هيدرات الألومينا

هيدرات الألومينا، ويشار إليه أيضًا باسم ثلاثي هيدروكسيد الألومنيوم أو ATH اختصارًا، هو مسحوق أبيض يستخدم كمثبط للهب ومانع للدخان عند إضافته إلى البوليمرات مثل المطاط والسجاد. ويشيع استخدامه كمكون.

ويؤدي التحلل الحراري للبوهيميت والجيبايبت إلى أشكال صفائحية أو ليفية من هيدرات الألومينا، اعتمادًا على طريقة التحضير، والتي يمكن تحويلها بعد ذلك عن طريق المعالجة الحرارية المائية إلى مواد بايريت أو g-Al2O3.

1. مثبطات اللهب

الكوراندوم (A-A-Al2O3)، وهو متعدد الأشكال الطبيعية للألومينا، صلب وخامل كيميائياً، وله مساحة سطح محددة عالية للغاية تبلغ 5 م2/غم-1، وهو المادة الخام الأساسية المستخدمة في صناعة المواد الكاشطة. أما الألومينات من النوع G، من ناحية أخرى، فهي أكثر تفاعلية من الكوراندوم وتستخدم كدعامات حفازة؛ ويمكن إنتاجها من خلال المعالجة الحرارية للجيبوت أو البوهميت وتأتي بمساحات سطح BET (N2) مختلفة.

يتم إنتاج الألومنيوم التجاري من الجيبوتيب باستخدام عملية باير، والتي تنطوي على النض متبوعًا بالترسيب البذري للجيبيبت المنقى. وينتج عن ذلك مجموعة من البلورات الكروية الصغيرة بالإضافة إلى جسيمات أكبر تتكون من بلورات جدولية ومنشورية تشكل تجمعات.

يمكن التعرف على هذه الألومينات من خلال وجود أربعة أشكال متعددة الأشكال من الألومنيوم (Al(OH)3 ذات البنى الجدولية المستوية شبه السداسية الشكل، وتشترك جميعها في بنية بلورية واحدة متشابهة مع صفين من ثماني الأوجه متشاركة الحواف مرتبطة ببعضها البعض بصف واحد من خمس مجموعات هيدروكسيل مترابطة تربط بينها (الشكل 3.1). وتتمثل السمات المميزة لها في تسلسلات التراص وهندسة الروابط الهيدروجينية بين الطبقات وداخل الطبقات بالإضافة إلى اختلاف إشغال المواقع غير السبينية بالنسبة إلى تلك المشتركة بين رباعي الأوجه وثماني الأوجه (الشكل 3.1).

يمكن أن يؤدي التسخين تحت ضغط بخار الماء المتحكم فيه إلى تحويل g-Al(OH)3 إلى a-Al(OH)3 الأكثر استقرارًا، مما يسهل عملية الامتزاز وإعادة هيكلة الهياكل السطحية. ويساعد انخفاض درجة الحرارة وارتفاع ضغط بخار الماء على تسهيل هذا التحول عن طريق تحرير جزيئات الماء المرتبطة على سطح الألومينا، مما يترك الهيدروكسيل الحر مكشوفًا على سطحه لامتصاص الغازات وكذلك إعادة ترتيب البنية.

تشتهر هيدرات الألومينا بقدرتها على امتصاص الغازات مع العمل في الوقت نفسه كمثبطات للهب في الهواء، ويعتمد سلوكها في الهواء على طبيعة الغاز الممتز وشكله.

وبوجه عام، تميل الألومنيوم ذات المساحات السطحية الأعلى إلى إظهار خصائص مثبطة للهب أفضل من تلك التي تتميز بمساحات سطحية أقل. من المحتمل أن تكون هذه الاختلافات مرتبطة بزيادة مساحات سطحها التي تسمح بدخول المزيد من الأكسجين إلى مسامها؛ حيث يتم تحديد ترطيبها حسب ظروف درجة الحرارة والرطوبة أثناء الإنتاج والتي تؤثر بدورها على بنيتها وخصائصها.

2. مضاد للتدخين

ترتبط الخصائص المضادة للدخان للألومينا ارتباطًا وثيقًا بقدرتها على امتصاص الغازات المتطايرة، مما يجعل الألومينا مادة مجففة ممتازة وعامل استرجاع ممتاز للغازات المختلفة مثل كبريتيد الهيدروجين (H2S). وعلاوة على ذلك، أثبتت المعالجة الحرارية المسبقة لهذه المادة فعاليتها العالية في هذه التطبيقات، وتسمح لها بامتصاص كميات كبيرة من H2S والاحتفاظ بها في درجات حرارة عالية؛ مع زيادة الامتصاص مع ارتفاع درجة الحرارة.

ويعتمد امتزاز H2S بواسطة الألومينا على بنيتها؛ حيث تميل الهياكل غير المنظمة إلى إظهار نشاط أقل من الهياكل الأكثر ترتيباً. وقد تم تطوير العديد من العمليات التي تنتج أشكالاً مرتبة للغاية من الألومينا المُميّهة للتطبيقات المضادة للدخان؛ وعادةً ما يتم ذلك عن طريق المعالجة الحرارية لبعض أشكال الهيدروكسيد أو أكسيد الأكسيد الهيدروكسي أو مادة هلام الألومينا المائية. وعلاوة على ذلك، تعتمد خصائص امتصاصها بشكل كبير على كيفية ودرجة حرارة تسخينها - حيث يتم تحقيق النتائج المثلى عند درجات حرارة أقل من 600 درجة مئوية.

والجدير بالذكر أن الألومينا المعرضة لبخار الماء تفقد بسرعة وبشكل لا رجعة فيه مساحة سطحها BET (سينج، 1973). وينتج عن نقع هلام الألومينا المائي الصغير المسامي في الماء السائل تكوّن بايريت غير مسامي بالإضافة إلى التدهور السريع في مساحة السطح المحددة (سينغ، 1973).

يمكن إنتاج الجيبشيبت، وهو شكل مسامي للغاية من Al2O3، تجاريًا من خلال عملية باير عن طريق ترشيح محلول الألومينات الكاوية الساخنة مع إضافة البذر. يُظهر الجيبشيبت بشكل عام تراكيب بلورية صفائحية ومنشورية؛ ومع ذلك، فإن الحصول على الجيبشيبت النقي من هذه العملية الصناعية أمر صعب بسبب التركيزات الصغيرة من كاتيونات الفلزات القلوية التي لا يمكن غسلها باستخدام محاليل HCl المخففة.

تم تطوير طرق مختلفة لإنتاج ألومينا ذات مساحة سطحية عالية دون استخدام كميات كبيرة من المعادن القلوية، وعادةً ما تكون تقنيات "سول-جل" التي تستخدم التحلل المائي لألكوكسيد الألومنيوم لتشكيل هلام يتم تعتيقه قبل التجفيف الحراري قبل تحويله مائيًا لإنتاج مسحوق a-Al2O3 بتوزيعات متنوعة لحجم الجسيمات.

3. مُحسِّن التعتيم

كمادة مالئة، تعمل هيدرات الألومينا على تعزيز عتامة الطلاء الزجاجي من خلال فقاعات الغاز التي تنتشر في الأسطح الزجاجية لامتصاص الضوء. وعلاوة على ذلك، تساعد هذه المادة المالئة على تحسين صقل الطلاء الزجاجي من خلال تشجيع التحام فقاعات الغازات المنتشرة بدقة والتي تخترق ذوبان الزجاج.

يمكن أيضًا استخدام هيدرات الألومينا في مركبات البوليمر كمعزز للحاجز. عند خلطها مع البوليمرات غير القطبية، يمكن أن تتوزع جزيئاتها بشكل موحد في جميع الأنحاء دون تشكيل تجمعات - مما يساعد على منع أي تآكل عند التعرض للصدمات.

هيدرات الألومينا (Al2O3) هي شكل من أشكال الألومينا ذات مساحة سطح محددة عالية ومحتوى مسام مرتفع، مما ينتج عنه خصائص مذبذبة مثل الخصائص القاعدية والحمضية. يتم إنتاج مسحوق هيدرات الألومينا من خلال تفاعل الألومينا مع حمض الهيدروكلوريك والماء، وغالبًا ما يتم توفير مسحوق هيدرات الألومينا كمسحوق أبيض ناعم مناسب للاستخدامات بما في ذلك السيراميك والحراريات والمواد الصناعية.

وتمتلك هيدرات الألومينا بنية سطحية معقدة بسبب وجود كل من مجموعات الهيدروكسيل وجزيئات الماء المنسقة، حيث يؤدي وجودهما معاً إلى تكوين بنية سطحية معقدة. ولكن عند تعريضها للهواء، تتم إزالة الهيدروكسيل عن طريق التعريض تاركةً مواقع Al3+ عالية الطاقة مكشوفة على سطحها؛ ولكن في عمليات الترطيب اللاحقة يتم استبدال هذه المواقع بكاتيونات عالية الطاقة بمعدل سريع للغاية، مما يؤدي إلى تقصير زمن الصب عندما يتم صب المسبوكات المصنوعة من هذه المادة.

وغالبًا ما تعتمد أجسام الطين والطلاء الزجاجي على هذه المادة لأن درجة حرارة انصهارها أعلى بكثير من الألومينا المكلسة، على الرغم من أنه يجب إضافة كميات صغيرة فقط لأن الكثير منها يمكن أن يقلل من سيولة الملاط مما يزيد من اللزوجة. علاوة على ذلك، تعمل هذه المادة المضافة على تعزيز التعتيم بالإضافة إلى زيادة كثافة اللون عند استخدامها لتلوين بعض أنواع الطلاء الزجاجي الوردي.

يمكن للمواد الخافضة للتوتر السطحي أن تساعد في تعزيز عتامة إنتاج هيدرات الألومينا، من خلال تقليل وجود الماء على سطحها والاستفادة من مساحة سطحها النوعية العالية.

4. الحشو

يتناقض الجيبوكميت (g-Al2O3) مع البوهميت غير المسامي، الذي يتميز ببنية غير مرنة تتكون من بلورات صلبة وقاسية. وبدلاً من ذلك، يتميز الجيبوهيبيتي بتركيب بلاتيني يتميز ببلورات صغيرة تشكل هياكل جدارية شبه سداسية الشكل تتجمع عليها ألواح ومنشورات تتجمع عليها ألواح ومنشورات شبه سداسية الشكل مع هياكل جدارية شبه سداسية الشكل تشبه هياكل الطلاء شبه السداسية التي توضع عليها كمواد خام في الإنتاج الصناعي للألومينا.

عند درجات حرارة تتراوح بين 220 و600 درجة مئوية، تبدأ الروابط الأيونية في هيدرات الألومينا بالتفكك، مما يؤدي إلى تحرير جزيئات الماء التي تساهم في خصائصها الكامنة في مثبطات اللهب.

ينتج عن عملية ترطيب وتكليس هيدرات الألومينا ثلاثي هيدروكسيد الألومينا المذبذب الذي يذوب بسهولة في كل من الأحماض والقلويات، مما يجعل هيدرات الألومينا مادة حشو متعددة الاستخدامات للغاية.

إن قوام هيدرات الألومينا المسحوق أو الحبيبي يجعل من السهل على الخزافين التعامل معه أكثر من الفيرميكيولايت أو الحشوات الخشنة الأخرى، ويفضله بعض الخزافين على الفيرميكيولايت أو الحشوات الأخرى مثل الفيرميكيولايت. تُعد هيدرات الألومينا مكوناً أساسياً في العديد من وصفات حشو أفران الطين الفضي حيث تساعد على منع التصاق الطين بأرففها أثناء الحرق - مجرد رش الرف برفق ببعض هيدرات الألومينا قبل الحرق سيقضي على التوتر السطحي ويسمح بحرية الحركة حيث يتقلص مع انحسار التوتر السطحي - كما أنها تعمل في بعض الأفران كعازل ضد انتقال الحرارة من محيطها مما يقلل من انتقال الحرارة أثناء الحرق مما يقلل من انتقال الحرارة عن طريق التحكم في استخدامها كعازل من قدرتها على نقل الحرارة كعازل بين المواد المستخدمة.