Alumina, algemeen bekend als aluminiumoxide (Al2O3), is een inert, reukloos, wit amorf materiaal dat vaak wordt gebruikt in industriële keramiek. Door zijn uitstekende eigenschappen heeft aluminiumoxide bijgedragen tot een aanzienlijk aantal levensverlengende en maatschappijverbeterende toepassingen. Het wordt op grote schaal gebruikt op medisch gebied en in de moderne oorlogsvoering.
Aluminiumoxide is een thermisch instabiele en onoplosbare verbinding die van nature voorkomt in verschillende mineralen, zoals korund, een kristallijne variant van het oxide, en bauxiet, dat wordt beschouwd als het belangrijkste aluminiumerts .
Hier zult u leren over:
- Wat de belangrijkste eigenschappen van aluminiumoxide zijn
- Hoe aluminiumoxide wordt geproduceerd
- Wat de belangrijkste toepassingsgebieden zijn waarin aluminiumoxide wordt gebruikt
Eigenschappen van aluminiumoxide
Dankzij zijn uitstekende mechanische, chemische en thermische eigenschappen onderscheidt aluminiumoxide zich van vele vergelijkbare materialen door gelijke of betere oplossingen te bieden voor goedkope productie en fabricage.
De prestaties berusten op de volgende eigenschappen , , :
|
Eigenschap |
Waarde |
|
Smeltpunt |
2,072 °C (3,762 °F; 2,345 K) |
|
kookpunt |
2,977 °C (5,391 °F; 3,250 K) |
|
hardheid |
15 – 19 GPa (9 op de schaal van Mohs) |
|
Elektrisch weerstandsvermogen |
1012 – 1013 Ωm |
|
Mechanische sterkte |
300 – 630 MPa |
|
Compressieve sterkte |
2,000 – 4.000 MPa |
|
Thermische geleidbaarheid |
20 – 30 W/mK |
|
Moleculaire massa |
101.96 g/mol |
|
Dichtheid |
3.95 g/cm3 |
|
Opzicht |
Vast |
Hoe wordt aluminium oxide geproduceerd?
Aluminiumoxide wordt vaak geproduceerd door middel van het Bayer-proces, wat inhoudt dat bauxiet wordt geraffineerd om aluminiumoxide te produceren. De volgende omkeerbare chemische vergelijking beschrijft het verloop van het Bayer-proces:
Dit proces begint met het drogen van gebroken en gewassen bauxiet, dat gewoonlijk 30-55% Al2O3 bevat. Het bauxiet wordt opgelost in natronloog om een slurry te vormen, verhit tot temperaturen van ongeveer 230-520 °F (110-270 °C). Dit mengsel wordt dan gefiltreerd om het residu te verwijderen dat de “rode modder” onzuiverheden wordt genoemd.
De gefilterde aluminiumoxide-oplossing (aluminiumhydroxide) wordt vervolgens overgebracht of gepompt in precipitatietanks waar het afkoelt en begint te bezitten. Deze zaden stimuleren een neerslagproces waardoor vaste aluminiumhydroxidekristallen worden gevormd. Al het aluminiumhydroxide dat op de bodem van de tank bezinkt, wordt verwijderd.
De overblijvende natronloog wordt van het aluminiumhydroxide gewassen en op verschillende niveaus gefilterd. Tenslotte wordt het verwarmd om het overtollige water volledig te verwijderen. Nadat het door een afkoelingsfase is gegaan, ontstaat het fijne witte poeder .
Het Bayer-proces is samengevat in figuur 1, waarin alle fasen zijn aangegeven en wat er tijdens elke fase gebeurt.
Figuur 1: Bayer-proces in zijn moderne vorm (2017), aangezien de verwijderingsstappen van silica en oxalaat zijn toegevoegd aan het oorspronkelijke Bayer-proces van 1892. Overgenomen van figuur 3.1 (p.51) van ref. 1.
Toepassingen van aluminiumoxide
Het grootste deel van het geproduceerde aluminiumoxide wordt gebruikt om aluminiummetaal te vormen. Zuurstof katalyseert typisch corrosie in reactie met het metaalaluminium. Nochtans, wanneer gebonden met zuurstof om aluminiumoxyde te vormen, vormt zich een beschermende deklaag en verhindert verdere oxydatie. Dit voegt sterkte toe en maakt het materiaal minder kwetsbaar voor verslechtering.
Industrieën die aluminiumoxyde gebruiken omvatten:
Medische industrie
Gevolge de hardheid, de bio-traagheid en de chemische eigenschappen van aluminiumoxyde, is het een aangewezen materiaal voor lagers in heupprotheses, als prothesen, bionische implants, prothetische oogsubstituten, weefselversterkingen, tandkronen, abutments, bruggen, en andere tandimplantaten. Het wordt ook gebruikt in laboratoriumapparatuur en -gereedschap zoals smeltkroezen, ovens en ander laboratoriumgerei.
Militaire en beschermende uitrusting
De sterkte en het lichte gewicht van aluminiumoxide dragen bij tot de verbetering van lichaamspantsering, zoals borstplaten, en voertuig- en vliegtuigbepantsering, die zijn grootste markt vormt. Aluminiumoxyde wordt ook gebruikt in synthetische saffier kogelvrije vensters en ballistiek.
Elektrische en elektronische industrie
Het hoge smelt- en kookpunt, naast zijn uitstekende thermische weerstandseigenschappen, maken aluminiumoxyde wenselijk bij de vervaardiging van hoge-temperatuur ovenisolaties en elektrische isolatoren. Aluminiumoxidefolies zijn ook essentiële componenten in de microchipindustrie. Enkele van zijn andere toepassingen zijn bougie-isolatoren, micro-elektrische substraten en isolerende heatsinks .
Goederenindustrie
Aluminiumoxide is een waardevol element bij de vorming van robijnen en saffieren. De kristallijne vorm ervan, korund, is het basiselement voor deze kostbare edelstenen. Robijnen danken hun dieprode kleur aan onzuiverheden van chroom, terwijl saffieren hun afwijkende kleuren krijgen van sporen van ijzer en titanium.
Industriële toepassingen
Omdat aluminiumoxide chemisch inert is, wordt het gebruikt als vulmiddel in kunststoffen, bakstenen en ander zwaar kleiwerk, zoals ovens. Door zijn extreme sterkte en hardheid wordt het vaak gebruikt als schuurmiddel voor schuurpapier. Het is ook een economisch vervangingsmiddel voor industriële diamanten.
Aluminiumoxiden worden ook gebruikt voor de productie van pijpleidingcomponenten zoals ellebogen, T-stukken, rechte pijpen, hydrocyclonen, verloopstukken, straalpijpen en kleppen. Andere toepassingen zijn de productie van diverse gereedschappen voor machinale bewerking, snijgereedschap, omhulsels voor thermokoppels, slijtvaste pompwaaiers en stootplaten.