Tonerde (Aluminiumoxid) ist das am häufigsten verwendete oxidkeramische Material. Seine Anwendungen sind weit verbreitet und umfassen Zündkerzen, Unterlegscheiben für Gewindebohrer, abriebfeste Fliesen und Schneidwerkzeuge.
Sehr große Mengen werden auch für die Herstellung von monolithischen und gemauerten feuerfesten Materialien verwendet. Es wird auch mit anderen Materialien wie Flockengraphit für andere, schwierigere Anwendungen gemischt, wie z. B. Ausgießer und Schiebeventile.
Schlüsseleigenschaften
Die Schlüsseleigenschaften von Aluminiumoxiden sind unten aufgeführt.
– Hohe Druckfestigkeit
– Hohe Härte
– Beständig gegen Abrieb
– Beständig gegen eine Vielzahl von Chemikalien auch bei erhöhten Temperaturen
– Hohe Wärmeleitfähigkeit
– Beständig gegen Temperaturschock
– Hohe Feuerfestigkeit
– Hohe Durchschlagsfestigkeit Festigkeit
– Hoher elektrischer Widerstand auch bei erhöhten Temperaturen
– Durchlässig für Mikrowellen-Radiofrequenzen
– Geringe Neutroneneinfangfläche
– Rohstoff leicht verfügbar und Preis nicht starken Schwankungen unterworfen
Jahresproduktion
Die Jahresproduktion von Aluminiumoxid beträgt 45 Millionen Tonnen. 90 % davon werden für die Herstellung von Aluminiummetall durch Elektrolyse verwendet.
Woher kommt Aluminiumoxid?
Der größte Teil des kommerziell hergestellten Aluminiumoxids wird durch Kalzinierung von Aluminiumhydroxid (häufig als Aluminiumoxidtrihydrat oder ATH bezeichnet) gewonnen.
Das Aluminiumhydroxid wird fast ausschließlich nach dem Bayer-Verfahren hergestellt.
Dabei wird Bauxit in Natronlauge aufgeschlossen und anschließend Aluminiumhydroxid durch Zugabe von feinen Aluminiumhydroxid-Kristallen ausgefällt.
Phasen
Aluminiumoxid existiert in vielen Formen, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ; diese entstehen bei der Wärmebehandlung von Aluminiumhydroxid oder Aluminiumoxyhydroxid. Die thermodynamisch stabilste Form ist α-Aluminiumoxid.
Aluminiumhydroxide
Aluminium bildet eine Reihe von Hydroxiden; einige davon sind gut charakterisierte kristalline Verbindungen, während andere unbestimmte amorphe Verbindungen sind. Die häufigsten Trihydroxide sind Gibbsit, Bayerit und Nordstrandit, während die häufigeren Oxidhydroxidformen Böhmit und Diaspore sind.
Gewerblich ist die wichtigste Form Gibbsit, obwohl auch Bayerit und Böhmit in industriellem Maßstab hergestellt werden.
Aluminiumhydroxid hat eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten, z. B. als Flammschutzmittel in Kunststoffen und Gummi, als Papierfüllstoff und -streckmittel, als Füllstoff für Zahnpasta, als Antisäuremittel, als Titandioxidbeschichtung und als Ausgangsstoff für die Herstellung von Aluminiumchemikalien, z. B.z. B. Aluminiumsulfat, Aluminiumchloride, Polyaluminiumchlorid, Aluminiumnitrat.
Gewerbliche Qualitäten
Schmelze oder metallurgische Qualität ist der Name, wenn es in der Herstellung von Aluminiummetall verwendet wird. Früher wurde es aus Aluminiumhydroxid in Drehrohröfen hergestellt, heute wird es im Allgemeinen in Wirbelschicht- oder Wirbelschichtkalzinatoren produziert. Bei den Wirbelschichtverfahren wird das Aluminiumhydroxid in einen Gegenstrom aus heißer Luft geleitet, die durch die Verbrennung von Heizöl oder Gas gewonnen wird. Zunächst wird das freie Wasser entfernt, danach folgt die Entfernung des chemisch gebundenen Wassers; dies geschieht in einem Temperaturbereich zwischen 180 und 600 ºC. Das dehydrierte Aluminiumoxid liegt hauptsächlich in Form von aktiviertem Aluminiumoxid vor, und die Oberfläche nimmt mit steigender Temperatur in Richtung 1000 ºC allmählich ab. Durch weitere Kalzinierung bei Temperaturen > 1000 ºC wird es in die stabilere α-Form umgewandelt. Die Umwandlung in die α-Form liegt in der Regel in der Größenordnung von 25 %, und die spezifische Oberfläche ist mit >50 m²/g aufgrund der vorhandenen Übergangsmetalle relativ hoch.
Kalziniert
Wird Aluminiumhydroxid auf eine Temperatur von über 1100 ºC erhitzt, durchläuft es die oben genannten Übergangsphasen.
Das Endprodukt ist α-Aluminiumoxid, wenn eine ausreichend hohe Temperatur verwendet wird. Das Herstellungsverfahren wird kommerziell in langen Drehrohröfen durchgeführt. Häufig werden Mineralisatoren zugesetzt, um die Reaktion zu katalysieren und die Temperatur, bei der sich die α-Aluminiumoxidphase bildet, zu senken; Fluoridsalze sind die am häufigsten verwendeten Mineralisatoren.
Diese kalzinierten Produkte werden in einer Vielzahl von keramischen und feuerfesten Anwendungen eingesetzt. Die wichtigste Verunreinigung ist Natriumoxid. Es werden verschiedene Qualitäten hergestellt, die sich in der Kristallitgröße, der Morphologie und den chemischen Verunreinigungen unterscheiden.
Die kalzinierten Qualitäten werden häufig in gewöhnliches Soda, mittleres Soda (Sodaanteil 0,15-0,25 Gew.-%) und niedriges Soda unterteilt.
Niedriges Soda
Viele Anwendungen, insbesondere in der Elektro-/Elektronikindustrie, erfordern einen niedrigen Sodaanteil im Aluminiumoxid. Ein Aluminiumoxid mit niedrigem Natriumgehalt wird im Allgemeinen als Aluminiumoxid mit einem Natriumgehalt von <0,1 Gewichtsprozent definiert. Es kann auf viele verschiedene Arten hergestellt werden, z. B. durch Säurewaschen, Chlorzusatz, Borzusatz und Verwendung von Soda adsorbierenden Verbindungen.
Reaktives
„Reaktives“ Aluminiumoxid ist die übliche Bezeichnung für eine Probe mit relativ hohem Reinheitsgrad und kleiner Kristallgröße (<1 μm), die bei niedrigeren Temperaturen als kalkarmes, mittelkalkarmes oder gewöhnliches Aluminiumoxid zu einem vollständig dichten Körper sintert. Diese Pulver werden normalerweise nach einer intensiven Kugelmahlung geliefert, die die nach der Kalzinierung entstandenen Agglomerate aufbricht. Sie werden dort eingesetzt, wo außergewöhnliche Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Oberflächenbeschaffenheit oder chemische Inertheit erforderlich sind.
Tafelkorund
Tafelkorund ist rekristallisiertes oder gesintertes α-Aluminiumoxid, das so genannt wird, weil seine Morphologie aus großen, 50-500 μm großen, flachen, tablettenförmigen Korundkristallen besteht. Es wird durch Pelletieren, Extrudieren oder Pressen von kalziniertem Aluminiumoxid in Formen hergestellt und dann in Schachtöfen auf eine Temperatur knapp unter dem Schmelzpunkt (1700-1850 ºC) erhitzt.
Nach dem Kalzinieren können die Kugeln aus gesintertem Aluminiumoxid so verwendet werden, wie sie sind, z. B. für Katalysatorbetten, oder sie können zerkleinert, gesiebt und gemahlen werden, um eine breite Palette von Größen zu erhalten. Da das Material gesintert wurde, weist es eine besonders niedrige Porosität, hohe Dichte, geringe Permeabilität, gute chemische Inertheit und hohe Feuerfestigkeit auf und eignet sich besonders für feuerfeste Anwendungen.
Schmelzkorund
Schmelzkorund wird in elektrischen Lichtbogenöfen hergestellt, indem ein Strom zwischen vertikalen Kohlenstoffelektroden geleitet wird. Durch die entstehende Hitze schmilzt die Tonerde. Der Ofen besteht aus einem wassergekühlten Stahlmantel, und es werden jeweils 3-20 Tonnen Material geschmolzen. Das geschmolzene Aluminiumoxid hat eine hohe Dichte, geringe Porosität, geringe Permeabilität und hohe Feuerfestigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften wird es zur Herstellung von Schleifmitteln und feuerfesten Materialien verwendet.
Hochreine Tonerden
Hochreine Tonerden werden normalerweise als solche mit einem Reinheitsgrad von 99,99 % eingestuft und können ausgehend von Bayer-Hydrat durch aufeinanderfolgende Aktivierungen und Waschungen oder über ein Chlorid hergestellt werden, um den erforderlichen Reinheitsgrad zu erreichen. Noch höhere Reinheiten werden durch Kalzinierung von Ammoniumaluminiumsulfat oder aus Aluminiummetall hergestellt. Im Falle des Weges über Ammoniumaluminiumsulfat wird der erforderliche Reinheitsgrad durch aufeinanderfolgende Umkristallisationen erreicht. Besonders hohe Reinheiten können aus Aluminium durch Reaktion des Metalls mit einem Alkohol, Reinigung des Aluminiumalkoxids durch Destillation, Hydrolyse und Kalzinierung erzielt werden. Ein kleinerer Weg besteht darin, hochreine Aluminiummetallpellets unter destilliertem Wasser einer Funkenentladung zu unterziehen.
Anwendungen umfassen die Herstellung von synthetischen Edelsteinen wie Rubinen und Yttrium-Aluminium-Granaten für Laser und Saphiren für Instrumentenfenster und Laser.