Alumiinioksidi (alumiinioksidi) on laajimmin käytetty oksidikeraaminen materiaali. Sen käyttökohteet ovat laajat, ja niihin kuuluvat sytytystulpat, hanan aluslevyt, kulutusta kestävät laatat ja leikkaustyökalut.
Erittäin suuria määriä käytetään myös monoliittisten ja tiilisten tulenkestävien materiaalien valmistukseen. Sitä sekoitetaan myös muihin materiaaleihin, kuten hiutalegrafiittiin, muita vaikeampia käyttökohteita varten on suunniteltu, kuten kaadotulpat ja liukuventtiilit.
Keskeiset ominaisuudet
Alumiinioksidien keskeiset ominaisuudet on esitetty alla.
– Korkea puristuslujuus
– Korkea kovuus
– Kestää hankausta
– Kestää monenlaisten kemikaalien kemiallisen hyökkäyksen jopa korkeissa lämpötiloissa
– Korkea lämmönjohtavuus
– Kestää lämpöshokkeja
– Suuri tulenkestävyys
– Korkea läpilyöntikestävyys. lujuus
– Korkea sähköinen resistiivisyys myös korkeissa lämpötiloissa
– Läpinäkyvä mikroaaltoradiotaajuuksille
– Matala neutronipoikkileikkauksen kaappauspinta-ala
– Raaka-ainetta on helposti saatavilla, eikä sen hinnassa ole rajuja vaihteluita
Vuosittainen tuotanto
Alumiinioksidin vuosituotanto on 45 miljoonaa tonnia. Tästä 90 % käytetään alumiinimetallin valmistukseen elektrolyysillä.
Missä alumiinioksidi on peräisin?
Suurin osa kaupallisesti tuotetusta alumiinioksidista saadaan kalsinoimalla alumiinihydroksidia (jota usein kutsutaan alumiinitrihydraatiksi tai ATH:ksi).
Alumiinihydroksidi valmistetaan käytännöllisesti katsoen kokonaan Bayer-prosessilla.
Siinä bauksiitti liuotetaan natriumhydroksidissa ja sen jälkeen alumiinihydroksidi saostetaan lisäämällä siihen hienoja alumiinihydroksidin siemenkiteitä.
Vaiheet
Alumiinioksidia esiintyy monissa muodoissa, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ; nämä syntyvät alumiinihydroksidin tai alumiinioksihydroksidin lämpökäsittelyssä. Termodynaamisesti stabiilein muoto on α-alumiinioksidi.
Alumiinihydroksidit
Alumiini muodostaa erilaisia hydroksideja; jotkut näistä ovat hyvin karakterisoituja kiteisiä yhdisteitä, kun taas toiset ovat huonosti määriteltyjä amorfisia yhdisteitä. Yleisimpiä trihydroksideja ovat gibbsiitti, bayerite ja nordstrandite, kun taas yleisempiä oksidihydroksidimuotoja ovat boehmite ja diaspore.
Kaupallisesti tärkein muoto on gibbsiitti, joskin myös bayerite ja boehmite valmistetaan teollisessa mittakaavassa.
Alumiinihydroksidilla on monenlaisia käyttötarkoituksia, kuten palonestoaineena muovissa ja kumissa, paperin täyteaineena ja pidennysaineena, hammastahnan täyteaineena, happamuudensäätöaineena, titaanipinnoitteena ja raaka-aineena alumiinikemikaalien valmistuksessa, esim.esim. alumiinisulfaatti, alumiinikloridit, polyalumiinikloridi, alumiininitraatti.
Kaupalliset laatuluokat
Smelteri- tai metallurginen laatuluokka on nimitys, joka annetaan, kun sitä käytetään alumiinimetallin valmistuksessa. Historiallisesti sitä valmistettiin alumiinihydroksidista kiertouuneissa, mutta nykyään sitä valmistetaan yleensä leijukerros- tai leijupetikalsinoissa. Fluid-flash-prosessissa alumiinihydroksidi syötetään vastavirtaan, jossa on kuumaa ilmaa, joka saadaan polttoöljyn tai kaasun polttamisesta. Ensimmäinen vaikutus on vapaan veden poistaminen, minkä jälkeen poistetaan kemiallisesti sitoutunut vesi; tämä tapahtuu 180-600 ºC:n lämpötila-alueella. Dehydratoitu alumiinioksidi on pääasiassa aktivoidun alumiinioksidin muodossa, ja sen pinta-ala pienenee vähitellen lämpötilan noustessa kohti 1000 ºC:ta. Kalsinoinnin jatkaminen > 1000ºC:n lämpötiloissa muuttaa tämän stabiilimpaan α-muotoon. Muuntuminen α-muotoon on tyypillisesti 25 %:n luokkaa ja ominaispinta-ala on suhteellisen suuri >50m²/g siirtymämetallien läsnäolon vuoksi.
Kalsifioitu
Jos alumiinihydroksidia kuumennetaan yli 1100ºC:n lämpötilaan, se läpäisee edellä mainitut siirtymävaiheet.
Lopputuotteena, jos käytetään riittävän korkeaa lämpötilaa, on α-alumiinioksidi. Valmistusprosessi tapahtuu kaupallisesti pitkissä pyörivissä uuneissa. Mineralisaattoreita lisätään usein katalysoimaan reaktiota ja alentamaan lämpötilaa, jossa α-alumiinafaasi muodostuu; fluoridisuolat ovat yleisimmin käytettyjä mineralisaattoreita.
Näitä kalsinoituja tuotteita käytetään monissa keraamisissa ja tulenkestävissä sovelluksissa. Tärkein epäpuhtaus on natriumoksidi. Valmistetaan erilaisia laatuja, jotka eroavat toisistaan kiteiden koon, morfologian ja kemiallisten epäpuhtauksien suhteen.
Kalsinoidut laadut jaetaan usein tavalliseen soodaan, keskisoodaan (soodapitoisuus 0,15-0,25 painoprosenttia) ja vähäsoodaiseen soodaan.
Matalasoodainen sooda
Monissa sovelluksissa, erityisesti sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa, edellytetään, että alumiinioksidin sisältämässä soodassa on vähäinen määrä soodaa. Vähäsoodainen alumiinioksidi määritellään yleensä siten, että sen soodapitoisuus on <0,1 painoprosenttia. Tämä voidaan valmistaa monilla eri tavoilla, kuten happopesulla, kloorin lisäyksellä, boorin lisäyksellä ja soodaa adsorboivien yhdisteiden käytöllä.
Reaktiivinen
”Reaktiivinen” alumiinioksidi on termi, joka tavallisesti annetaan suhteellisen korkeapuhtaalle ja pienikokoiselle näytteelle, joka sintraantuu matalammissa lämpötiloissa täyteen tiiviiksi kappaleeksi kuin matala-, keskikokoinen tai tavallinen alumiinioksidi. Nämä jauheet toimitetaan tavallisesti intensiivisen kuulamyllytyksen jälkeen, joka hajottaa kalsinoinnin jälkeen syntyneet agglomeraatit. Niitä käytetään silloin, kun vaaditaan poikkeuksellista lujuutta, kulutuskestävyyttä, lämpötilankestävyyttä, pintakäsittelyä tai kemiallista inerttiyttä.
Taulukollinen
Taulukollinen alumiinioksidi on uudelleenkiteytynyttä tai sintrattua α-alumiinioksidia, joka on saanut nimensä siitä, että sen morfologia koostuu suurista 50-500 μm:n suuruisista, litteistä, laakeista, tabletinmuotoisista kiteistä, jotka ovat peräisin korundista. Sitä valmistetaan pelletöimällä, suulakepuristamalla tai puristamalla kalsinoitua alumiinioksidia muotoon ja sitten kuumentamalla nämä muodot hieman alle sulamispisteen, 1700-1850ºC:n lämpötilaan kuilu-uuneissa.
Kalsinoinnin jälkeen sintrattua alumiinioksidia voidaan käyttää sellaisenaan joihinkin käyttötarkoituksiin, esimerkiksi katalysaattoripohjiin, tai niitä voidaan murskata, seuloa ja jauhaa, jolloin saadaan aikaan laaja valikoima eri kokoja. Koska materiaali on sintrattu, sillä on erityisen pieni huokoisuus, suuri tiheys, alhainen läpäisevyys, hyvä kemiallinen inerttiys, korkea tulenkestävyys ja se soveltuu erityisesti tulenkestäviin sovelluksiin.
Sulautettu
Sulautettu alumiinioksidi valmistetaan valokaariuuneissa johtamalla virtaa pystysuorien hiilielektrodien välissä. Syntyvä lämpö sulattaa alumiinioksidin. Uuni koostuu vesijäähdytteisestä teräskuoresta, ja siinä sulatetaan kerrallaan 3-20 tonnin eriä materiaalia. Sulatetun alumiinioksidin tiheys on suuri, huokoisuus pieni, läpäisevyys pieni ja tulenkestävyys suuri. Näiden ominaisuuksien ansiosta sitä käytetään hioma-aineiden ja tulenkestävien aineiden valmistukseen.
Korkeapuhtaus
Korkeapuhtaaksi alumiinioksidiksi luokitellaan tavallisesti alumiinioksidit, joiden puhtausaste on 99,99 %, ja niitä voidaan valmistaa Bayerin hydraatista alkavilla reiteillä, joissa käytetään peräkkäisiä aktivaatioita ja pesuja, tai kloridin välityksellä tarvittavan puhtausasteen saavuttamiseksi. Vielä korkeampia puhtauksia valmistetaan kalsinoimalla ammoniumalumiinisulfaattia tai alumiinimetallista. Ammoniumalumiinisulfaatin kautta kulkevalla reitillä tarvittava puhtausaste saavutetaan peräkkäisillä uudelleenkiteytyksillä. Erityisen suuria puhtauksia voidaan valmistaa alumiinista reagoimalla metalli alkoholin kanssa, puhdistamalla alumiinialkoksidi tislaamalla, hydrolysoimalla ja kalsinoimalla. Eräässä vähäisemmässä menetelmässä erittäin puhtaita alumiinimetallipellettejä altistetaan tislatun veden alla kipinäpurkaukselle.
Sovelluksia ovat mm. synteettisten jalokivien, kuten rubiinien ja yttriumalumiinigranaattien valmistaminen lasereihin sekä safiirien valmistaminen instrumenttien ikkunoihin ja lasereihin.