Introduzione
Crediamo che non sia più un segreto che l'ossido di alluminio abbia guadagnato così tanta popolarità nel settore della ceramica avanzata. È ampiamente noto per la sua eccezionale durezza e abrasività, che spesso lo rendono un'alternativa più economica al diamante industriale. Interessante, vero?
L'articolo di oggi fornisce un'analisi completa dell'ossido di alluminio, delle qualità che lo rendono eccezionale e delle sue numerose applicazioni.
Caratteristiche dell'ossido di alluminio
L'ossido di alluminio è un composto cristallino inodore formato dalla combinazione chimica di alluminio e ossigeno. È un composto solido bianco con formula chimica Al₂O₂, comunemente chiamato allumina, corindone o ossido di alluminio. Si trova principalmente in polvere e in una forma naturale: l'ossido di alluminio (III) (Al₂O₂). Trova una vasta gamma di applicazioni nell'industria manifatturiera, commerciale e chimica grazie alle sue eccezionali qualità.
L'ossido di alluminio è noto per la sua eccellente abrasività e la sua eccezionale durezza, e solo il carburo di silicio e il diamante possono vantare una qualità superiore. Infatti, la scala di Mohs per la durezza dell'acciaio ha fissato la durezza dell'ossido di alluminio a un impressionante 9. Inoltre, grazie alla presenza di cristalli di ossido di alluminio, è un materiale molto adatto per la produzione di metalli di alluminio ad alta resistenza. materiali ceramici, abrasivi forti, come la carta vetrata, e perfino come sostituti di gemme preziose come rubino, zaffiro, ecc. Questa durezza li rende utili anche nelle operazioni di lappatura grossolana.
L'ossido di alluminio è per lo più di natura anfotera e possiede un elevato punto di fusione di 2.072 °C, il che lo rende un buon materiale refrattario. Ha un punto di ebollizione di 2.977 °C e una densità di 3,99 g/cm³. È insolubile in qualsiasi solvente, inclusa l'acqua, possiede un elevato indice di rifrazione e una conduttività termica di circa 30 Wm−1K−1. Ha inoltre una suscettività magnetica di -37,0×10−6 cm³/mol.
L'ossido di alluminio ha una struttura trigonale ottaedrica e un peso molecolare di 101,960 g·mol−1. Forme naturali di Al₂O₂, come il corindone e la bauxite, possono essere utilizzate in una vasta gamma di studi di ingegneria come materiali assorbenti o persino come agenti essiccanti.
Nonostante la durezza dell'ossido di alluminio e il nome di ossido metallico che gli viene dato, si tratta comunque di un materiale ceramico in senso stretto, il che lo rende utile nell'industria della ceramica avanzata. Questo perché questo composto cristallino solido, formato con l'aiuto dell'ossigeno, è noto per essere altamente resistente alla corrosione o alla ruggine. Soprattutto, produce uno strato sottile che aderisce saldamente, rendendolo insolubile in qualsiasi solvente in cui venga immerso.
Utilizzi dell'ossido di alluminio (Al2O3)
Gli utilizzi dell'ossido di alluminio sono molteplici, come abbiamo accennato in precedenza, alcuni di questi sono:
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Viene utilizzato come catalizzatore nelle reazioni chimiche
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Viene utilizzato per eliminare i flussi di gas dall'acqua, purificandola.
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Viene utilizzato nella produzione del vetro.
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Viene utilizzato come ottimo abrasivo nella carta vetrata.
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Le lampade ai vapori di sodio utilizzano l'allumina.
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I substrati per circuiti integrati sfruttano l'ossido di alluminio come isolante elettrico.
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Viene utilizzato come uno degli ingredienti nella produzione di prodotti cosmetici come creme solari, smalti per unghie, rossetti, ecc.
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Viene utilizzato per rivestire utensili da cucina per la sua resistenza ai graffi e l'abrasività.
Produzione di ossido di alluminio
L'alluminio, il suo costituente principale, esiste come laterite abbondante nel terreno, in particolare nel terreno rosso, che è il secondo più metallo abbondanteUn buon esempio di questa forma di laterite utilizzata nella produzione di ossido di alluminio è la bauxite, che è composta da impurità di ossido di ferro, quarzo, silicati, allumina 55%, boemite (γ−AlO(OH), diasporo (α−AlO(OH) e gibbsite (Al(OH)3).
Viene prodotto principalmente tramite un semplice procedimento chimico noto come Processo Bayer. Questo processo culmina poi nella calcinazione per produrre infine la polvere di ossido di alluminio. Ora, spieghiamo come funziona questo Processo Bayer.
In primo luogo, il minerale contenente bauxite, a temperature che raggiungono i 175 °C, viene scomposto in una soluzione calda di idrossido di sodio. Questo porta alla formazione di alluminato di sodio. Segue quindi una fase di filtrazione dell'allumina. L'allumina filtrata è solitamente di alta qualità.
Un serbatoio precipitante viene quindi utilizzato per raffreddare questa soluzione calda. I cristalli di idrossido di alluminio si formano gradualmente man mano che la soluzione si raffredda. Successivamente, i cristalli appena formati, sottoposti ad alte temperature di circa 1.260 °C, vengono calcinati in un forno. Il prodotto finale è la polvere di ossido di alluminio.
Proprietà dell'ossido di alluminio
Sono diverse le qualità che rendono l'ossido di alluminio un materiale essenziale per molti settori dell'economia mondiale odierna, tra cui:
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Ha un punto di fusione elevato, pari a 2.072 °C.
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Ha un'elevata conduttività termica di 30 Wm−1K−1.
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Ha un peso molecolare di 101,960 g·mol−1.
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Subisce una forte reazione di neutralizzazione con l'acido solforico. Grazie alla sua natura anfotera come ossido metallico, agisce efficacemente come base e come acido.
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Reazione con acido cloridrico - Al2O3 reagisce con acidi come l'acido cloridrico diluito allo stesso modo di un ossido di sodio e magnesio Ciò è dovuto agli ioni ossido in essi contenuti. Ad esempio, nel caso dell'acido cloridrico diluito (6HCl), l'ossido di alluminio (Al2O3) reagirebbe con sei moli di questo composto per dare una soluzione di cloruro di alluminio (2AlCl3).
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Ha una densità di 3,99 g/cm³.
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Ha un punto di ebollizione elevato, pari a 2.977 °C.
Scala di durezza di Mohs
La scala di durezza di Mohs è una scala arbitraria non lineare che si può utilizzare per misurare dieci minerali facilmente reperibili come allumina, diamante, carburo di silicio, ecc., in base alla loro rispettiva durezza, resistenza ai graffi da materiali più duri e abrasività, su una scala che va da 1 a 10. Si dice che sia una scala non lineare poiché non c'è uguaglianza tra i valori di durezza relativa.
La durezza di Mohs dell'allumina può essere determinata osservando se viene graffiata da un altro minerale di durezza nota. La durezza dell'ossido di alluminio gli consente di ottenere un impressionante punteggio di 9 sulla scala di Mohs. Solo gemme come il diamante e materiali ceramici avanzati come il carburo di silicio e il carburo di boro hanno una durezza superiore a quella dell'ossido di alluminio.
Il diamante è al primo posto con un punteggio di 10, in quanto è in grado di resistere senza problemi ai graffi di altri minerali. La scala di Mohs dell'acciaio si aggira tra 7,5 e 8, il che significa che potrebbe graffiare minerali più teneri come il topazio e le scorie di rame. Ciò significa anche che potrebbe essere graffiato da minerali più duri come l'allumina e il diamante.
Modulo di elasticità dell'allumina
Questa è la misura dell'elasticità dell'allumina. Rappresenta il rapporto tra la sua elasticità in diverse quantità e gradi. Fornisce maggiori dettagli sulla resistenza meccanica e la resistenza dell'Al₂O₂ alla deformazione. Il metodo di pellettizzazione e il metodo di colata su nastro sono solitamente i metodi più comuni per determinare il modulo di elasticità dell'allumina. Questi due metodi si differenziano principalmente per l'uniformità dello spessore dei wafer utilizzati. I due metodi prevedono la pressatura della polvere, la calcinazione, la sinterizzazione, la produzione di pellet e il loro taglio in wafer. Attualmente, il valore medio noto del modulo di elasticità dell'Al₂O₂ è 249 GPa, rispetto alla sua densità di 3,99 g/cm³.
Durezza della ceramica di allumina
I moderni materiali ceramici traggono immensi benefici dalla durezza Mohs dell'alluminio, poiché presentano superfici straordinariamente dure e resistenti ai graffi. Queste ceramiche di allumina presentano una struttura reticolare cristallina ben organizzata e rigida, strettamente aggrappata.
Elevata resistenza alla compressione, forte abrasività, resistenza alla corrosione e all'usura sono alcune delle eccellenti proprietà meccaniche che caratterizzano la ceramica di allumina. Ciò significa che queste ceramiche avanzate possono sopportare carichi elevati senza alterare la loro struttura originale. Possono essere utilizzate industrialmente in condizioni di calore intenso per realizzare sistemi di trasporto e tubazioni che richiedono elevati livelli di attrito. Presentano inoltre una natura chimicamente inerte, che la rende un materiale affidabile per la produzione di apparecchiature di laboratorio.
La durezza Rockwell dell'alluminio e la prova di durezza Vickers sono due delle procedure più comuni per misurare la durezza delle ceramiche di allumina. È possibile eseguire questo test utilizzando un penetratore sulla superficie del materiale e misurando poi la deformazione osservata. È anche possibile ricavare le proprietà meccaniche delle ceramiche di allumina dai risultati ottenuti da questi test.
Tuttavia, data la natura fragile della ceramica di allumina, soprattutto se sottoposta a forze di flessione o tensione, la sua tenacità e durata possono essere aumentate da alcuni polimeri e metalli tramite un processo elettrochimico noto come anodizzazione, aumentandone così l'efficienza.
Gradi di allumina
L'ossido di alluminio esiste in varie forme e gradi grazie ai diversi processi industriali disponibili. Alcuni di questi gradi sono:
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Allumina bianca fusa
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Allumina marrone fusa
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Allumina calcinata
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Allumina di grado reattivo
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Allumina a bolle
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Allumina attivata
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Allumina submicronica.
A questi vari gradi di allumina sono associate proprietà e applicazioni specifiche.
Applicazioni dell'ossido di alluminio
L'ossido di alluminio può essere utilizzato in diversi settori a livello globale. Analizzeremo in dettaglio le principali applicazioni, tra cui:
Industria della ceramica avanzata
La durezza e la resistenza dell'ossido di alluminio sono molto utili nell'industria della ceramica avanzata. Viene utilizzato per la produzione di isolanti per forni e rivestimenti per forni. Oltre a essere un'alternativa economica al diamante industriale, è ampiamente utilizzato come buon abrasivo. I cristalli di ossido di alluminio costituiscono la maggior parte di molte carte abrasive. Anche le operazioni di rettifica traggono grandi benefici dall'Al₂O₂ grazie alla sua bassa ritenzione di calore e al basso calore specifico.
Metallurgia
L'alluminio metallico deve la sua abrasività e durezza all'ossido di alluminio. L'elevato punto di fusione e l'indice di rifrazione lo rendono un buon materiale refrattario per la produzione di alluminio metallico. Studi recenti hanno dimostrato che nel 2015, l'80-90% di ossido di alluminio prodotto a livello globale è stato utilizzato annualmente per la produzione di alluminio metallico.
Plastica e cosmetici
L'industria delle materie plastiche e quella cosmetica non sono escluse, poiché tendono a utilizzare efficacemente l'ossido di alluminio come riempitivo. Ciò è reso possibile dalla natura inerte e dal colore bianco del composto.
Bicchiere
Gli ossidi di alluminio sono un componente fondamentale del vetro. Le loro proprietà antigraffio garantiscono un'ottima protezione di rivestimenti metallici, vetri e apparecchiature ottiche.
Colore
Le industrie che si occupano della produzione di vernici utilizzano scaglie di ossido di alluminio per ottenere effetti decorativi riflettenti.
Fibra composita
I materiali in fibra commerciali devono le loro elevate prestazioni alla durezza dell'ossido di alluminio. L'Al₂O₂ ha reso la produzione di nanofibre di allumina una tendenza in crescita negli ultimi tempi.
Militare
Le piastre in ceramica di allumina sono componenti che rendono i giubbotti antiproiettile e resistenti. Le piastre in ceramica di allumina, un prodotto con durezza in ossido di alluminio, sono principalmente utilizzate in ambito militare e, nel tempo, hanno notevolmente migliorato la qualità e l'efficienza delle forze armate.
Semiconduttori ed elettronica
Circuiti stampati, semiconduttori, dielettrici capacitivi ed elettronica di potenza sfruttano generalmente le proprietà isolanti dell'ossido di alluminio. Le sue proprietà di isolamento elettrico lo rendono essenziale per circuiti stampati, semiconduttori e dielettrici per condensatori.
Medicinale
La medicina moderna deve alcuni dei suoi progressi tecnologici all'ossido di alluminio. È stato dimostrato che la durezza dell'ossido di alluminio è biocompatibile con dispositivi medici, articolazioni e ossa artificiali, nonché con impianti dentali.
Dimensioni del mercato globale dell'ossido di alluminio
Il mercato dell'ossido di alluminio sta crescendo a un ritmo fenomenale. Nel 2022, si stimava che il mercato valesse 1,4 miliardi di dollari ($20 miliardi). Attualmente, il suo tasso di crescita annuo composto (CAGR) è di 7,1 miliardi di dollari (%) e, di conseguenza, si prevede che raggiungerà i 1,4 miliardi di dollari ($70 miliardi di dollari) entro il 2030. Noi di GGSCeramics vi offriamo prodotti in ossido di alluminio ad alte prestazioni, con un'altissima purezza e una densità impressionante, adatti a qualsiasi applicazione.
Domande frequenti
L'ossido di alluminio è basico o acido?
L'ossido di alluminio è un ossido metallico anfotero. Ciò significa che può comportarsi sia come base che come acido. La natura della sostanza con cui reagisce determina se si comporterà come base o come acido.
Quali sono i metodi utilizzati per determinare il modulo di elasticità dell'allumina?
Esistono due metodi utilizzati: il metodo della pellettizzazione e il metodo della fusione a nastro.
Quali liquidi reagiscono normalmente all'alluminio?
Liquidi come l'acido cloridrico diluito, il bromo liquido e il cloruro di alluminio sono alcuni dei liquidi che a temperatura ambiente potrebbero reagire con l'ossido di alluminio.
Conclusione
Grazie ai rapidi progressi nella tecnologia moderna e nell'industrializzazione, l'ossido di alluminio sta diventando un elemento rivoluzionario e un protagonista chiave in diversi settori dei materiali. La sua utilità in diversi settori, dalla produzione di un'ampia varietà di materiali ceramici avanzati, all'impiego nell'elettronica di potenza, in medicina e in molti altri, lo rende un settore sicuro e interessante in cui investire.