla. Geelien liottaminen vedessä johtaa kuitenkin BET-pinta-alan korjaamattomaan häviämiseen ja muuttumiseen ei-huokoiseksi baijeriitiksi.

Alumiinikloridin liekkihydrolyysistä korkeissa lämpötiloissa saadaan hienoa g-Al2O3-jauhetta, jonka keskimääräinen hiukkaskoko on 10 nm ja pinta-ala 130 m2g-1. Alumiinioksidihiukkasilla on yleensä spinelliristikot, vaikka niissä voi olla myös heksagonaalisia tai kuutiomaisia tiiviisti pakattuja kiteitä.

Alumiinihydraatti on yksi vakaimmista ja laajimmin saatavilla olevista alumiinioksidimateriaaleista, jolla on suuri pinta-ala ja alhainen polttokutistuma, minkä ansiosta se soveltuu useisiin sovelluksiin. Lisäksi sen korroosionesto-ominaisuudet ja palonesto-ominaisuudet tekevät siitä sopivan palonestoaineeksi; korroosionestotutkimus on käynnissä, ja sen hiukkaset ovat osoittautuneet menestyksekkäiksi myös autokatalyyttisinä konverttereina ja polttokennojen komponentteina, koska on tehty löydöksiä, jotka paljastavat, miten alumiinioksidihiukkaset reagoivat veden kanssa tuottaen vetypitoisia kaasuvirtauksia, joita voidaan sitten polttaa polttoaineena autoissa ja suihkukoneissa!