Timföldhidrát és timföld-trihidrát

Az alumínium-oxid összetett kémiai összetételű, beleértve különböző polimorfokat, amelyek termikus átalakulási folyamatok révén - például a böhmit és a bayerit esetében - nagy felületűvé alakíthatók.

A termikus bomlás során lamellás vagy szálas g-Al2O3 keletkezik, amelyek morfológiája az előállításukhoz használt kiindulási anyagtól függ.

Lángálló

A timföldhidrát (Al(OH)3) fehér, finoman porított anyag, amelynek kémiai képlete Al(OH)3. A bauxitércből a Bayer-eljárás során előállított, szagtalan és ízmentes, alacsony oldhatóságú és hőstabil, így rendkívül sokoldalúan felhasználható nyersanyag, amelyet számos iparágban Al2O3-forrásként alkalmaznak.

A gibbsite (-Al(OH)3), a bayerite (-Al(OH)3), a doyleite és a nordstrandite az alumínium-trihidroxid Al(OH)3 négy, a természetben jellemzően előforduló polimorfja; mind rokonok és hasonló szerkezetűek; morfológiájuk azonban jelentősen különbözik, és befolyásolja tulajdonságaikat, a részecskeméret-eloszlástól függően eltérő viszkozitással; morfológiájuk azonban hőkezeléssel szabályozható, hogy meghatározott alkalmazásokhoz meghatározott viszkozitást érjenek el.

Az alumínium-hidrát égésgátló képességei azon a képességén alapulnak, hogy magas hőmérsékleten vízgőzt bocsát ki, ezáltal lehűti az anyagokat, hígítja a gyúlékony gázokat és lassítja a tűz terjedését. Ezt úgy éri el, hogy oxigén- és más gyúlékony gázokat megkötő gátat hoz létre, megnehezítve ezen molekulák számára a felület elérését és elégetését.

A timföldhidrátok nagyon alacsony oxigénfelvétellel rendelkeznek, és nagy reakcióképességgel rendelkeznek különböző gázokkal, például kén-dioxiddal, hidrogén-szulfiddal, szén-monoxiddal és nitrogén-oxidokkal. E tulajdonságaiknak köszönhetően számos alkalmazásban, például a pirotechnikában és a gázkisüléses lámpákban a kén-oxid ideális helyettesítőjeként szolgálhatnak.

A timföldhidrátokat prekurzorként használják az aktivált timföld (AA) előállításához. Az aktivált alumínium-oxid a timföld hidroxidjainak és oxihidroxidjainak termikus bomlásával előállított ipari termék. Számos iparágban talál alkalmazást, különösen a papírban töltőanyagként vagy bevonatpigmentként, valamint a gyógyszeriparban segédanyagként; a különböző előállítási technikák különböző típusú, egyedi tulajdonságokkal és alkalmazási lehetőségekkel rendelkező porózus timföldet eredményeznek; például a bayerit kalcinálása (111) spinell síkokat eredményez, míg az Al(OH)3 kalcinálása hexakoordinált Al3+ ionokat.

Füstölésgátló

Alacsony olvadáspontja miatt a timföld kiváló égésgátló tulajdonságokkal rendelkezik. Segíthet megakadályozni a lángok terjedését a műanyagokban, illetve megvédheti a tűzkárnak kitett területeket a továbbterjedéstől. Továbbá, a timföld olajfelszívó képességei alkalmassá teszik a szénhidrogénnel teli lángok elleni védekezésre; emellett felbecsülhetetlen értékűvé vált a kenőanyagok adalékanyagaként a gépek károsodásának elkerülése érdekében.

A timföld egy nagy mennyiségben előforduló természetes ásvány, amelyet a bauxitból történő alumíniumkivonás Bayer-eljárásának végtermékeként állítanak elő, jellemzően az oldható alumínium-hidroxidok vízből történő kicsapásával vagy alumínium-trihidrát és alkálifém-hidroxidok reakciójával böhmit, egy rendkívül metastabil és rosszul kristályosodó anyag képződésével, amelyben az Al3+ ionok lúgos közegben mikroporózus oxihidroxidokat vesznek körül (31). A 27Al MAS NMR több koordinációs szintet mutat az Al3 + és az Al3 + között, többféle koordinációs mintázattal (31); a g-Al2O3 BET-felülete körülbelül 275m2g-1 (41).

A termikusan bomlott timföld különböző polimorf formákat ölthet. Gyakori példa a gibbsite (hidrargillit is) és a bayerit, mindkettőt a Bayer-eljárás során állítják elő; a nordstrandit az észak-amerikai bauxitlelőhelyek részeként fordul elő; a gibbsite-ot gyakran használják kerámiamázakhoz, míg a nordstranditot zománcokban és kőedényekben lehet megtalálni.

A kicsapás során a gibbszit és az álbohmit gélek ellenőrzött vízgőznyomással bohmitra változnak, amikor a hőmérséklet 80 °C alá csökken; ezután formájuk visszaalakul eredeti, vízben könnyebben oldódó alumínium-hidroxid formájukba; így olvadékká oldódva könnyen oldódó alumínium-oxidot kapnak, amely idővel vagy magasabb hőmérsékleten könnyebben oldódik (60). Magasabb hőmérsékleten vagy szigorúbb öregedési körülmények között ez a timföld-oxid végül jól kristályosodó böhmitté alakulhat át (60).

Töltőanyag

A timföld-trihidrát, amelyet általában kalcinált timföldként és alumínium-hidroxidként is emlegetnek, rendkívül sokoldalú töltőanyag. Műanyag-alkalmazásokban a különböző polimerek égésgátlásának, valamint mechanikai és termikus tulajdonságainak javítására szolgál; sokoldalúsága jól alkalmazható üveg-, kerámia- és papíralkalmazásokban is töltőanyagként. A papírgyártók emellett bevonatpigmentként, valamint a különböző papírok fedőképességének és fényerejének növelésére használják; lúgos jellege miatt bizonyos vízkezelési alkalmazásokban is segítségünkre lehet.

A hidratált timföld magas reakcióképessége miatt kiváló alapanyag kerámia alapanyagok és mázak előállításához, és gyakran a természetes nyersanyagok, például a földpát és a szilícium-dioxid gazdaságos helyettesítője. Nedves és száraz formában is rendelkezésre áll, ez utóbbi változó méreteloszlású részecskék előállítására őrölhető folyékony energiájú malmokban vagy kerámiabélésű golyósmalmokban.

A mázhoz vagy üvegolvadékhoz adott őrölt timföldhidrát egy exoterm endoterm reakciófolyamat révén gyorsan alumínium-oxidra és vízmolekulákra bomlik, ami ennek az anyagnak sajátos égésgátló tulajdonságokat kölcsönöz, és a reakció során nem korrodáló és nem mérgező füstöt termel.

Ahhoz, hogy az alumínium-oxid-trihidrát tűzgátlóként hatékonyan működjön, 220 fokot meghaladó hőmérsékletnek kell kitenni. Ilyen mértékű felmelegítés esetén az alumínium-oxid molekulánként 3 vízmolekula párolog gőz formájában a mázolvadékba. Az alumínium-oxid-hidrátnak ez a bomlása biztosítja az égésgátlás jellegzetes szintjét, amely máshol nem található meg a töltőanyagokban.

A timföldhidrát hozzáadása a mázakhoz és üvegekhez növelheti az átlátszatlanságot azáltal, hogy gázbuborékokat hoz létre a mázolvadékban, segít csökkenteni az égetési zsugorodást, miközben fényes felületet eredményez, és alacsony égetési zsugorodási arányt biztosít. Továbbá ideális választás olyan mázak készítéséhez, amelyek alacsony szárítási zsugorodási arányt igényelnek.

Katalizátor

A timföldhidrát kiváló katalizátor, amely a Bayer-eljárással gázbuborékokat hoz létre a mázakban és zománcokban az opacitás növelése érdekében. Nemcsak nem mérgező és alacsony az égetési zsugorodása, hanem költséghatékony, könnyen kezelhető, gazdaságos és nagy felülettel rendelkezik - nem rossz tulajdonságok egy olyan ipari anyagtól, amelynek éves termelése eléri a 100 millió tonnát! Az így előállított timföld-trihidrátot vízmentes vagy kalcinált formájára őrlik, hogy szerves összetevőként használják fel.

Különböző alumínium-oxid-polimorfok léteznek, amelyek mindegyike eltérő tulajdonságokkal rendelkezik az Al(OH)6 peremosztású oktaédereken lévő hidroxilcsoportok eltérő rétegrendje, a rétegek közötti és a rétegeken belüli hidrogénkötés geometriája és szubsztitúciós mintázata miatt. Termodinamikai stabilitásuk mégis hasonló marad - létezésük inkább az adott anyag kinetikájától, mint termodinamikai tulajdonságaitól függhet.

A mikroporózus gibbsite alumínium-oxid gélek (pszeudobohmit és bohmit) a gélképződési/flokkulációs, öregedési és szárítási folyamatok gondos kezelésével hozhatók létre. A gélek vízben való áztatása azonban a BET-felület helyrehozhatatlan elvesztéséhez és nem pórusos bayeritté való átalakuláshoz vezet.

A timföld-klorid magas hőmérsékleten történő láng-hidrolízise finom g-Al2O3 port eredményez, amelynek átlagos részecskemérete 10 nm, felülete pedig 130 m2g-1 . Az alumínium-oxid részecskék általában spinellrácsosak, bár lehetnek hexagonális vagy köbös, szoros elrendezésű kristályok is.

A timföldhidrát az egyik legstabilabb és legelterjedtebb timföld anyag, amely nagy felülettel és alacsony égetési zsugorodással büszkélkedhet, ami számos alkalmazáshoz alkalmassá teszi. Továbbá korróziógátló tulajdonságai és lángmentesítő tulajdonságai alkalmassá teszik lángmentesítő anyagként; a korróziógátló kutatások folyamatban vannak, és részecskéi sikeresnek bizonyultak autókatalitikus konverterek és üzemanyagcellák összetevőiként is, köszönhetően azoknak a felfedezéseknek, amelyek feltárják, hogy a timföld részecskék vízzel reagálva hidrogénben gazdag gázáramokat hoznak létre, amelyek aztán autók és repülőgépek üzemanyagaként elégethetők!