Alumiinihydroksidi

Alumiinihydroksidi, jota kutsutaan myös alumiinitrihydroksidiksi tai lyhyesti ATH:ksi, on valkoinen jauhe, jota käytetään palonestoaineena ja savunpoistoaineena, kun sitä lisätään polymeereihin, kuten kumiin ja mattoihin. Sitä käytetään yleisesti ainesosana.

Böhmiitin ja gibbsiitin terminen hajoaminen johtaa valmistusmenetelmästä riippuen alumiinioksidihydraatin lamelli- tai kuitumaisiin muotoihin, jotka voidaan sitten muuntaa hydrotermisellä käsittelyllä bayerite- tai g-Al2O3-materiaaleiksi.

1. Liekinkestävä

Korundi (a-Al2O3), alumiinioksidin luonnollinen polymorfi, on kova ja kemiallisesti inertti, ja sillä on erittäin suuri ominaispinta-ala (5 m2/g-1). Se on ensisijainen raaka-aine, jota käytetään hioma-aineiden valmistuksessa. G-tyypin alumiini on puolestaan korundia reaktiivisempaa, ja sitä käytetään katalysaattoritukiaineena; sitä voidaan valmistaa lämpökäsittelemällä gibbsiittia tai böhmiittia, ja sen BET (N2) -pinta-alat vaihtelevat.

Kaupalliset alumiinioksidit valmistetaan gibbsiitista Bayer-prosessilla, johon kuuluu liuotus, jota seuraa puhdistetun gibbsiitin saostaminen siemenillä. Tuloksena on joukko pieniä pallomaisia kiteitä sekä suurempia hiukkasia, jotka koostuvat taulumaisista ja prismaattisista kiteistä, jotka muodostavat aggregaatteja.

Nämä alumiinioksidit voidaan tunnistaa siitä, että niissä esiintyy neljä Al(OH)3-polymorfia, joilla on tasomainen pseudoheksaagonaalinen taulurakenne ja joilla kaikilla on samanlainen kiderakenne, jossa on kaksi riviä reunoja jakavia oktaedreja, jotka on yhdistetty toisiinsa yhdellä rivillä, joka koostuu viidestä siltana toimivasta hydroksyyliryhmästä, jotka yhdistävät ne toisiinsa (kuva 3.1). Niitä erottavat toisistaan pinoamisjärjestys ja kerrosten välisten ja kerrosten sisäisten vetysidosten geometria sekä se, että ei-spiraalisten paikkojen miehitys vaihtelee suhteessa tetraedrin ja oktaedrin yhteisiin paikkoihin (kuvat 3.1).

Kuumentamalla hallitussa vesihöyrynpaineessa voidaan g-Al(OH)3 muuntaa vakaammaksi a-Al(OH)3:ksi, jolloin adsorptio ja pintarakenteiden uudelleenjärjestely helpottuvat. Alhaisempi lämpötila ja korkeampi vesihöyrynpaine helpottavat tätä muutosta vapauttamalla alumiinioksidin pinnalle sitoutuneita vesimolekyylejä, jolloin pinnalle jää vapaita hydroksyylejä, jotka mahdollistavat kaasun absorption ja rakenteen uudelleenjärjestelyn.

Alumiinihydraatit tunnetaan hyvin niiden kyvystä adsorboida kaasuja ja toimia samalla palonestoaineina, ja niiden käyttäytyminen ilmassa riippuu sekä adsorboitavan kaasun luonteesta että sen muodosta.

Yleisesti ottaen alumiini, jolla on suurempi pinta-ala, on yleensä parempia palonesto-ominaisuuksia kuin alumiini, jolla on pienempi pinta-ala. Nämä erot liittyvät todennäköisesti siihen, että niiden suuremmat pinta-alat päästävät enemmän happea huokosiinsa; niiden hydratoituminen määräytyy tuotannon aikana vallitsevien lämpötila- ja kosteusolosuhteiden mukaan, mikä puolestaan vaikuttaa niiden rakenteeseen ja ominaisuuksiin.

2. Anti-savun tukahduttaja

Alumiinioksidin savunpoisto-ominaisuudet liittyvät läheisesti sen kykyyn adsorboida haihtuvia kaasuja, mikä tekee siitä erinomaisen kuivausaineen ja talteenottoaineen erilaisille kaasuille, kuten rikkivedylle (H2S). Lisäksi tämän materiaalin edeltävä lämpökäsittely on osoittautunut erittäin tehokkaaksi näissä sovelluksissa, ja sen ansiosta se pystyy imemään ja pidättämään suuria määriä H2S:ää korkeissa lämpötiloissa; absorptio lisääntyy lämpötilan noustessa.

H2S:n adsorptio alumiinioksidiin riippuu sen rakenteesta; epäjärjestyksessä olevilla rakenteilla on yleensä pienempi aktiivisuus kuin järjestäytyneemmillä rakenteilla. On kehitetty monia prosesseja, joilla tuotetaan erittäin järjestäytyneitä hydratoituneen alumiinioksidin muotoja savunpoistosovelluksia varten; yleensä jonkinlaisen hydroksidi-, oksidi-hydroksidi- tai hydroksisen alumiinioksidigeelimateriaalin lämpökäsittelyllä. Lisäksi sen adsorptio-ominaisuudet riippuvat suuresti siitä, miten ja missä lämpötilassa se on kuumennettu - optimaaliset tulokset saavutetaan alle 600 celsiusasteen lämpötiloissa.

Vesihöyrylle altistunut alumiinioksidi menettää nopeasti ja peruuttamattomasti BET-pinta-alansa (Sing, 1973). Mikrohuokoisten vesipitoisten alumiinioksidigeelien liottaminen nestemäiseen veteen johtaa huokosettomien bayeriteiden muodostumiseen sekä ominaispinta-alan nopeaan pienenemiseen (Sing, 1973).

Gibbsiittia, erittäin huokoista Al2O3:a, voidaan tuottaa kaupallisesti Bayer-prosessilla liuottamalla kuumaa kaustista aluminaattiliuosta, johon on lisätty siemeniä. Gibbsiitillä on yleensä levy- ja prismakiderakenteet; puhtaan gibbsiitin saaminen tästä teollisesta prosessista on kuitenkin vaikeaa, koska siinä on pieniä pitoisuuksia alkalimetallien kationeja, joita ei voida pestä pois laimeilla HCl-liuoksilla.

On kehitetty erilaisia menetelmiä suuren pinta-alan alumiinien tuottamiseksi ilman merkittäviä määriä alkalimetalleja, tyypillisesti "sol-gel"-tekniikoita, joissa käytetään alumiinialkoksidin hydrolyysiä geelin muodostamiseksi, jota vanhennetaan ennen lämpökuivausta, ennen kuin se muunnetaan hydrotermisesti, jolloin saadaan jauhemaista a-Al2O3:a, jolla on erilaiset hiukkaskokojakaumat.

3. Opasiteetin tehostin

Täyteaineena alumiinioksidihydraatti lisää lasitteiden läpinäkymättömyyttä kaasukuplien avulla, jotka diffundoituvat lasipinnoille ja imevät valoa. Lisäksi tämä täyteaine auttaa parantamaan lasitteiden hienojakoisuutta edistämällä lasitteen sulaan tunkeutuvien hienojakoisten kaasukuplien yhteenkokoamista.

Alumiinihydroksidia voidaan käyttää myös polymeerikomposiiteissa esteen tehostajana. Kun alumiinioksidia sekoitetaan poolittomien polymeerien kanssa, sen hiukkaset voivat levitä tasaisesti kaikkialle muodostamatta aggregaatteja, mikä auttaa ehkäisemään eroosiota iskujen aikana.

Alumiinihydroksidi (Al2O3) on alumiinioksidin muoto, jolla on suuri ominaispinta-ala ja suuri huokostilavuuspitoisuus ja joka tuottaa amfoteerisia ominaisuuksia, kuten emäksisiä ja happamia ominaisuuksia. Alumiinihydraattijauhetta valmistetaan reagoimalla alumiinioksidia suolahapon ja veden kanssa. Alumiinihydraattijauhetta toimitetaan usein hienona valkoisena jauheena, joka soveltuu muun muassa keramiikkaan, tulenkestäviin aineisiin ja teollisuusmateriaaleihin.

Alumiinihydraatilla on monimutkainen pintarakenne, joka johtuu sekä hydroksyyliryhmien että koordinoitujen vesimolekyylien läsnäolosta, ja niiden yhteinen läsnäolo luo monimutkaisen pintarakenteen. Kun se kuitenkin altistetaan ilmalle, hydroksyylit poistuvat valon vaikutuksesta, jolloin sen pinnalle jäävät paljastumaan korkea-energiset Al3 + -kohteet; myöhemmissä hydrataatioprosesseissa nämä kohteet korvautuvat kuitenkin erittäin nopeasti korkea-energisillä kationeilla, mikä johtaa lyhyempiin valuaikoihin, kun tästä materiaalista valmistettuja valukappaleita valetaan.

Savimassoissa ja lasitteissa käytetään usein tätä materiaalia, koska sen sulamislämpötila on paljon korkeampi kuin kalsinoidun alumiinioksidin, mutta sitä tulisi lisätä vain pieniä määriä, koska liika määrä voi vähentää lietteen juoksevuutta ja lisätä viskositeettia. Lisäksi tämä lisäaine edistää opasiteettia ja lisää värin voimakkuutta, kun sitä käytetään tiettyjen vaaleanpunaisten lasitteiden värjäämiseen.

Pinta-aktiiviset aineet voivat auttaa lisäämään alumiinioksidihydraatin tuotannon läpinäkymättömyyttä vähentämällä veden esiintymistä sen pinnalla ja hyödyntämällä sen suurta ominaispinta-alaa.

4. Täyteaine

Gibbsiitti (g-Al2O3) on vastakohta huokoiselle böhmiitille, jolla on jäykkä rakenne, joka koostuu kovista ja jäykistä kiteistä. Sen sijaan gibbsiitin levymäisessä rakenteessa on pieniä kiteitä, jotka muodostavat pseudokaksikulmaisia taulurakenteita, joiden päälle levyt ja prismat asettuvat muodostaen pseudokaksikulmaisia taulurakenteisia levyjä ja prismoja, joiden pseudokaksikulmaiset taulurakenteet muistuttavat pseudokaksikulmaisia levyrakenteita, joiden päälle se asettuu raaka-aineeksi alumiinioksidin teollisessa tuotannossa.

Alumiinihydraatin ionisidokset alkavat hajota 220-600 celsiusasteen lämpötiloissa, jolloin vapautuu vesimolekyylejä, jotka vaikuttavat sen luontaisiin palonesto-ominaisuuksiin.

Alumiinihydraatin hydratointi ja kalsinointi tuottavat amfoteerista alumiinitrihydroksidia, joka liukenee helposti sekä happoihin että emäksiin, mikä tekee alumiinihydraatista erittäin monipuolisen täyteaineen.

Alumiinihydroksidin jauhemainen tai rakeinen rakenne helpottaa savenvalajien työskentelyä vermikuliittia tai muita karkeampia täyteaineita helpommin, ja jotkut savenvalajat suosivat sitä vermikuliitin tai muiden täyteaineiden, kuten vermikuliitin, sijaan. Alumiinihydroksidi on olennainen ainesosa monissa hopeasavi-uunin vanutusresepteissä, koska se auttaa estämään saven tarttumisen hyllyynsä polttamisen aikana - pelkkä hyllyn pölyttäminen kevyesti hieman alumiinihydroksidilla ennen polttamista poistaa pintajännityksen ja mahdollistaa vapaan liikkumisen, koska se kutistuu pintajännityksen laskiessa - joissakin uuneissa se toimii myös eristeenä lämmönsiirtoa vastaan ympäristöstään, mikä vähentää lämmön siirtymistä polttamisen aikana, mikä vähentää lämmönsiirtymistä ohjaamalla sen käyttöä eristeenä sen lämmönsiirtokyvystä eristeenä käytettävien materiaalien välillä.