Aluminiumoxide (aluminiumoxide) is het meest gebruikte oxide keramische materiaal. De toepassingen zijn wijdverbreid en omvatten bougies, kraanringen, slijtvaste tegels en snijgereedschappen.
Zeer grote tonnages worden ook gebruikt bij de vervaardiging van monolithische vuurvaste materialen en bakstenen. Het wordt ook gemengd met andere materialen zoals vlokgrafiet voor andere, moeilijkere toepassingen worden overwogen, zoals giettuiten en schuifafsluiters.
Key eigenschappen
Aluminiumoxides belangrijkste eigenschappen worden hieronder weergegeven.
– Hoge druksterkte
– Hoge hardheid
– Bestand tegen schuring
– Bestand tegen chemische aanval door een brede waaier van chemische producten zelfs bij verhoogde temperaturen
– Hoge thermische geleidbaarheid
– Bestand tegen thermische schok
– Hoge graad van refractoriness
– Hoge diëlektrische sterkte
– Hoge elektrische weerstand, zelfs bij hoge temperaturen
– Transparant voor microgolf radiofrequenties
– Lage neutronendoorsnede vangstgebied
– Grondstof gemakkelijk beschikbaar en prijs niet onderhevig aan hevige schommelingen
Jaarlijkse productie
De jaarlijkse productie van aluminiumoxide bedraagt 45 miljoen ton. 90% hiervan wordt gebruikt bij de fabricage van aluminiummetaal door elektrolyse.
Waar komt aluminiumoxide vandaan?
Het grootste deel van het commercieel geproduceerde aluminiumoxide wordt verkregen door calcinatie van aluminiumhydroxide (vaak alumina trihydraat of ATH genoemd).
Het aluminiumhydroxide wordt praktisch allemaal gemaakt door het Bayerproces.
Dit omvat de ontsluiting van bauxiet in natronloog en de daaropvolgende precipitatie van aluminiumhydroxide door de toevoeging van fijne zaadkristallen van aluminiumhydroxide.
Fasen
Aluminiumoxide bestaat in vele vormen, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ; deze ontstaan bij de warmtebehandeling van aluminiumhydroxide of aluminiumoxyhydroxide. De meest thermodynamisch stabiele vorm is α-aluminiumoxyde.
Aluminiumhydroxiden
Aluminium vormt een reeks hydroxiden; sommige daarvan zijn goed gekarakteriseerde kristallijne verbindingen, terwijl andere slecht gedefinieerde amorfe verbindingen zijn. De meest voorkomende trihydroxiden zijn gibbsiet, bayeriet en nordstrandiet, terwijl de meer voorkomende oxidehydroxidevormen boehmiet en diaspore zijn.
Commercieel is de belangrijkste vorm gibbsiet, hoewel bayeriet en boehmiet ook op industriële schaal worden vervaardigd.
Aluminiumhydroxide heeft een breed scala van toepassingen, zoals vlamvertragers in kunststoffen en rubber, papiervullers en -verlengers, tandpastavullers, maagzuurremmers, titania-coating en als grondstof voor de fabricage van aluminiumchemicaliën, bijv.b.v. aluminiumsulfaat, aluminiumchloriden, polyaluminiumchloride, aluminiumnitraat.
Commerciële kwaliteiten
Smelter of metallurgische kwaliteit is de naam die wordt gegeven wanneer het wordt gebruikt bij de vervaardiging van aluminiummetaal. Historisch werd het vervaardigd uit aluminiumhydroxide met behulp van roterende ovens, maar het wordt nu over het algemeen geproduceerd in wervelbed- of wervelflash calciners. In het wervelbedproces wordt het aluminiumhydroxide toegevoerd aan een tegenstroom van hete lucht die wordt verkregen door het verbranden van stookolie of gas. Het eerste effect is dat van het verwijderen van het vrije water en dit wordt gevolgd door het verwijderen van het chemisch gecombineerde water; dit gebeurt over een temperatuurbereik tussen 180-600ºC. Het gedehydrateerde aluminiumoxide is voornamelijk in de vorm van geactiveerd aluminiumoxide en het oppervlak neemt geleidelijk af naarmate de temperatuur stijgt tot 1000ºC. Verder calcineren bij temperaturen > 1000ºC zet dit om in de stabielere α-vorm. De omzetting in de α-vorm is meestal van de orde van 25% en het specifieke oppervlak is relatief groot bij >50m²/g door de aanwezigheid van overgangsmetalen.
Gecalcineerd
Als aluminiumhydroxide wordt verhit tot een temperatuur van meer dan 1100ºC, dan doorloopt het de bovengenoemde overgangsfasen.
Het eindproduct is, als een voldoende hoge temperatuur wordt gebruikt, α-aluminiumoxide. Het produktieproces vindt commercieel plaats in lange roterende ovens. Vaak worden mineralisatoren toegevoegd om de reactie te katalyseren en de temperatuur te verlagen waarbij de α-aluminiumoxidefase wordt gevormd; fluoridezouten zijn de meest gebruikte mineralisatoren.
Deze gebrande producten worden gebruikt in een breed scala van keramische en vuurvaste toepassingen. De belangrijkste aanwezige onzuiverheid is natriumoxide. Er worden verschillende kwaliteiten geproduceerd die verschillen in kristallietgrootte, morfologie en chemische onzuiverheden.
De gebrande kwaliteiten worden vaak onderverdeeld in gewone soda, halfzure soda (sodagehalte 0,15-0,25% wt%) en laag soda.
Laag soda
Veel toepassingen, vooral in de elektrische/elektronische sector, vereisen een laag sodagehalte in het aluminiumoxide. Een laag soda-alumina wordt over het algemeen gedefinieerd als met een sodagehalte van <0,1% in gewicht. Dit kan op veel verschillende manieren worden vervaardigd, onder meer door wassen met zuur, chloortoevoeging, boriumtoevoeging en gebruik van soda-adsorberende verbindingen.
Reactief
“Reactief” aluminiumoxide is de term die gewoonlijk wordt gegeven aan een relatief zeer zuiver monster met een kleine kristalgrootte (<1 μm), dat bij lagere temperaturen tot een volledig dicht lichaam wordt gesinterd dan soda-arm, halfzout- of gewoon natriumoxide. Deze poeders worden gewoonlijk geleverd na intensieve kogelvermaling die de agglomeraten die na het branden ontstaan, opbreekt. Zij worden gebruikt waar uitzonderlijke sterkte, slijtvastheid, temperatuurbestendigheid, oppervlakteafwerking of chemische inertheid vereist zijn.
Tabulair
Tabulair aluminiumoxide is geherkristalliseerd of gesinterd α-aluminiumoxide, zo genoemd omdat zijn morfologie bestaat uit grote, 50-500 μm, platte tabletvormige kristallen van korund. Het wordt vervaardigd door gecalcineerd aluminiumoxide te pelletiseren, te extruderen of in vormen te persen en deze vormen vervolgens te verhitten tot een temperatuur net onder hun smeltpunt, 1700-1850ºC in schachtovens.
Na het calcineren kunnen de bolletjes gesinterd aluminiumoxide worden gebruikt zoals ze zijn voor sommige toepassingen, bijvoorbeeld katalysatorbedden, of ze kunnen worden gebroken, gezeefd en gemalen om een breed scala aan afmetingen te produceren. Aangezien het materiaal gesinterd is, heeft het een bijzonder lage porositeit, hoge dichtheid, lage permeabiliteit, goede chemische inertheid, hoge refractoriteit en is het bijzonder geschikt voor vuurvaste toepassingen.
Gesmolten
Gesmolten aluminiumoxide wordt gemaakt in elektrische vlamboogovens door een stroom te laten lopen tussen verticale koolstofelektroden. Door de opgewekte hitte smelt het aluminiumoxide. De oven bestaat uit een watergekoeld stalen omhulsel en er worden partijen materiaal van 3 tot 20 ton per keer gesmolten. Het gesmolten aluminiumoxide heeft een hoge dichtheid, een lage porositeit, een lage permeabiliteit en een hoge refractometrie. Als gevolg van deze eigenschappen wordt het gebruikt bij de vervaardiging van schuurmiddelen en vuurvaste materialen.
Hoge zuiverheid
Hoge zuiverheidsaluminiumoxide wordt gewoonlijk geclassificeerd als aluminiumoxide met een zuiverheidsgraad van 99,99% en kan worden vervaardigd via routes die uitgaan van Bayer-hydraat met opeenvolgende activeringen en wasbeurten, of via een chloride om de vereiste zuiverheidsgraad te bereiken. Nog hogere zuiverheden worden verkregen door calcinatie van ammoniumaluminiumsulfaat of uit aluminiummetaal. In het geval van de route via ammoniumaluminiumsulfaat wordt de vereiste zuiverheidsgraad verkregen door opeenvolgende herkristallisaties. Bijzonder hoge zuiverheden kunnen uit aluminium worden vervaardigd door het metaal met een alcohol te laten reageren, het aluminiumalkoxide te zuiveren door destillatie, hydrolyse en calcinatie. Een minder belangrijke methode is het onderwerpen van zeer zuivere aluminiummetaalkorrels onder gedestilleerd water aan een vonkoverslag.
Toepassingen zijn onder meer de vervaardiging van synthetische edelstenen zoals robijnen en yttriumaluminiumgranaten voor lasers, en saffieren voor instrumentvensters en lasers.