Tlenek glinu (Aluminium Oxide) jest najszerzej stosowanym tlenkowym materiałem ceramicznym. Jego zastosowania są bardzo szerokie i obejmują świece zapłonowe, podkładki pod krany, płytki odporne na ścieranie i narzędzia tnące.
Bardzo duże ilości są również wykorzystywane do produkcji monolitycznych i ceglanych materiałów ogniotrwałych. Jest on również mieszany z innymi materiałami, takimi jak grafit płatkowy do innych, trudniejszych zastosowań, takich jak wylewki i zasuwy ślizgowe.
Kluczowe właściwości
Kluczowe właściwości tlenków glinu są przedstawione poniżej.
– Wysoka wytrzymałość na ściskanie
– Wysoka twardość
– Odporność na ścieranie
– Odporność na atak chemiczny szerokiej gamy substancji chemicznych nawet w podwyższonych temperaturach
– Wysoka przewodność cieplna
– Odporność na szok termiczny
– Wysoki stopień załamania
– Wysoka wytrzymałość
– Wysoka oporność elektryczna nawet w podwyższonych temperaturach
– Przezroczystość dla mikrofalowych częstotliwości radiowych
– Niska powierzchnia wychwytu przekroju neutronów
– Surowiec łatwo dostępny, a cena nie podlega gwałtownym wahaniom
Roczna produkcja
Roczna produkcja tlenku glinu wynosi 45 milionów ton. 90% z tego jest wykorzystywane do produkcji metalu aluminium przez elektrolizę.
Skąd pochodzi tlenek glinu?
Większość tlenku glinu produkowanego komercyjnie jest otrzymywana przez kalcynację wodorotlenku glinu (często określanego jako trójwodzian glinu lub ATH).
Wodorotlenek glinu jest praktycznie w całości wytwarzany w procesie Bayera.
Obejmuje on trawienie boksytu w sodzie kaustycznej, a następnie wytrącanie wodorotlenku glinu przez dodanie drobnych kryształów nasiennych wodorotlenku glinu.
Fazy
Tlenek glinu występuje w wielu formach, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ; powstają one podczas obróbki cieplnej wodorotlenku glinu lub tlenohydroksychlorku glinu. Najbardziej stabilną termodynamicznie formą jest tlenek α-glinowy.
Wodorotlenki glinu
Aluminium tworzy szereg wodorotlenków; niektóre z nich są dobrze scharakteryzowanymi związkami krystalicznymi, podczas gdy inne są źle zdefiniowanymi związkami amorficznymi. Najbardziej powszechne trójwodorotlenki to gibbsite, bayerite i nordstrandite, podczas gdy bardziej powszechne formy wodorotlenków tlenkowych to boehmite i diaspore.
Komercyjnie najważniejszą formą jest gibbsite, chociaż bayerite i boehmite są również produkowane na skalę przemysłową.
Wodorotlenek glinu ma szeroki zakres zastosowań, takich jak środki zmniejszające palność w tworzywach sztucznych i gumie, wypełniacze i przedłużacze papieru, wypełniacze pasty do zębów, środki zobojętniające, powłoki tytanowe oraz jako surowiec do produkcji chemikaliów aluminiowych, np.siarczan glinu, chlorki glinu, polichlorek glinu, azotan glinu.
Gatunki handlowe
Smelter lub metalurgiczny gatunek jest nazwa nadana, gdy jest on wykorzystywany w produkcji metalu aluminium. Historycznie był on produkowany z wodorotlenku glinu przy użyciu pieców obrotowych, ale obecnie jest generalnie produkowany w kalcynatorach fluidalnych lub fluidalnych. W procesie fluidalnym wodorotlenek glinu jest wprowadzany do przeciwprądowego strumienia gorącego powietrza uzyskanego przez spalanie oleju opałowego lub gazu. Pierwszym efektem jest usunięcie wolnej wody, po czym następuje usunięcie chemicznie połączonej wody; zachodzi to w zakresie temperatur pomiędzy 180-600ºC. Odwodniony tlenek glinu występuje głównie w postaci aktywowanego tlenku glinu, a jego powierzchnia zmniejsza się stopniowo wraz ze wzrostem temperatury w kierunku 1000ºC. Dalsza kalcynacja w temperaturze > 1000ºC przekształca go w bardziej stabilną formę α. Konwersja do formy α jest zwykle rzędu 25%, a powierzchnia właściwa jest stosunkowo wysoka i wynosi >50m²/g ze względu na obecność metali przejściowych.
Kalcynacja
Jeśli wodorotlenek glinu jest ogrzewany do temperatury przekraczającej 1100ºC, przechodzi przez fazy przejściowe, o których mowa powyżej.
Produktem końcowym, jeśli stosuje się wystarczająco wysoką temperaturę, jest tlenek glinu α. Proces produkcji odbywa się w długich piecach obrotowych. Mineralizatory są często dodawane w celu katalizowania reakcji i obniżenia temperatury, w której tworzy się faza α-aluminy; sole fluorkowe są najczęściej stosowanymi mineralizatorami.
Te kalcynowane produkty są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań ceramicznych i ogniotrwałych. Głównym obecnym zanieczyszczeniem jest tlenek sodu. Produkowane są różne gatunki, które różnią się wielkością krystalitów, morfologią i zanieczyszczeniami chemicznymi.
Kalcynowane gatunki są często dzielone na zwykłą sodę, średnią sodę (poziom sody 0.15-0.25% wt%) i niską sodę.
Niska soda
Wiele zastosowań, szczególnie w obszarach elektrycznych/elektronicznych, wymaga niskiego poziomu sody w tlenku glinu. Korund o niskiej zawartości sody jest ogólnie zdefiniowany jako o zawartości sody <0,1% wagowo. Może on być wytwarzany na wiele różnych sposobów, w tym przez płukanie kwasem, dodanie chloru, dodanie boru i wykorzystanie związków adsorbujących sodę.
Reaktywny
„Reaktywny” tlenek glinu jest terminem zwykle nadawanym względnie wysokiej czystości i małej wielkości kryształu (<1 μm) próbce, która spieka się do całkowicie gęstego ciała w niższych temperaturach niż niskosodowy, średniosodowy lub zwykły. Proszki te są zwykle dostarczane po intensywnym mieleniu kulowym, które rozbija aglomeraty powstałe po kalcynacji. Są one stosowane tam, gdzie wymagana jest wyjątkowa wytrzymałość, odporność na zużycie, odporność na temperaturę, wykończenie powierzchni lub obojętność chemiczna.
Tabularny
Tabularny tlenek glinu jest rekrystalizowanym lub spiekanym tlenkiem glinu, tak zwanym, ponieważ jego morfologia składa się z dużych, 50-500 μm, płaskich kryształów korundu w kształcie tabletek. Jest on produkowany przez granulowanie, wytłaczanie lub prasowanie kalcynowanego tlenku glinu w kształty, a następnie ogrzewanie tych kształtów do temperatury tuż poniżej ich punktu topnienia, 1700-1850ºC w piecach szybowych.
Po kalcynacji, kule spiekanego tlenku glinu mogą być używane w postaci, w jakiej są do niektórych zastosowań, np. w złożach katalizatorów, lub mogą być kruszone, przesiewane i mielone w celu uzyskania szerokiego zakresu rozmiarów. Ponieważ materiał został spiekany, ma szczególnie niską porowatość, wysoką gęstość, niską przepuszczalność, dobrą obojętność chemiczną, wysoką ogniotrwałość i jest szczególnie odpowiedni do zastosowań ogniotrwałych.
Stopiony
Stopiony tlenek glinu jest wytwarzany w elektrycznych piecach łukowych przez przepuszczanie prądu między pionowymi elektrodami węglowymi. Wytworzone ciepło topi tlenek glinu. Piec składa się z płaszcza stalowego chłodzonego wodą, a 3-20 tonowe partie materiału są topione w tym samym czasie. Stopiony tlenek glinu ma wysoką gęstość, niską porowatość, niską przepuszczalność i wysoką ogniotrwałość. W wyniku tych właściwości jest on stosowany w produkcji materiałów ściernych i ogniotrwałych.
Wysoka czystość
Glin o wysokiej czystości jest zwykle klasyfikowany jako ten o czystości 99,99% i może być wytwarzany drogami rozpoczynającymi się od hydratu Bayera przy użyciu kolejnych aktywacji i płukania lub poprzez chlorek w celu osiągnięcia niezbędnego stopnia czystości. Jeszcze wyższą czystość uzyskuje się przez kalcynowanie siarczanu amonowo-glinowego lub z glinu metalicznego. W przypadku drogi przez siarczan amonowo-glinowy niezbędny stopień czystości uzyskuje się przez kolejne rekrystalizacje. Szczególnie wysoką czystość można uzyskać z glinu poprzez reakcję metalu z alkoholem, oczyszczenie alkoksydu glinu poprzez destylację, hydrolizę i kalcynację. Niewielka droga obejmuje poddawanie superczystego aluminium metalicznego w postaci granulek pod wodą destylowaną wyładowaniom iskrowym.
Zastosowanie obejmuje wytwarzanie syntetycznych kamieni szlachetnych, takich jak rubiny i granaty itrowo-glinowe do laserów oraz szafiry do okien instrumentów i laserów.
.