Vzťah medzi pórovitosťou a hustotou hliníka

Hliník (Al) je hojne rozšírený strieborný biely kov, ktorý sa nachádza v celej prírode a je nenahraditeľnou surovinou v mnohých priemyselných odvetviach. Hliník má mnoho pozoruhodných vlastností vrátane pevnosti, ťažnosti, pevnosti v ťahu, tepelnej stability, odolnosti proti korózii a izolačných vlastností - vlastností, ktoré z neho robia jeden z najobľúbenejších kovov v príslušných oblastiach.

Hustota oxidu hlinitého závisí od faktorov, ako je jeho prekurzor, teplota kalcinácie a program ohrevu, ako aj štruktúra pórov a kyslosť/bazickosť povrchu.

Pórovitosť

Pórovitosť meria podiel prázdnych priestorov na celkovom objeme; zvyčajne sa vyjadruje v percentách v rozmedzí od 0% do 100%. Je veľmi dôležité pochopiť, ako súvisí pórovitosť s inými vlastnosťami, ako je hustota alebo priepustnosť; všetky tri vlastnosti sa môžu meniť v závislosti od pórovitosti materiálu.

Objekt s vysokou pórovitosťou môže obsahovať vzduchové vrecká alebo iné dutiny vo svojej štruktúre, čo vedie k rozdielom v mechanických a tepelných vlastnostiach. Pórovitosť sa môže používať aj na opis toho, ako efektívne horniny uchovávajú tekutiny, ako je ropa alebo zemný plyn, pod zemou; geológovia a inžinieri zásobníkov často využívajú pórovitosť hornín, ako sú pieskovce a karbonáty, pri určovaní množstva jednotlivých tekutín, ktoré môžu uchovávať pod zemou. Vŕtanie vrtov s vyššou pórovitosťou si vyžaduje nástroje určené špeciálne na meranie pórovitosti pred začatím vŕtania a na vytváranie cementových tesnení medzi vrtom a okolitými horninami, aby sa zabránilo úniku uhľovodíkov alebo kvapalín mimo zamýšľaných miest.

Vysoká pórovitosť oxidu hlinitého z neho robí vynikajúci materiál na podporu priemyselných katalyzátorov. Veľká plocha povrchu umožňuje uskutočňovať rôzne reakcie, napríklad podporovať katalyzátory na báze Fe pri reakciách hydroxylácie fenolu s peroxidom vodíka, pri ktorých vznikajú cenné organické zlúčeniny, ako je hydrochinón a katechol.

Táto reakcia je výhodná najmä pre ropný priemysel, pretože zvyšuje výťažnosť ropy a zároveň znižuje znečistenie životného prostredia tým, že znižuje množstvo odpadu vznikajúceho pri výrobe.

V rámci výroby oxidu hlinitého je potrebné pri spekaní pamätať na jeho pórovitosť. Môžu sa vytvoriť praskliny a pórovité produkty, ktoré zhoršujú jeho pevnosť, priepustnosť a ďalšie fyzikálne vlastnosti - preto dôkladná kontrola tohto kroku umožní získať vysokokvalitné produkty z oxidu hlinitého s nízkou pórovitosťou.

Hliník sa získava spracovaním bauxitu, lateritu bohatého na hliník. Po extrakcii sa podrobuje zušľachťovaniu Bayerovým procesom, ktorý zahŕňa rozpustenie jeho oxidu v žeravej sóde a následné odfiltrovanie nasýtených Bayerových roztokov, čím sa získava jemný biely prášok, ktorý sa podobá cukru, ale môže poškriabať sklenené povrchy; tento prášok slúži ako surovina pre rôzne keramické výrobky a komponenty.

Špecifická plocha povrchu

Plocha povrchu oxidu hlinitého je dôležitým parametrom, ktorý zohráva neoddeliteľnú úlohu v aplikáciách zahŕňajúcich adsorpciu, heterogénnu katalýzu a povrchové reakcie. Okrem toho tepelná vodivosť, zmršťovanie keramiky počas kalcinácie a jej pórová štruktúra ovplyvňujú jej výkonnosť; preto musia výrobcovia venovať osobitnú pozornosť kontrole tohto parametra, aby mohli vyrábať vysokokvalitné výrobky z oxidu hlinitého.

V porovnaní s konvenčným náprotivkom vykazuje oxid hlinitý vyrobený touto metódou výrazne väčšiu rovnomernosť rozloženia pórov a vyšší špecifický povrch ako predchádzajúce postupy. Okrem toho si jeho výroba dokáže udržať uspokojivý špecifický povrch aj pri zvýšených teplotách.

Oxid hlinitý sa v prírode vyskytuje ako korund alebo a-Al2O3, tvrdý a chemicky inertný materiál s nízkou chemickou reaktivitou. Hliník sa môže vyrábať aj tepelným spracovaním gibsitu a boehmitu s hydroxidom vápenatým, čím sa získa porézny, menej kompaktný oxid hlinitý typu g s približnou hodnotou plochy BET (N2) 5 m2g-1; tieto materiály sa široko používajú ako nosiče katalyzátorov.

Aktívny oxid hlinitý sa môže vyrábať riadeným zahrievaním hydratovaného oxidu hlinitého na vysoké teploty, čím sa molekuly vody vytláčajú cez roviny štrukturálnej slabosti do dobre definovaných pórov s priemerným priemerom pórov 4 nm, čím vzniká aktivovaný oxid hlinitý s približnou BET (N2) plochou medzi 300-400 m2g-1.

Efektívna výroba oxidu hlinitého si vyžaduje jeho výrobu s vysokým povrchom BET a hustotou skeletu, pretože to zabezpečuje optimálnu výkonnosť v rôznych aplikáciách, ako sú žiaruvzdorné materiály, abrazíva, membrány lítiových batérií, zapaľovacie sviečky, nosiče katalyzátorov a ďalšie aplikácie. Bohužiaľ, vysoký špecifický povrch a hustota výrazne zvyšujú výrobné náklady, zatiaľ čo vlastnosti závisia od faktorov, ako sú zrážacie činidlo, podmienky syntézy a podmienky sušenia, ktoré ovplyvňujú jeho vlastnosti.

Výrobcovia oxidu hlinitého preto potrebujú rýchle a presné prístroje na charakterizáciu šarží oxidu hlinitého. Prístroje Anton Paar AutoFlow BET+ a Ultrapyc ponúkajú rýchlu charakterizáciu, aby sa zabezpečilo, že šarže rýchlo spĺňajú špecifikácie; ich Brunauer-Emmett-Tellerova (BET) adsorpčná technika umožňuje presné merania SSA a hustoty skeletu vzoriek oxidu hlinitého.

Tepelná vodivosť

Tepelná vodivosť oxidu hlinitého závisí od jeho zloženia, morfológie a prítomnosti alebo neprítomnosti sekundárnych fáz. Legujúce prvky majú tendenciu výrazne znižovať jeho tepelnú vodivosť - konkrétne Cr > V > Mn > Ti > Zr > Si ako zoslabujúce činidlá, pričom posledne menované majú väčší vplyv, ak sú prítomné ako tuhé roztoky (čo znamená, že ich koncentrácia zostáva konštantná bez ohľadu na teplotu) [6,23].

Oxid hlinitý má vynikajúcu odolnosť proti korózii rôznych kyselín a solí vďaka silným iónovým a kovalentným chemickým väzbám medzi Al3+ a O2-. Okrem toho sa vyznačuje vysokým bodom topenia a tvrdosťou, vďaka čomu je schopný odolávať útokom mnohých anorganických kyselín vrátane kyseliny ortofosforečnej a fluorovodíkovej.

Kvôli silným iónovým väzbám medzi alkalickými a chloridovými iónmi nemá takú odolnosť proti korózii spôsobenej silnými zásadami a kyselinou chlorovodíkovou.

Leštenie oxidu hlinitého do extrémne hladkého povrchu je pomerne jednoduché, čo z neho robí ideálny materiál na brúsenie a frézovanie. Okrem toho jeho všestranné tvarové a rozmerové schopnosti umožňujú jeho využitie v mnohých priemyselných procesoch.

Okrem vynikajúcich mechanických vlastností sa oxid hlinitý môže pochváliť aj vynikajúcimi elektroizolačnými vlastnosťami a vysokou lámavosťou. Odoláva vysokým teplotám bez toho, aby pod tlakom praskal. Oxid hlinitý sa už dlho využíva ako substrátový materiál v rafinériách ropy na výrobu katalyzátorov, pričom je široko využívaný ako izolant.

Hliník sa môže pochváliť výnimočnými vlastnosťami odvodu tepla, vďaka ktorým je nevyhnutný pre mnohé priemyselné aplikácie. Odoláva teplotám až do 900 stupňov Celzia a zároveň sa vyznačuje nízkymi koeficientmi rozťažnosti, ktoré uľahčujú prácu s ním pri vyšších teplotách.

Hliník je inertný materiál, čo znamená, že nereaguje s chemikáliami, ktoré s ním prichádzajú do kontaktu, čím sa chráni pred poškodením a predlžuje životnosť výrobku. Vďaka tomu je oxid hlinitý ideálny pre zdravotnícke pomôcky, pretože dlhodobé používanie alebo požitie nespôsobí chemickú degradáciu keramického substrátu, zatiaľ čo zubné implantáty vyrobené z tohto materiálu zostanú nepoškodené akýmkoľvek bežným zubným ošetrením.

Odolnosť proti korózii

Hliník je nereaktívny kov, čo znamená, že odoláva náročným podmienkam a chemikáliám bez poškodenia povrchu alebo konštrukcie. Okrem toho je vďaka svojej tepelnej odolnosti vhodný na použitie pri vysokých teplotách. Okrem toho jeho nízka elektrická vodivosť slúži na izoláciu proti toku elektrického prúdu, pričom jeho pevnosť sa zvyšuje s úrovňou čistoty.

Oxid hlinitý sa prirodzene vyskytuje ako elementárna zlúčenina v bauxite, ktorý je zlúčeninou hliníka a kyslíka. Pri pôsobení kyslíka sa jeho reakciou pomaly vytvára ochranný film oxidu hlinitého; časom táto látka vytvára tvrdé zliatiny s inými prvkami, ako je horčík a meď, a poskytuje pevnosť ako zložka minerálnych zliatin.

Pri procese odlievania sa oxid hlinitý nanáša ako ochranný povlak na kovové alebo iné substráty, aby pomohol zabrániť korózii tým, že zastaví ich interakciu s prostredím. Nielenže je odolný, ale jeho tenká povaha zabezpečuje, že nenarušuje normálnu funkciu substrátu pod ním.

Koróznu odolnosť oxidu hlinitého možno určiť na základe jeho mikroštruktúry, konkrétne distribúcie častíc CaO, Fe2O3, MgO a Na2O. Okrem toho zohráva významnú úlohu v jeho koróznej odolnosti segregácia nečistôt na hraniciach zŕn počas procesu spekania, ako aj silikáty a iné prísady používané ako pomocné látky pri spekaní.

Štúdie preukázali, že predoxidácia môže výrazne zlepšiť odolnosť oxidu hlinitého proti korózii. Keramika obsahujúca 0,85 hmotnostného percenta Al2O3, predoxidovaná na vzduchu s nulovou teplotou pri 1050 stupňoch C počas 4 hodín, vykazuje veľkú odolnosť voči roztavenému chloridu v dôsledku hustej a rovnomernej tvorby usadenín, čo poskytuje ochranu pred pôsobením minerálnych kyselín.

Ďalším spôsobom, ako zvýšiť odolnosť oxidu hlinitého proti korózii, je pridanie zložiek z ušľachtilých kovov, napríklad horčíka. Tým sa zníži rýchlosť katódovej reakcie a zvýši odolnosť proti korózii - tento účinok sa ešte zvýrazní, keď sa rýchlosť chladenia rýchlo zrýchli. Okrem toho prítomnosť chrómu aj niklu znižuje riziko vzniku koróznych trhlín pri korundovej keramike.