Az alumínium-oxid (alumínium-oxid) a legszélesebb körben használt oxidkerámia anyag. Alkalmazásai széles körben elterjedtek, többek között gyújtógyertyák, csapoló alátétek, kopásálló lapok és vágószerszámok.
Nagyon nagy mennyiségben használják monolitikus és tégla tűzálló anyagok gyártásához is. Más anyagokkal, például pelyhes grafittal keverve más, nehezebb alkalmazásokhoz is elképzelhető, mint például öntőcsövek és tolózárak.
Főbb tulajdonságok
Az alumínium-oxidok legfontosabb tulajdonságai az alábbiakban láthatók.
– Nagy nyomószilárdság
– Nagy keménység
– Kopásállóság
– Ellenáll a vegyszerek széles körének vegyi támadásával szemben, még magas hőmérsékleten is
– Nagy hővezető képesség
– Ellenáll a hősokknak
– Nagyfokú tűzállóság
– Magas dielektromos szilárdság
– Nagy elektromos ellenállás még magas hőmérsékleten is
– Átlátszó a mikrohullámú rádiófrekvenciákkal szemben
– Alacsony neutronkeresztmetszeti befogási terület
– A nyersanyag könnyen hozzáférhető és az ára nem függ erőszakos ingadozástól
Éves termelés
Az alumínium-oxid éves termelése 45 millió tonna. Ennek 90%-át alumíniumfém előállítására használják fel elektrolízissel.
Honnan származik az alumínium-oxid?
A kereskedelmi forgalomban előállított alumínium-oxid nagy részét alumínium-hidroxid (gyakran timföld-trihidrátnak vagy ATH-nak nevezik) kalcinálásával nyerik.
Az alumínium-hidroxid gyakorlatilag teljes egészében a Bayer-eljárással készül.
Ez a bauxit nátronlúgban történő feltárását és az ezt követő alumínium-hidroxid kicsapását jelenti finom alumínium-hidroxid magkristályok hozzáadásával.
Fázisok
Az alumínium-oxid számos formában létezik, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ; ezek az alumínium-hidroxid vagy alumínium-oxihidroxid hőkezelése során keletkeznek. A termodinamikailag legstabilabb forma az α-alumínium-oxid.
Alumínium-hidroxidok
Az alumínium számos hidroxidot alkot; ezek közül néhány jól jellemezhető kristályos vegyület, míg mások rosszul definiált amorf vegyületek. A leggyakoribb trihidroxidok a gibbsite, a bayerite és a nordstrandite, míg a gyakoribb oxidhidroxid formák a boehmite és a diaspore.
Kereskedelmi szempontból a legfontosabb forma a gibbsite, bár a bayerite és a boehmite is ipari méretekben készül.
Az alumínium-hidroxidot sokféleképpen használják, például lángmentesítő anyagként műanyagokban és gumiban, papír töltőanyagként és hosszabbítószerként, fogkrém töltőanyagként, savlekötő anyagként, titáni bevonatként és alapanyagként alumíniumkémiai anyagok gyártásához, pl.pl. alumínium-szulfát, alumínium-kloridok, poli-alumínium-klorid, alumínium-nitrát.
Kereskedelmi minőségek
Az alumínium fémek gyártásánál használt alumíniumot olvasztásnak vagy kohászati minőségnek nevezik. Történelmileg alumínium-hidroxidból forgókemencékben állították elő, de ma már általában fluidágyas vagy fluid flash kalcinátorokban állítják elő. A fluid flash eljárásokban az alumínium-hidroxidot fűtőolaj vagy gáz elégetésével nyert forró levegő ellenáramába vezetik. Az első hatás a szabad víz eltávolítása, majd ezt követi a kémiailag kötött víz eltávolítása; ez 180-600 ºC közötti hőmérséklet-tartományban történik. A dehidratált alumínium-oxid főleg aktivált timföld formájában van jelen, és a felület fokozatosan csökken, ahogy a hőmérséklet 1000ºC felé emelkedik. További kalcinálás > 1000ºC hőmérsékleten ezt a stabilabb α-formává alakítja át. Az α-formává való átalakulás jellemzően 25%-os nagyságrendű, és a fajlagos felület az átmeneti fémek jelenléte miatt viszonylag nagy, >50m²/g.
Kalcinált
Ha az alumínium-hidroxidot 1100ºC feletti hőmérsékletre hevítik, akkor a fent említett átmeneti fázisokon megy át.
A végtermék, ha elég magas hőmérsékletet alkalmaznak, α-alumina. A gyártási folyamatot a kereskedelemben hosszú forgókemencékben végzik. Gyakran adnak hozzá ásványosító anyagokat, hogy katalizálják a reakciót és csökkentsék a hőmérsékletet, amelyen az α-alumina fázis kialakul; a fluorid sók a leggyakrabban használt ásványosító anyagok.
Ezeket a kalcinált termékeket a kerámia és tűzálló anyagok széles körében használják. A fő szennyeződés a nátrium-oxid. Különböző minőségeket állítanak elő, amelyek kristályos méretben, morfológiában és kémiai szennyeződésekben különböznek.
A kalcinált minőségeket gyakran közönséges szódára, közepes szódára (0,15-0,25 tömegszázalékos szódatartalom) és alacsony szódatartalomra osztják.
alacsony szódatartalom
Néhány alkalmazás, különösen az elektromos/elektronikai területeken, megköveteli, hogy az alumínium-oxidban alacsony szódatartalom legyen jelen. Az alacsony szódatartalmú alumínium-oxidot általában <0,1 tömegszázalékos szódatartalommal határozzák meg. Ez sokféle módon előállítható, beleértve a savas mosást, klór hozzáadását, bór hozzáadását és a szódaadszorbeáló vegyületek felhasználását.
Reaktív
“Reaktív” timföldnek nevezik általában a viszonylag nagy tisztaságú és kis kristályméretű (<1 μm) mintát, amely alacsonyabb hőmérsékleten teljesen sűrű testté szintereződik, mint az alacsony szódatartalmú, közepes szódatartalmú vagy közönséges szóda. Ezeket a porokat általában intenzív golyós őrlés után szállítják, amely felbontja a kalcinálás után keletkező agglomerátumokat. Ott használják őket, ahol rendkívüli szilárdságra, kopásállóságra, hőmérsékletállóságra, felületi felületkezelésre vagy kémiai inertségre van szükség.
Táblás
A táblás alumínium-oxid átkristályosított vagy szinterezett α-alumínium-oxid, amelyet azért neveznek így, mert morfológiája nagy, 50-500 μm-es, lapos, táblás korundkristályokból áll. Úgy állítják elő, hogy a kalcinált alumínium-oxidot pelletizálják, extrudálják vagy alakzatokba préselik, majd ezeket az alakzatokat aknás kemencékben közvetlenül az olvadáspontjuk alatti hőmérsékletre, 1700-1850ºC-ra hevítik.
A kalcinálás után a szinterezett alumínium-oxid gömbjei úgy, ahogy vannak, felhasználhatók bizonyos alkalmazásokhoz, pl. katalizátorágyakhoz, vagy zúzással, rostálással és őrléssel a legkülönbözőbb méretek előállítása érdekében. Mivel az anyagot szinterezték, különösen alacsony porozitású, nagy sűrűségű, alacsony áteresztőképességű, jó kémiai inertitású, nagy tűzálló képességű, és különösen alkalmas tűzálló alkalmazásokhoz.
Az olvasztott
Az olvasztott timföldet elektromos ívkemencékben állítják elő úgy, hogy függőleges szénelektródák között áramot vezetnek. A keletkező hő megolvasztja a timföldet. A kemence vízhűtéses acélhéjból áll, és egyszerre 3-20 tonnás tételeket olvasztanak. Az olvasztott timföld nagy sűrűségű, alacsony porozitású, alacsony permeabilitású és nagy tűzállóságú. E tulajdonságok eredményeként csiszolóanyagok és tűzálló anyagok gyártására használják.
Nagy tisztaságú
A nagy tisztaságú alumíniumokat általában a 99,99%-os tisztaságúak közé sorolják, és a szükséges tisztasági fok eléréséhez Bayer-hidrátból kiinduló utakon, egymást követő aktiválások és mosások alkalmazásával, vagy kloridon keresztül állíthatók elő. Még nagyobb tisztaságú alumíniumot ammónium-alumínium-szulfát kalcinálásával vagy alumíniumfémből állítanak elő. Az ammónium-alumínium-szulfáton keresztül történő eljárás esetén a szükséges tisztasági fokot egymást követő átkristályosításokkal érik el. Különösen nagy tisztaságú alumíniumból a fém alkohollal való reakciójával, az alumíniumalkoxid desztillációval történő tisztításával, hidrolízissel és kalcinálással állítható elő. Egy kisebb útvonalon a szupertiszta alumínium fémgranulátumokat desztillált vízben szikra kisülésnek vetik alá.
Az alkalmazások közé tartozik a szintetikus drágakövek, mint például a rubin és az ittrium-alumínium gránát gyártása lézerekhez, valamint a zafírok gyártása műszerablakokhoz és lézerekhez.