アルミナ水和物とアルミナ三水和物

アルミナは、ボエーマイトやベイヤライトに見られるような熱変態プロセスによって高表面積の形態に変換されるさまざまな多形を含む複雑な化学構造を持っている。

熱分解によりラメラ状または繊維状のg-Al2O3が生成し、それぞれの形態は生成に使用した出発原料に依存する。

難燃性

アルミナ水和物（Al(OH)3）は、化学式Al(OH)3で表される白色の微粉末物質である。ボーキサイト鉱石からバイエル法で製造され、臭いや味がなく、溶解度や熱安定性が低いため、Al2O3の供給源として多くの産業で多くの用途がある非常に汎用性の高い原料です。

ギブサイト(-Al(OH)3)、ベイヤライト(-Al(OH)3)、ドイライト、ノルドストランダイトは、自然界で一般的に見られる三水酸化アルミナAl(OH)3の4つの多形体である。すべて関連性があり、類似した構造を共有しているが、その形態は大きく異なり、粒度分布によって粘度が異なるなど、特性に影響を与える。

アルミナ水和物の難燃性は、高温で水蒸気を放出し、材料を冷却して可燃性ガスを希釈し、延焼を遅らせる能力に依存している。これは、酸素やその他の可燃性ガスを捕捉するバリアを作り、これらの分子が表面に到達して燃焼するのをより困難にすることによって達成される。

アルミナ水和物は酸素の取り込みが非常に少なく、二酸化硫黄、硫化水素、一酸化炭素、窒素酸化物など様々なガスとの反応性が高い。これらの特性により、火工品やガス放電ランプなど多くの用途において、酸化硫黄の理想的な代替品として機能する。

アルミナ水和物は、活性アルミナ（AA）製造の前駆体として使用される。活性アルミナは、アルミナの水酸化物やオキシ水酸化物の熱分解によって作られる工業製品である。様々な調製技術により、ユニークな特性と用途の可能性を持つ様々な種類の多孔質アルミナが得られる。例えば、ベイヤライトの焼成では(111)スピネル面が生成され、Al(OH)3の焼成では六配位Al3+イオンが生成される。

制煙剤

融点が低いため、アルミナは優れた難燃性を誇ります。プラスチック素材の炎が伝播するのを防いだり、火災の被害を受けやすい場所をそれ以上燃え広がらないように保護したりするのに役立つ。さらに、アルミナの吸油能力は、炭化水素を含む炎に対するスカベンジャーとして適しており、さらに、機械の劣化を避けるための潤滑油の添加剤としても重宝されている。

アルミナは、ボーキサイトからアルミニウムを抽出するバイエル法の最終生成物として生産される豊富な天然鉱物であり、通常、水から可溶性アルミニウム水酸化物を沈殿させるか、アルミナ三水和物をアルカリ金属水酸化物と反応させて、アルカリ性媒体中でAl3 +イオンがマイクロポーラスなオキシ水酸化物を取り囲む極めて準安定で結晶化度の低い物質であるボーマイトを形成する(31)。27Al MAS NMRはAl3 +とAl3 +の間に複数の配位準位を示し、いくつかの配位パターンがある(31); g-Al2O3のBET-面積は約275m2g-1である(41)。

熱分解したアルミナは、様々な多形の形態をとることがある。一般的な例としては、ギブサイト（ハイドラルギライトとも呼ばれる）とベイヤライトがあり、どちらもバイエル法で製造される。ノルトストランダイトは、北米のボーキサイト鉱床の一部として産出する。ギブサイトは陶磁器の釉薬によく使用される一方、ノルトストランダイトはエナメルや石器に含まれることがある。

析出には、温度が80℃以下になると、制御された水蒸気圧を使用して、ギブサイトや擬ベーマイトのゲルをベーマイトに変化させることが含まれる。その後、それらの形態は、水に溶けやすいアルミナ水酸化物の元の形態に戻り、その結果、溶融物に解離して、時間や温度が高くなるにつれて溶解しやすくなる易溶性の酸化アルミナが得られる(60)。より高い温度やより厳しい熟成条件下では、このアルミナ酸化物は最終的によく結晶化したボーマイトに変化する可能性がある(60)。

フィラー

一般に焼成アルミナや水酸化アルミニウムと呼ばれるアルミナ三水和物は、非常に汎用性の高い充填材です。プラスチック用途では、様々なポリマーの難燃性、機械的特性、熱的特性を向上させる役割を果たす。その汎用性は、ガラス、セラミックス、製紙用途の充填材としても適している。さらに、製紙メーカーはコーティング顔料として、また様々な紙の不透明度と輝度レベルを高めるために使用している。そのアルカリ性の性質は、いくつかの水処理用途にも役立っている。

水和アルミナは反応性が高いため、セラミック本体や釉薬を製造するための優れた原料であり、長石やシリカなどの天然原料の経済的な代替品として機能することが多い。湿式と乾式の両方があり、後者は流体エネルギーミルまたはセラミックライニングボールミルで粉砕して、粒度分布の異なる粒子を製造することができる。

釉薬やガラス融液に添加された粉砕アルミナ水和物は、発熱性の吸熱反応プロセスを経て酸化アルミニウムと水分子に速やかに分解し、この材料に本質的な難燃性を与え、この反応中に非腐食性かつ非毒性の煙を発生させる。

アルミナ三水和物が難燃剤として効果的に機能するには、220℃を超える温度にさらされる必要がある。このレベルまで加熱されると、アルミナ1分子あたり3分子の水が蒸気として釉薬の融液中に蒸発する。このアルミナ水和物の分解により、他のフィラーには見られない独特の難燃性が得られます。

アルミナ水和物を釉薬やガラスに添加すると、釉薬の融液内にガス気泡を発生させることで不透明度を高め、焼成収縮率を低減させながら光沢のある表面を作り出し、低い焼成収縮率を実現することができる。さらに、低い乾燥収縮率を必要とする釉薬の製造に理想的な選択肢です。

触媒

アルミナ水和物は優れた触媒であり、釉薬やエナメルに気泡を発生させ、バイエル法によって不透明度を高める。無毒性で焼成収縮率が低いだけでなく、費用対効果に優れ、取り扱いが容易で経済的で、表面積も大きい。年間生産量が約1億トンに達する工業用素材としては、悪くない性質だ！このようにして製造されたアルミナ三水和物は、無水または焼成のいずれかの形態に粉砕され、不可欠な成分として使用される。

Al(OH)6エッジシェア八面体上の水酸基の積層順序、層間および層内水素結合形状、置換パターンが異なるため、それぞれが異なる特性を持つ様々なアルミナ多形が存在する。しかし、それらの熱力学的安定性は類似しており、むしろその存在は、その物質の熱力学的特性よりも動力学に依存しているのかもしれない。

マイクロポーラスなギブサイト・アルミナゲル（擬ベーマイトおよびベーマイト）は、ゲル化・凝集、エージング、乾燥工程を注意深く管理することで作成できる。しかし、ゲルを水に浸すと、BET面積が回復不能なほど失われ、非多孔質のベーマイトに変化する。

塩化アルミナを高温で火炎加水分解すると、平均粒径10nm、表面積130m2g-1の微細なg-Al2O3粉末になる。アルミナ粒子はスピネル格子を持つ傾向があるが、六方晶や立方晶のクローズパック結晶が存在することもある。

アルミナ水和物は、最も安定した広く利用可能なアルミナ材料の一つであり、高い表面積と低い焼成収縮率を誇り、様々な用途に適している。また、アルミナ粒子が水と反応して水素リッチなガス流を発生させ、それを自動車やジェット機の燃料として燃焼させる方法を発見したおかげで、アルミナ粒子は自動車触媒コンバーターや燃料電池の部品としても成功を収めている！