Hydrate d'alumine et trihydrate d'alumine

L'alumine a une composition chimique complexe, comprenant divers polymorphes qui peuvent être convertis en formes à grande surface par des processus de transformation thermique tels que ceux observés avec la boehmite et la bayerite.

La décomposition thermique produit des g-Al2O3 lamellaires ou fibreux, dont les morphologies respectives dépendent du matériau de départ utilisé pour leur création.

Retardateur de flamme

L'hydrate d'alumine (Al(OH)3) est une substance blanche, finement pulvérisée, dont la formule chimique est Al(OH)3. Produit par le procédé Bayer à partir du minerai de bauxite, il n'a ni odeur ni goût et présente une faible solubilité et stabilité thermique, ce qui en fait une matière première extrêmement polyvalente avec de nombreuses applications dans de nombreuses industries en tant que source d'Al2O3.

La gibbsite (-Al(OH)3), la bayerite (-Al(OH)3), la doyleite et la nordstrandite sont les quatre polymorphes du trihydroxyde d'alumine Al(OH)3 que l'on trouve généralement dans la nature ; tous sont apparentés et partagent des structures similaires ; cependant, leurs morphologies diffèrent considérablement et influencent leurs propriétés, avec des viscosités différentes en fonction de la distribution de la taille des particules ; cependant, leurs morphologies peuvent être contrôlées par traitement thermique afin d'obtenir des viscosités spécifiques pour des applications spécifiques.

Les capacités ignifuges de l'hydrate d'alumine reposent sur sa capacité à libérer de la vapeur d'eau à des températures élevées, ce qui refroidit les matériaux, dilue les gaz inflammables et ralentit la propagation du feu. Pour ce faire, il crée une barrière qui retient l'oxygène et les autres gaz inflammables, ce qui rend plus difficile pour ces molécules d'atteindre la surface et de la brûler.

Les hydrates d'alumine ont une très faible absorption d'oxygène et une grande réactivité avec divers gaz, tels que le dioxyde de soufre, le sulfure d'hydrogène, le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote. Grâce à ces caractéristiques, ils peuvent servir de substitut idéal à l'oxyde de soufre dans de nombreuses applications telles que la pyrotechnie et les lampes à décharge.

Les hydrates d'alumine sont utilisés comme précurseurs pour produire de l'alumine activée (AA). L'alumine activée est un produit industriel fabriqué par décomposition thermique d'hydroxydes et d'oxyhydroxydes d'alumine. Elle trouve des applications dans toutes les industries, en particulier dans le secteur du papier en tant que pigment de remplissage ou de revêtement et dans le secteur pharmaceutique en tant qu'excipient ; diverses techniques de préparation permettent d'obtenir différents types d'alumine poreuse présentant des caractéristiques et des applications potentielles uniques ; par exemple, la calcination de la bayerite produit des plans de spinelle (111) tandis que la calcination de l'Al(OH)3 produit des ions Al3+ hexa-coordonnés.

Suppresseur de fumée

En raison de son faible point de fusion, l'alumine possède d'excellentes propriétés ignifuges. Elle peut contribuer à empêcher la propagation des flammes dans les matériaux plastiques ou à protéger les zones vulnérables aux dommages causés par le feu. En outre, les capacités d'absorption de l'huile de l'alumine lui permettent de servir de piégeur contre les flammes chargées d'hydrocarbures ; l'alumine est également devenue un additif précieux dans les lubrifiants pour éviter la dégradation des machines.

L'alumine est un minéral naturel abondant produit comme produit final dans le processus Bayer d'extraction de l'aluminium de la bauxite, généralement en précipitant les hydroxydes d'aluminium solubles dans l'eau ou en faisant réagir le trihydrate d'alumine avec des hydroxydes de métaux alcalins pour former de la boehmite, une substance extrêmement métastable et mal cristallisée avec des ions Al3 + entourant des oxyhydroxydes microporeux dans un milieu alcalin (31). La RMN MAS du 27Al montre de multiples niveaux de coordination entre Al3 + et Al3 +, avec plusieurs schémas de coordination (31) ; la surface BET de g-Al2O3 est d'environ 275m2g-1 (41).

L'alumine décomposée thermiquement peut prendre la forme de divers polymorphes. La gibbsite (également hydrargillite) et la bayerite, toutes deux produites par le procédé Bayer, en sont des exemples courants. La nordstrandite est présente dans les gisements de bauxite d'Amérique du Nord ; la gibbsite est souvent utilisée dans les applications de glaçure céramique, tandis que la nordstrandite peut être trouvée dans les émaux et les produits en grès.

La précipitation consiste à transformer la gibbsite et les gels de pseudoboehmite en boehmite en utilisant une pression de vapeur d'eau contrôlée, lorsque les températures tombent en dessous de 80 degrés Celsius ; leur forme revient alors à leur forme originale d'hydroxydes d'alumine qui se dissolvent plus facilement dans l'eau ; ils se dissocient donc en fusion pour donner de l'oxyde d'alumine facilement soluble qui se dissout plus facilement avec le temps ou à des températures plus élevées (60). À des températures plus élevées ou dans des conditions de vieillissement plus rigoureuses, cet oxyde d'alumine peut finalement se transformer en boehmite bien cristallisée (60).

Remplisseur

Le trihydrate d'alumine, communément appelé alumine calcinée et hydroxyde d'aluminium, est une charge extrêmement polyvalente. Dans les applications plastiques, il sert à améliorer l'ignifugation ainsi que les propriétés mécaniques et thermiques de divers polymères ; sa polyvalence se prête également bien aux applications dans le verre, la céramique et le papier en tant que matière de charge. En outre, les fabricants de papier l'utilisent comme pigment de couchage et pour augmenter les niveaux d'opacité et de luminosité de divers papiers ; sa nature alcaline lui donne également un coup de pouce dans certaines applications de traitement de l'eau.

La grande réactivité de l'alumine hydratée en fait une excellente matière première pour la production de pâtes céramiques et d'émaux, et constitue souvent un substitut économique aux matières premières naturelles telles que le feldspath et la silice. Disponible sous forme humide ou sèche, l'alumine hydratée peut être broyée pour produire des particules de taille variable dans des broyeurs à énergie fluide ou des broyeurs à billes à revêtement céramique.

L'hydrate d'alumine broyé ajouté à la glaçure ou au verre fondu se décompose rapidement en oxyde d'aluminium et en molécules d'eau par un processus de réaction endothermique exothermique, ce qui confère à ce matériau des propriétés ignifuges intrinsèques et produit une fumée non corrosive et non toxique au cours de cette réaction.

Pour que le trihydrate d'alumine fonctionne efficacement en tant qu'agent ignifuge, il doit être exposé à des températures supérieures à 220 degrés Celsius. Lorsqu'il est chauffé à ce niveau, 3 molécules d'eau par molécule d'alumine s'évaporent sous forme de vapeur dans l'émail fondu. Cette décomposition de l'hydrate d'alumine lui confère son niveau distinctif d'ignifugation que l'on ne retrouve pas ailleurs dans les charges.

L'ajout d'hydrate d'alumine aux glaçures et aux verres peut augmenter l'opacité en créant des bulles de gaz dans la glaçure fondue, ce qui contribue à réduire le retrait de cuisson tout en produisant des surfaces brillantes et en assurant des taux de retrait de cuisson faibles. En outre, il s'agit d'un choix idéal pour la fabrication de glaçures nécessitant de faibles taux de retrait au séchage.

Catalyseur

L'hydrate d'alumine est un excellent catalyseur, qui crée des bulles de gaz dans les glaçures et les émaux pour en augmenter l'opacité par le procédé Bayer. Non seulement il n'est pas toxique et présente un faible retrait à la cuisson, mais il est également rentable, facile à manipuler, économique et présente une grande surface - ce qui n'est pas une mauvaise qualité pour un matériau industriel dont la production annuelle atteint environ 100 millions de tonnes ! Le trihydrate d'alumine ainsi produit est broyé sous sa forme anhydre ou calcinée pour être utilisé comme ingrédient intégral.

Il existe plusieurs polymorphes d'alumine qui possèdent chacun des propriétés différentes en raison des différentes séquences d'empilement, de la géométrie des liaisons hydrogène entre les couches et à l'intérieur des couches et des schémas de substitution des groupes hydroxyle sur les octaèdres de partage des arêtes Al(OH)6. Pourtant, leur stabilité thermodynamique reste similaire - l'existence peut dépendre davantage de la cinétique que des propriétés thermodynamiques de ce matériau.

Des gels d'alumine microporeux à base de gibbsite (pseudoboehmite et boehmite) peuvent être créés grâce à une gestion minutieuse des processus de gélification/floculation, de vieillissement et de séchage. Le trempage des gels dans l'eau entraîne toutefois une perte irrémédiable de la surface BET et la transformation en bayerite non poreuse.

L'hydrolyse à la flamme du chlorure d'alumine à haute température produit une fine poudre de g-Al2O3 dont la taille moyenne des particules est de 10 nm et la surface de 130 m2g-1. Les particules d'alumine ont tendance à présenter des réseaux de spinelles, bien qu'il puisse également y avoir des cristallites hexagonales ou cubiques empilées.

L'hydrate d'alumine est l'un des matériaux d'alumine les plus stables et les plus répandus. Il présente une surface élevée et un faible taux de rétraction à la cuisson, ce qui le rend adapté à toute une série d'applications. En outre, ses qualités anticorrosives et ses propriétés ignifuges en font un agent retardateur de flamme approprié ; des recherches anticorrosives sont en cours et ses particules se sont également avérées efficaces en tant que convertisseurs autocatalytiques et composants de piles à combustible grâce à des découvertes qui révèlent comment les particules d'alumine réagissent avec l'eau pour générer des flux de gaz riches en hydrogène qui peuvent ensuite être brûlés en tant que carburant pour les voitures et les avions à réaction !