Alumina (aluminiumoxid) er det mest udbredte keramiske oxidmateriale. Dets anvendelser er meget udbredte og omfatter tændrør, haneskiver, slidstærke fliser og skærende værktøjer.
Der anvendes også meget store mængder til fremstilling af monolitiske og stenede ildfaste materialer. Det blandes også med andre materialer som f.eks. flækkegrafit til andre, vanskeligere anvendelser, f.eks. til hældningstudser og skydeventiler.
Nøgleegenskaber
Aluminiumoxiders nøgleegenskaber er vist nedenfor.
– Høj trykstyrke
– Høj hårdhed
– Resistent mod slid
– Resistent mod kemiske angreb fra en lang række kemikalier, selv ved forhøjede temperaturer
– Høj varmeledningsevne
– Resistent mod termiske stød
– Høj grad af brydningsmodstand
– Høj dielektricitet
– Høj dielektrisk styrke
– Høj elektrisk resistivitet selv ved forhøjede temperaturer
– Gennemsigtig for mikrobølgeradiofrekvenser
– Lavt neutrontværsnitindfangningsområde
– Råmateriale let tilgængeligt og prisen ikke udsat for voldsomme udsving
Årlig produktion
Årlig produktion af aluminiumoxid er 45 mio. tons. 90% af denne anvendes til fremstilling af aluminiummetal ved elektrolyse.
Hvor kommer aluminiumoxid fra?
Det meste af det kommercielt fremstillede aluminiumoxid fremstilles ved kalcinering af aluminiumhydroxid (ofte benævnt aluminiumoxidtrihydrat eller ATH).
Aluminiumhydroxidet fremstilles stort set udelukkende ved Bayer-processen.
Denne indebærer opbrydning af bauxit i kaustisk soda og den efterfølgende udfældning af aluminiumhydroxid ved tilsætning af fine kimkrystaller af aluminiumhydroxid.
Faser
Aluminiumoxid findes i mange former, α, χ, η, δ, δ, κ, θ, γ, ρ; disse opstår under varmebehandling af aluminiumhydroxid eller aluminiumoxyhydroxid. Den mest termodynamisk stabile form er α-aluminiumoxid.
Aluminiumhydroxider
Aluminium danner en række hydroxider; nogle af disse er velkarakteriserede krystallinske forbindelser, mens andre er dårligt definerede amorfe forbindelser. De mest almindelige trihydroxider er gibbsit, bayerit og nordstrandit, mens de mere almindelige oxidhydroxidformer er boehmit og diaspore.
Kommercielt er den vigtigste form gibbsit, selv om bayerit og boehmit også fremstilles i industriel målestok.
Aluminiumhydroxid har en lang række anvendelsesmuligheder, f.eks. som flammehæmmere i plast og gummi, fyldstoffer og forlængere til papir, tandpastafyldstof, antacida, titanoxidbelægning og som råmateriale til fremstilling af aluminiumskemikalier, f.eks.f.eks. aluminiumsulfat, aluminiumchlorider, polyaluminiumchlorid, aluminiumsnitrat.
Commercielle kvaliteter
Smelter eller metallurgisk kvalitet er den betegnelse, der gives, når den anvendes til fremstilling af aluminiummetal. Historisk set blev den fremstillet af aluminiumhydroxid ved hjælp af rotationsovne, men fremstilles nu generelt i fluid bed- eller fluid flash calcinatorer. I væskeblitzprocesser føres aluminiumhydroxidet ind i en modstrømsstrøm af varm luft, der er fremstillet ved forbrænding af brændselsolie eller gas. Først fjernes det frie vand, hvorefter det kemisk kombinerede vand fjernes; dette sker i et temperaturinterval på mellem 180-600 ºC. Det dehydrerede aluminiumoxid er hovedsageligt i form af aktiveret aluminiumoxid, og overfladearealet falder gradvist, efterhånden som temperaturen stiger mod 1000 ºC. Ved yderligere kalcinering ved temperaturer > 1000ºC omdannes denne til den mere stabile α-form. Omdannelsen til α-formen er typisk i størrelsesordenen 25 %, og det specifikke overfladeareal er relativt højt på >50 m²/g på grund af tilstedeværelsen af overgangsmetaller.
Kalcineret
Hvis aluminiumhydroxid opvarmes til en temperatur på over 1100ºC, passerer det gennem de ovenfor nævnte overgangsfaser.
Det endelige produkt er α-aluminiumoxid, hvis der anvendes en tilstrækkelig høj temperatur. Fremstillingsprocessen foregår kommercielt i lange rotationsovne. Der tilsættes ofte mineraliseringsmidler for at katalysere reaktionen og sænke den temperatur, ved hvilken α-aluminiumoxidfasen dannes; fluoridsalte er de mest almindeligt anvendte mineraliseringsmidler.
Disse brændte produkter anvendes i en lang række keramiske og ildfaste anvendelser. Den vigtigste tilstedeværende urenhed er natriumoxid. Der fremstilles forskellige kvaliteter, som adskiller sig fra hinanden med hensyn til krystallitstørrelse, morfologi og kemiske urenheder.
De kalcinerede kvaliteter opdeles ofte i almindelig soda, medium soda (sodaindhold 0,15-0,25 vægtprocent) og lavt sodaindhold.
Lavt sodaindhold
Flere anvendelser, især inden for det elektriske/elektroniske område, kræver et lavt sodaindhold i aluminiumoxidet. En aluminiumoxid med lavt sodaindhold defineres generelt som med et sodaindhold på <0,1 vægtprocent. Dette kan fremstilles ad mange forskellige veje, herunder syrevask, klortilsætning, bortilsætning og anvendelse af sodaadsorberende forbindelser.
Reaktiv
“Reaktiv” aluminiumoxid er den betegnelse, der normalt anvendes for en prøve med relativt høj renhed og lille krystalstørrelse (<1 μm), som sintrer til et fuldt tæt legeme ved lavere temperaturer end lavt sodaindhold, medium-soda eller almindeligt sodaindhold. Disse pulvere leveres normalt efter intensiv kuglemaling, som opløser de agglomerater, der opstår efter kalcinering. De anvendes, hvor der kræves ekstraordinær styrke, slidstyrke, temperaturbestandighed, overfladebehandling eller kemisk inerti.
Tabulært
Tabulært aluminiumoxid er rekrystalliseret eller sintret α-aluminiumoxid, der kaldes sådan, fordi dets morfologi består af store, 50-500 μm, flade, tabletformede krystaller af korund. Det fremstilles ved pelletering, ekstrudering eller presning af brændt aluminiumoxid til former og derefter opvarmning af disse former til en temperatur lige under deres smeltepunkt, 1700-1850ºC, i skaktovne.
Efter brændingen kan kuglerne af sintret aluminiumoxid anvendes som de er til visse anvendelser, f.eks. til katalysatorbede, eller de kan knuses, sigtes og formales for at fremstille en lang række forskellige størrelser. Da materialet er blevet sintret, har det en særlig lav porøsitet, høj densitet, lav permeabilitet, god kemisk inerti, høj ildfasthed og er særlig velegnet til ildfaste anvendelser.
Smeltet
Smeltet aluminiumoxid fremstilles i elektriske lysbueovne ved at lade en strøm passere mellem lodrette kulelektroder. Den genererede varme smelter aluminiumoxidet. Ovnen består af en vandkølet stålskal, og der smeltes 3-20 tons materialepartier ad gangen. Den smeltede aluminiumoxid har en høj massefylde, lav porøsitet, lav permeabilitet og høj ildfasthed. Som følge af disse egenskaber anvendes det til fremstilling af slibemidler og ildfaste materialer.
Høj renhed
Aluminater med høj renhed klassificeres normalt som aluminiumoxid med en renhed på 99,99 % og kan fremstilles ud fra Bayer-hydrat ved hjælp af successive aktiveringer og vaskninger eller ved hjælp af et chlorid for at opnå den nødvendige renhedsgrad. Endnu højere renhedsgrader fremstilles ved kalcinering af ammoniumaluminiumsulfat eller af aluminiummetal. I tilfælde af ruten via ammoniumaluminiumsulfat opnås den nødvendige renhedsgrad ved successive omkrystalliseringer. Særligt høje renhedsgrader kan fremstilles af aluminium ved at lade metallet reagere med en alkohol, rense aluminiumalkoxidet ved destillation, hydrolyse og kalcinering. En mindre vigtig metode består i at udsætte aluminiummetalpiller af høj renhed under destilleret vand for en gnistudladning.
Anvendelser omfatter fremstilling af syntetiske ædelstene som rubiner og yttriumaluminiumgranater til lasere og safirer til instrumentvinduer og lasere.