Aluminiumoksidhydrat og aluminiumoxidtrihydrat

Aluminiumoksid har en kompleks kjemisk sammensetning, inkludert ulike polymorfe former som kan omdannes til former med høyt overflateareal gjennom termiske transformasjonsprosesser, slik man ser det med boehmit og bayeritt.

Termisk nedbrytning gir lamellært eller fibrøst g-Al2O3, med respektive morfologier avhengig av utgangsmaterialet som brukes til å lage dem.

Flammehemmende

Aluminahydrat (Al(OH)3) er et hvitt, fint pulverisert stoff med den kjemiske formelen Al(OH)3. Det produseres gjennom Bayer-prosessen fra bauksittmalm, har ingen lukt eller smak og lav løselighet og termisk stabilitet, noe som gjør det til et ekstremt allsidig råmateriale med mange bruksområder i en rekke bransjer som en kilde til Al2O3.

Gibbsitt (-Al(OH)3), bayeritt (-Al(OH)3), doyleitt og nordstranditt er de fire polymorfene av aluminiumoxidtrihydroksid Al(OH)3 som vanligvis finnes i naturen. Alle er beslektede og har lignende strukturer, men morfologiene deres er svært forskjellige og påvirker egenskapene deres, med ulik viskositet avhengig av partikkelstørrelsesfordelingen. Morfologiene kan imidlertid kontrolleres gjennom varmebehandling for å oppnå spesifikke viskositeter for bestemte bruksområder.

Aluminahydratets flammehemmende egenskaper er avhengig av dets evne til å frigjøre vanndamp ved høye temperaturer, noe som kjøler ned materialer og fortynner brennbare gasser og bremser brannspredning. Dette oppnås ved å skape en barriere som fanger opp oksygen og andre brennbare gasser, noe som gjør det vanskeligere for disse molekylene å nå overflaten og brenne den av.

Aluminahydrater har svært lavt oksygenopptak og høy reaktivitet med ulike gasser, som svoveldioksid, hydrogensulfid, karbonmonoksid og nitrogenoksider. På grunn av disse egenskapene kan de fungere som en ideell erstatning for svoveloksid i mange bruksområder, for eksempel pyroteknikk og gassutladningslamper.

Aluminiumhydroxider brukes som forløpere for produksjon av aktivert alumina (AA). Aktivert alumina er et industriprodukt som fremstilles ved termisk nedbrytning av hydroksider og oksyhydroksider av alumina. Det brukes i ulike bransjer, særlig i papirindustrien som fyllstoffpigment eller beleggpigment og i farmasøytisk industri som hjelpestoff. Ulike fremstillingsteknikker resulterer i ulike typer porøs alumina med unike egenskaper og anvendelsespotensial; for eksempel gir kalsinering av bayeritt (111)-spinellplan, mens kalsinering av Al(OH)3 gir heksakoordinerte Al3+-ioner.

Røykdempende middel

På grunn av sitt lave smeltepunkt har aluminiumoksid utmerkede flammehemmende egenskaper. Det kan bidra til å forhindre flammespredning i plastmaterialer eller beskytte områder som er utsatt for brannskader fra å spre seg videre. I tillegg har aluminiumoksid oljeabsorberende egenskaper som gjør det egnet til å rense mot hydrokarbonholdige flammer, og det har blitt uvurderlig som tilsetningsstoff i smøremidler for å unngå nedbrytning av maskiner.

Alumina er et naturlig mineral som produseres som sluttprodukt i Bayer-prosessen for utvinning av aluminium fra bauksitt, vanligvis ved utfelling av løselige aluminiumhydroksider fra vann eller ved at aluminatrihydrat reagerer med alkalimetallhydroksider for å danne boehmit, et ekstremt metastabilt og dårlig krystallisert stoff med Al3+ -ioner som omgir mikroporøse oksyhydroksider i et alkalisk medium (31). 27Al MAS NMR viser flere koordinasjonsnivåer mellom Al3+ og Al3+, med flere koordinasjonsmønstre (31); BET-arealet til g-Al2O3 er ca. 275 m2g-1 (41).

Termisk nedbrutt aluminiumoksid kan ta form av ulike polymorfe former. Vanlige eksempler er gibbsitt (også hydrargillitt) og bayeritt, som begge produseres via Bayer-prosessen; nordstranditt forekommer som en del av nordamerikanske bauksittforekomster; gibbsitt brukes ofte til keramiske glasurer, mens nordstranditt kan finnes i emalje og steingods.

Utfelling innebærer at gibbsitt- og pseudoboehmitgeler omdannes til boehmit ved hjelp av kontrollert vanndamptrykk når temperaturen faller under 80 °C. Deretter går formen tilbake til den opprinnelige formen av aluminiumoksidhydroksider som er lettere oppløselige i vann, og dermed dissosieres de i smelte for å gi lettløselig aluminiumoksid som oppløses lettere med tiden eller ved høyere temperaturer (60). Ved høyere temperaturer eller under strengere aldringsforhold kan dette aluminiumoksidet til slutt omdannes til velkrystallisert boehmit (60).

Fyllstoff

Alumina trihydrat, ofte kalt kalsinert alumina og aluminiumhydroksid, er et ekstremt allsidig fyllstoff. I plast brukes det til å forbedre flammehemmingen samt de mekaniske og termiske egenskapene til ulike polymerer, og det egner seg også godt som fyllmateriale i glass, keramikk og papir. Papirprodusenter bruker det dessuten som pigment i belegg og for å øke opasiteten og lysstyrken i ulike papirtyper, og dets alkaliske natur gjør det også nyttig i enkelte vannbehandlingsapplikasjoner.

Hydratisert aluminiumoksid har høy reaktivitet, noe som gjør det til et utmerket råmateriale for produksjon av keramiske masser og glasurer, og det fungerer ofte som en økonomisk erstatning for naturlige råmaterialer som feltspat og silika. Det finnes både i våt og tørr form, og kan males til partikler med varierende størrelsesfordeling i flytende energimøller eller keramisk fôrede kulemøller.

Malt aluminiumoksidhydrat tilsatt glasur eller glassmelte spaltes raskt til aluminiumoksid og vannmolekyler via en eksoterm endoterm reaksjonsprosess, noe som gir dette materialet iboende flammehemmende egenskaper og produserer ikke-korroderende og ugiftig røyk under denne reaksjonen.

For at aluminiumtrihydrat skal fungere effektivt som brannhemmer, må det utsettes for temperaturer på over 220 °C. Når det varmes opp til dette nivået, fordamper tre vannmolekyler per aluminamolekyl til smeltet glasur i form av damp. Denne nedbrytningen av aluminahydratet gir det en særegen flammehemmende egenskap som ikke finnes andre steder i fyllstoffer.

Ved å tilsette aluminiumoksidhydrat til glasurer og glass kan man øke opasiteten ved å skape gassbobler i glasursmelten, noe som bidrar til å redusere innbrenningskrympingen, samtidig som det gir blanke overflater og lav innbrenningskrymping. I tillegg er det et ideelt valg for glasurer som krever lav krymping ved tørking.

Katalysator

Aluminahydrat er en utmerket katalysator som skaper gassbobler i glasurer og emaljer for å øke opasiteten ved Bayer-prosessen. Ikke bare er det ugiftig og har lav brennkrymping, men det er også kostnadseffektivt, lett å håndtere, økonomisk og har et stort overflateareal - ikke dårlige egenskaper for et industrielt materiale med en årlig produksjon på rundt 100 millioner tonn! Alumina trihydrat som produseres på denne måten, males til enten vannfri eller kalsinert form for bruk som en integrert ingrediens.

Det finnes ulike polymorfer av aluminiumoksid som alle har forskjellige egenskaper på grunn av ulike stablingssekvenser, hydrogenbindingsgeometri mellom og innenfor lagene og substitusjonsmønstre for hydroksylgrupper på Al(OH)6-kantdelende oktaedre. Likevel er den termodynamiske stabiliteten den samme - eksistensen avhenger kanskje mer av kinetikken enn av de termodynamiske egenskapene til materialet.

Mikroporøse gibbsitt-aluminiumoksydgeler (pseudoboehmit og boehmit) kan skapes gjennom nøye styring av gelerings-/flokkulerings-, aldrings- og tørkeprosesser. Bløtlegging av geler i vann fører imidlertid til uopprettelig tap av BET-areal og omdannelse til ikke-porøs bayeritt.

Flammehydrolyse av aluminiumklorid ved høye temperaturer resulterer i et fint g-Al2O3-pulver med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 10 nm og et overflateareal på 130 m2g-1. Aluminiumoksidpartiklene har en tendens til å ha spinellgitter, selv om det også kan være heksagonale eller kubiske tettpakkede krystallitter til stede.

Aluminiumoksidhydrat er et av de mest stabile og mest tilgjengelige aluminiumoksidmaterialene, og har et stort overflateareal og lav krymping ved brenning, noe som gjør det egnet til en rekke bruksområder. I tillegg har det korrosjonshindrende egenskaper og flammehemmende egenskaper som gjør det egnet som flammehemmende middel. Det forskes på korrosjonshindrende midler, og partiklene har også vist seg å være vellykkede som autokatalytiske omformere og brenselcellekomponenter takket være oppdagelser som viser hvordan aluminiumoksidpartikler reagerer med vann for å generere hydrogenrike gassstrømmer som deretter kan brennes som drivstoff for biler og jetfly!