آلومینیوم اکسید

آلومینیوم اکسید

1-مقدمه

اکسید آلومینیوم یک ترکیب شیمیایی از آلومینیوم و اکسیژن با فرمول شیمیایی Al2O3 می باشد. این ترکیب رایج ترین نوع از چندین اکسید آلومینیوم است و به طور خاص به عنوان اکسید آلومینیوم (III)  یا آلومینا شناخته و نامیده می شود و ممکن است با توجه به نوع اشکال یا کاربردهای خاص ، آلوکسید ، آلوکسیت یا آلاندوم نیز نامیده شود. این ترکیب به طور طبیعی در فاز کریستالی α-Al2O3 به عنوان کوراندوم معدنی تشکیل می شود که انواع آن سنگ های قیمتی گرانبهای یاقوت و یاقوت کبود را تشکیل می دهند. از Al2O3 برای تولید فلز آلومینیوم ، ساینده , ماده نسوز و غیره استفاده می شود.

کوراندوم رایج ترین شکل کریستالی اکسید آلومینیوم است. یاقوت سرخ و یاقوت کبود اشکال با کیفیتی از این ترکیب هستند که رنگ های مشخص خود را به دلیل وجود برخی ناخالصی ها در خود دارند. یاقوت قرمز رنگ ، مشخصه قرمز بودن و ویژگی های لیزری اش را وام دار وجود کروم می باشد. یاقوت کبود، رنگ های متفاوتی دارد که توسط ناخالصی های دیگر مانند آهن و تیتانیوم به وجود می آید. یک شکل بسیار نادر از این ترکیب به نام دلتا ، δ ،وجود دارد که به نام دلتالومیت شناخته می شود.

2-تاریخچه

آلومینیوم از کلمه لاتینalumen" " گرفته شده است. این نام را همفری دیوی ، شیمی دان انگلیسی ، برای این ماده انتخاب نمود و در سال 1808 دریافت که آلومینیوم را می توان با کاهش الکترولیتی از آلومینا (اکسید آلومینیوم) تولید کرد ، اما موفق به اثبات این نظریه در عمل نشد.

3-کاربردها

 عمده کاربردهای اکسیدهای آلومینیوم در صنایع نسوز ، سرامیک و ساینده می باشد. تناژهای بالا هیدروکسید آلومینیوم ، که آلومینا از آن مشتق می شود ، در تولید زئولیت ها ، پوشش رنگدانه های تیتانیا و به عنوان ضد آتش و مهار کننده دود استفاده می شود.

1-3-پرکننده ها و حجم دهنده

اکسید آلومینیوم از نظر شیمیایی نسبتاً بی اثر است و یک پرکننده مطلوب برای پلاستیک ها است. اکسید آلومینیوم یک ماده پر مصرف در کرم ضد آفتاب است و گاهی اوقات در لوازم آرایشی مانند رژگونه ، رژ لب و لاک ناخن نیز اصتفاده می شود.

2-3-شیشه

بسیاری از فرمولاسیون های شیشه در فرمول خود دارای اکسید آلومینیوم هستند. شیشه آلومینوسیلیکات یک نوع شیشه متداول است که اغلب حاوی 5 تا 10 درصد آلومینا است.

3-3-کاتالیست

اکسید آلومینیوم واکنش های مختلفی را که در صنعت مفید هستند ، کاتالیز می کند. اکسید آلومینیوم به عنوان کاتالیزور در فرآیند Claus برای تبدیل گازهای حاوی سولفید هیدروژن ( که جز گازهای زاد و مضر شناخته می شوند) به گوگرد عنصری در پالایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد که بیشترین میزان مصرف کاتالیسیتی را نیز در همینجا داراست. همچنین برای فرایند آبگیری الکل ها به آلکن ها نیز مفید است.
اکسید آلومینیوم به عنوان یک بستر کاتالیزور برای بسیاری از کاتالیزورهای صنعتی مانند آنهایی که در گوگردزدایی و برخی از پلیمریزاسیون های زیگلر - ناتا استفاده می شود نیز عمل می کند.

4-3-تصفیه گاز

اکسید آلومینیوم به طور گسترده ای برای حذف آب از جریان گاز و مخصوصا گازهای خروجی از کارخانه های مختلف استفاده می شود. 

5-3-ساینده

اکسید آلومینیوم به دلیل آنکه از میزان سختی و استحکام بالایی برخوردار است, به عنوان ماده ساینده مورد استفاده قرار می گیرد. این ممورد تا حدی رایج و به صرفه است که از این ماده به عنوان جایگزین بسیار ارزان تر برای الماس صنعتی استفاده می شود. در بسیاری از انواع کاغذ سنباده ها از بلورهای اکسید آلومینیوم استفاده می شود. علاوه بر این در ابزارهای برش نیز از این ماده به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. پودر اکسید آلومینیوم در برخی از کیت های  ترمیم خراش CD / DVD استفاده می شود. 

6-3-رنگ 

مورد اصلی استفاده به دلیل وجود رنگدانه آلومینا می باشد, تکه های اکسید آلومینیوم در رنگ برای جلوه های تزئینی بازتابنده ، مانند صنایع خودروسازی و آرایشی استفاده می شود.

7-3-الیاف کامپوزیت

اکسید آلومینیوم در چند ماده الیاف تجربی و تجاری برای بالابردن استفاده می شود. نانوالیاف آلومینا به طور خاص تبدیل به یک حوزه تحقیقاتی شده است.

8-3-جلیقه ضد گلوله

برخی از زره های بدنه از صفحات سرامیکی آلومینا استفاده می کنند ، معمولاً در ترکیب با بستر آرامید برای دستیابی به اثربخشی در برابر تهدیدات استفاده می شود. 

9-3-حفاظت از سایش

اکسید آلومینیوم را می توان به عنوان روکش بر روی آلومینیوم یا موارد دیگر قرار داد تا از سایش با سایر مواد ( به جز مواردی همچون الماس و غیره) جلوگیری شود.

4-واکنش ها

به علت کاربرد گسترده ی این ماده, واکنش های زیادی از آن شناخته شده هستند که در اینجا به نمونه ای از آنبسنده می کنیم. 
می توان به جای گروه های اکسیژن, گروه های متیل را جایگزین نمود و بعد از این واکنش از خواص آن در واکنش های دیگر بهره مند شد.
آلومینا به عنوان یک عایق الکتریکی در خازن های خاص و همچنین به عنوان یک بستر در برخی از فناوری های سیلیکون استفاده می شود ، که در این مورد به عنوان Silicon-on-Sapphire (SOS) شناخته می شود ، برای تولید مدارها و اجزای ابررسانا. اثرات تونلی مانند SET وSQUID.  امکان رشد فیلم ها و لایه های نازک اکسید آلومینیوم در یک مدار با تبادل شیمیایی (طبق واکنش زیر) وجود دارد.

همچنین می توان از ازن O3 به جای آب استفاده کرد

5-روش تولید

ماده معدنی هیدروکسید آلومینیوم جزء اصلی بوکسیت ( سنگ معدن اصلی آلومینیوم ) می باشد. ترکیبی از مواد معدنی شامل سنگ بوکسیت ، گیبسایت Al (OH) 3) )، بوهمیت (γ-AlO (OH))  و دیاسپور  (α-AlO (OH))  ، به همراه ناخالصی های اکسیدهای آهن و هیدروکسیدها ، کوارتز و مواد معدنی خاک رس نیز همراه این مواد می باشد. بوکسیت با فرآیند بایر Bayer خالص می شود:

به جز SiO2 ، سایر اجزای بوکسیت در مواد قلیایی و باز حل نمی شوند. پس از فیلتر کردن مخلوط اولیه ، Fe2O3 حذف می شود. هنگامی که مخلوط بایر سرد می شود ، Al (OH) 3 رسوب می کند و سیلیکات ها در محلول باقی می مانند.

سپس جامد Al (OH) 3 یا گیبسایت کلسینه می شود (تا بیش از 1100 درجه سانتی گراد گرم می شود) تا اکسید آلومینیوم ایجاد شود: 

محصول اکسید آلومینیوم تمایل به چند فاز دارد ، یعنی شامل چندین فاز اکسید آلومینیوم می باشد و فقط به شکل کروندوم نمی باشد. بنابراین می توان فرایند تولید را برای تولید یک محصول مناسب بهینه کرد. 

6-تحقیقات جدید

همانطور که در بالاتر به آن اشاره شد, یکی از کاربرد های آلومینیوم اکسید, استفاده در کامپوزیت ها می باشد. در همین زمینه پژوهشی تحت عنوان " ایجاد پوشش نانوکامپوزیتی نیکل / اکسید تیتانیوم / اکسید آلومینیوم به روش رسوب دهی الکتریکی" این کاربرد را با علم نانو ترکیب و در نشریه ی نانو مواد (تحقیقات مواد نانو کامپوزیتی) به چاپ رسانده است.

7-روش نگهداری

با توجه به ایمن بودن نسبی این ماده, مهم ترین بخش نگهداری آن, دور نگهداشتن این ماده از اسید ها و باز ها و رطوبت شدید می باشد تا ماده ی مورد نظر از بین نرفته و قابل استفاده باشد.

8-ایمنی

آلومینیوم اکسید از مواد کاملا طبیعی است و در معادن بسیاری یافت می شود و برای محیط زیست خطرناک نیست و همچنین برای سلامتی آنچنان ضرری نمی تواند داشته باشد. تنها استنشاق زیاد گرد و غبار آن و بلع زیاد می تواند مسمومیت ایجاد کند که بایستی از آن پرهیز کرد.