Aluminiumoxidhydrat och aluminiumoxidtrihydrat

Aluminiumoxid har en komplex kemisk sammansättning, som innefattar olika polymorfer som kan omvandlas till former med stor ytarea genom termiska omvandlingsprocesser, såsom de som sker vid bildandet av boehmit och bayerit.

Vid termisk nedbrytning bildas lamellärt eller fibröst g-Al₂O₃, vars respektive morfologi beror på vilket utgångsmaterial som använts vid framställningen.

Flamskyddsmedel

Aluminiumhydroxidhydrat (Al(OH)₃) är ett vitt, fint pulver med den kemiska formeln Al(OH)₃. Det framställs genom Bayer-processen från bauxitmalm och är lukt- och smaklöst. Dess låga löslighet och termiska stabilitet gör det till en extremt mångsidig råvara med många användningsområden inom en rad olika branscher som källa till Al₂O₃.

Gibbsit (-Al(OH)₃), bayerit (-Al(OH)₃), doyleit och nordstrandit är de fyra polymorferna av aluminiumtrihydroxid (Al(OH)₃) som vanligtvis förekommer i naturen; alla är besläktade och har liknande strukturer; dock skiljer sig deras morfologier avsevärt åt och påverkar deras egenskaper, med olika viskositeter beroende på partikelstorleksfördelningen; deras morfologier kan dock kontrolleras genom värmebehandling för att uppnå specifika viskositeter för specifika tillämpningar.

Aluminiumhydroxidhydratets brandhämmande egenskaper bygger på dess förmåga att avge vattenånga vid höga temperaturer, vilket kyler ner materialen, späder ut brandfarliga gaser och bromsar brandens spridning. Detta uppnås genom att det bildas en barriär som fångar upp syre och andra brandfarliga gaser, vilket gör det svårare för dessa molekyler att nå ytan och antända den.

Aluminiumhydroxider har ett mycket lågt syreupptag och hög reaktivitet med olika gaser, såsom svaveldioxid, vätesulfid, kolmonoxid och kväveoxider. Tack vare dessa egenskaper kan de fungera som ett idealiskt substitut för svaveloxid i många tillämpningar, till exempel inom pyroteknik och gasurladdningslampor.

Aluminiumhydroxider används som utgångsmaterial för framställning av aktiverad aluminiumoxid (AA). Aktiverad aluminiumoxid är en industriprodukt som framställs genom termisk nedbrytning av hydroxider och oxyhydroxider av aluminiumoxid. Den har tillämpningar inom olika branscher, särskilt inom pappersindustrin som fyllnads- eller beläggningspigment och inom läkemedelsindustrin som hjälpämne; Olika framställningstekniker ger upphov till olika typer av porös aluminiumoxid med unika egenskaper och användningsmöjligheter; till exempel ger kalcinering av bayerit (111)-spinelplan, medan kalcinering av Al(OH)₃ ger hexakoordinerade Al³⁺-joner.

Rökdämpande medel

Tack vare sin låga smältpunkt har aluminiumoxid utmärkta flamskyddsegenskaper. Det kan bidra till att förhindra att lågor sprider sig i plastmaterial eller skydda områden som är utsatta för brandskador från att skadan sprider sig ytterligare. Dessutom gör aluminiumoxidens oljeabsorberande egenskaper att det lämpar sig som en bindare mot kolvätehaltiga lågor; dessutom har det blivit ovärderligt som tillsats i smörjmedel för att förhindra slitage på maskiner.

Aluminiumoxid är ett vanligt förekommande naturligt mineral som utvinns som slutprodukt i Bayer-processen för utvinning av aluminium ur bauxit, vanligtvis genom utfällning av lösliga aluminiumhydroxider ur vatten eller genom reaktion mellan aluminiumoxidtrihydrat och alkalimetallhydroxider för att bilda böhmit, ett extremt metastabilt och dåligt kristalliserat ämne där Al³⁺-joner omger mikroporösa oxyhydroxider i ett alkaliskt medium (31). 27Al MAS-NMR visar flera koordinationsnivåer mellan Al³⁺ och Al³⁺, med flera olika koordinationsmönster (31); BET-arean för g-Al₂O₃ är cirka 275 m²/g (41).

Termiskt nedbrutet aluminiumoxid kan förekomma i form av olika polymorfer. Vanliga exempel är gibbsit (även hydrargillit) och bayerit, som båda framställs genom Bayer-processen; nordstrandit förekommer i nordamerikanska bauxitfyndigheter; gibbsit används ofta i keramiska glasyrer, medan nordstrandit kan förekomma i emaljer och stengods.

Ufällningen innebär att gibbsit- och pseudoboehmitgeler omvandlas till boehmit genom kontrollerat vattenångtryck när temperaturen sjunker under 80 °C; därefter återgår de till sin ursprungliga form av aluminiumhydroxider som löses upp lättare i vatten; de dissocierar således till smälta och ger lättlöslig aluminiumoxid som löses upp lättare med tiden eller vid högre temperaturer (60). Vid högre temperaturer eller under mer krävande åldringsförhållanden kan denna aluminiumoxid så småningom omvandlas till välkristalliserad boehmit (60).

Fyllmedel

Aluminiumoxidtrihydrat, som ofta kallas kalcinerad aluminiumoxid och aluminiumhydroxid, är ett extremt mångsidigt fyllmedel. I plasttillämpningar används det för att förbättra flamskyddet samt de mekaniska och termiska egenskaperna hos olika polymerer; dess mångsidighet gör det också väl lämpat som fyllmedel i glas-, keramik- och papperstillämpningar. Dessutom använder papperstillverkare det som beläggningspigment och för att öka opaciteten och ljusheten hos olika papperssorter; dess alkaliska egenskaper gör det även användbart i vissa vattenreningsapplikationer.

Den hydratiserade aluminiumoxidens höga reaktivitet gör den till ett utmärkt råmaterial för tillverkning av keramiska massor och glasyrer, och den fungerar ofta som ett kostnadseffektivt alternativ till naturliga råmaterial såsom fältspat och kiseldioxid. Den finns både i våt och torr form, och den torra varianten kan mals för att producera partiklar med varierande storleksfördelning i fluidenergikvarnar eller keramikfodrade kulkvarnar.

Malet aluminiumhydroxid som tillsätts i glasyr eller glassmältning sönderdelas snabbt till aluminiumoxid och vattenmolekyler genom en exotermisk och endotermisk reaktionsprocess, vilket ger materialet inneboende flamskyddsegenskaper och resulterar i icke-korroderande och icke-giftig rök under reaktionen.

För att aluminiumoxidtrihydrat ska fungera effektivt som brandhämmande medel måste det utsättas för temperaturer över 220 °C. När det värms upp till denna temperatur avdunstar tre vattenmolekyler per aluminiumoxidmolekyl som ånga in i glasyrsmältan. Denna nedbrytning av aluminiumoxidhydrat ger ämnet dess utmärkande brandhämmande egenskaper, som inte återfinns hos några andra fyllmedel.

Tillsats av aluminiumhydroxidhydrat i glasyrer och glas kan öka opaciteten genom att bilda gasbubblor i den smälta glasyrmassan, vilket bidrar till att minska krympningen vid bränning samtidigt som det ger glansiga ytor och låga krympningsvärden vid bränning. Dessutom är det ett idealiskt val för framställning av glasyrer som kräver låga torkningskrympningsvärden.

Katalysator

Aluminiumhydroxidhydrat är en utmärkt katalysator som bildar gasbubblor i glasyrer och emaljer för att öka opaciteten enligt Bayer-processen. Det är inte bara giftfritt och har låg bränningskrympning, utan är dessutom kostnadseffektivt, lätt att hantera, ekonomiskt och har en stor ytarea – inga dåliga egenskaper för ett industrimaterial med en årlig produktion på cirka 100 miljoner ton! Aluminiumoxidtrihydrat som framställs på detta sätt mals till antingen sin vattenfria eller kalcinerade form för användning som en integrerad beståndsdel.

Det finns olika polymorfer av aluminiumoxid som alla uppvisar olika egenskaper på grund av olika staplingssekvenser, geometrin hos vätebindningarna mellan och inom skikten samt substitutionsmönstren för hydroxylgrupper på de kantdelande oktaederna av Al(OH)₆. Ändå är deras termodynamiska stabilitet likartad – snarare kan förekomsten bero mer på kinetiken än på materialets termodynamiska egenskaper.

Mikroporösa gibbsit-aluminiumoxidgeler (pseudoboehmit och boehmit) kan framställas genom noggrann styrning av gelbildnings-/flocknings-, åldrings- och torkningsprocesserna. Att blötlägga gelerna i vatten leder dock till en oåterkallelig förlust av BET-area och omvandling till icke-porös bayerit.

Flamhydrolys av aluminiumklorid vid höga temperaturer ger ett fint g-Al₂O₃-pulver med en genomsnittlig partikelstorlek på 10 nm och en ytarea på 130 m²/g. Aluminiumoxidpartiklarna tenderar att ha spinellgitter, även om det också kan förekomma hexagonala eller kubiska tättpackade kristalliter.

Aluminiumoxidhydrat är ett av de mest stabila och lättillgängliga aluminiumoxidmaterialen, med stor yta och låg krympning vid bränning, vilket gör det lämpligt för en rad olika tillämpningar. Dessutom gör dess korrosionshämmande egenskaper och flamskyddsegenskaper att det lämpar sig som flamskyddsmedel; Forskning om korrosionsskydd pågår, och dess partiklar har även visat sig vara framgångsrika som autokatalysatorer och komponenter i bränsleceller tack vare upptäckter som visar hur aluminiumoxidpartiklar reagerar med vatten och genererar väterika gasströmmar som sedan kan förbrännas som bränsle för bilar och flygplan!