A alumina é uma das cerâmicas mais populares do mercado. De acordo com pesquisas de mercado, o tamanho do mercado global de alumina atingiu 44,73 bilhões de yuans em 2024 e deve crescer para 46,83 bilhões de dólares americanos em 2025 e deve ultrapassar 70,8 bilhões de dólares americanos em 2034. Isso mostra a importância da alumina como material.
Neste guia, você aprenderá tudo sobre a alumina. Desde processos de fabricação, propriedades, tipos e aplicações, você encontrará uma variedade de informações sobre ela aqui.
Links rápidos
- O que é óxido de alumínio?
- Estrutura química do óxido de alumínio
- Processo de produção de alumina
- Propriedades do Óxido de Alumínio
- Tipos de Óxido de Alumínio
- Usos do Óxido de Alumínio
O que é óxido de alumínio?
A alumina é um composto precioso extraído da bauxita. É composta por dois elementos: oxigênio e alumínio. A alumina natural existe na forma de um sólido cristalino. O estado físico da alumina processada é um pó branco. É insolúvel em água e outros solventes comuns, como propanol e etanol (esta propriedade se aplica à maioria dos óxidos metálicos). Além disso, a alumina é classificada como um composto anfótero, pois pode reagir tanto com bases quanto com ácidos.
Reação com ácido forte: Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
Reação com base forte: Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O
Pó de Alumina Branca
Outros nomes para óxido de alumínio incluem: Alumina, óxido de alumínio (III), aloxita e alóxido
Termos industriais: Aloxite, Alundum
Nome mineralógico: Coríndon
Estrutura química do óxido de alumínio
Estrutura Química e Fórmula Molecular
A fórmula química do óxido de alumínio é Al2O3. Como uma importante substância inorgânica, a estrutura molecular do óxido de alumínio possui características únicas. O peso molecular da alumina é 101,96 g/mol e a razão estequiométrica é Al:O = 2:3.
Sua configuração eletrônica é expressa como:
Al³⁺: [Ne]
O²⁻: [Ne]2s²2p⁶
Os compostos geralmente são representados por fórmulas químicas, que ajudam a mostrar as proporções de átomos individuais presentes nos elementos de um composto específico.
Tomemos o óxido de alumínio como exemplo. Expressamos a fórmula química do óxido de alumínio como Al2O3. Neste caso, os subscritos 2 e 3 indicam o número de átomos dos dois elementos que são trocados, o que explica por que o óxido de alumínio possui ligações iônicas.
Estrutura do óxido de alumínio
Estrutura cristalina de alumina
A alumina possui diversas formas cristalinas, sendo a mais comum o α-Al2O3 (coríndon), que se organiza em íons de oxigênio hexagonais compactados. A estrutura hexagonal se assemelha a um cristal, o que a torna muito dura.
A estrutura α-Al2O3 tem as seguintes características:
- Conjunto de íons de oxigênio hexagonal compactado;
- Os íons de alumínio ocupam 2/3 dos vazios octaédricos;
- Parâmetros da célula unitária: a = 4,758 Å, c = 12,991 Å;
- Grupo espacial: R3c
Estrutura α-Al2O3
Além do α-Al2O3, a alumina também possui outras fases cristalinas importantes, como segue:
- γ-Al2O3: estrutura de espinélio cúbico
- θ-Al2O3: sistema monoclínico
- δ-Al2O3: estrutura tetragonal ou ortorrômbica
- κ-Al2O3: estrutura ortorrômbica
Cada fase do cristal tem suas próprias propriedades únicas!
Processo de produção de alumina
Você tem curiosidade sobre como produzir alumina? Esta seção explicará o processo de fabricação da alumina em detalhes. Processo Bayer é um dos métodos mais importantes para a produção industrial de alumina. Foi inventado por Karl Josef Bayer em 1887.
Como o alumínio metálico reage facilmente com o oxigênio do ar para formar um composto - alumina - o processo Bayer é um método de purificação ideal. Este método utiliza bauxita como matéria-prima. O objetivo principal é separar a alumina de impurezas como ferro, titânio e dióxido de silício. Após uma série de tratamentos químicos, é possível obter alumina de alta pureza.
Estágio de digestão
Durante a etapa de digestão, a alumina é misturada com uma solução concentrada de hidróxido de sódio. Uma vez dissolvidos no hidróxido de sódio, os componentes da bauxita podem ser separados por filtração.
Processamento de matéria-prima: triturar a bauxita até menos de 200 mesh, misturar com solução de hidróxido de sódio e processar a 160-180℃ e pressão de 3,5-4,5MPa.
Reação química: Al2O3·xH2O + 2NaOH → 2NaAlO2 + (x+1)H2O
Controle de parâmetros-chave: precisão de temperatura controlada a ±2℃; concentração de solução de Na2O de 300-350g/L; tempo de reação de 1-2
Etapa de filtração:
A etapa de filtragem serve para remover as impurezas do filtrado, deixando a alumina pura, mas observe que esse método não é o mais eficiente e não remove todas as impurezas.
Separação sólido-líquido: Use filtros de alta pressão para separar lama vermelha e solução de aluminato de sódio
Controle de processo: A temperatura de filtração é controlada em 95-105℃, a pressão é controlada em 0,4-0,6MPa e a velocidade de filtração é controlada em 8-12m3/(m2·h)
Tratamento de lama vermelha: Lave e recupere a solução alcalina e faça uso abrangente da lama vermelha.
Estágio de precipitação:
Este processo requer o resfriamento do óxido de alumínio para que ele precipite. Quando pequenos cristais de óxido de alumínio são formados, o resfriamento é interrompido. Você também pode acelerar esse processo usando hidróxido de alumínio como catalisador.
Adição de sementes: Adicionar 60-80μm de sementes na proporção de 30-50g/L
Condições de precipitação: Precipitação a 45-55℃ por 24-36 horas, valor de pH controlado entre 13,5-14,0
Reação química: 2NaAlO2 + 4H2O → 2Al(OH)3↓ + 2NaOH
Estágio de calcinação:
Este processo requer o aquecimento da alumina até que toda a água de cristalização seja removida. Esta etapa garante que a alumina hidratada se transforme em alumina anidra.
Calcinação em ar de alta temperatura a 1000-1200℃ por 1-2 horas
Reação química: 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
As etapas acima são simples para a preparação de alumina pelo processo Bayer. Além do processo Bayer, existem muitos outros processos, como sinterização, lixiviação, hidrotermia, etc.
Propriedades do Óxido de Alumínio
O óxido de alumínio apresenta diversas propriedades químicas e físicas. Abaixo estão algumas das propriedades mais comuns e notáveis do óxido de alumínio.
Em anexo está a tabela de parâmetros de desempenho da alumina para sua referência simples.
|
Propriedades do material de alumina |
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|
Nome |
Alumina (Al2O3) |
Propriedades mecânicas |
Carga de dureza Vickers 500g |
（GPa） |
13.7 |
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|
Cor |
Branco |
Resistência à flexão |
MPa |
350 |
|||||
|
Principais características |
Resistência a altas temperaturas |
Resistência à compressão |
MPa |
– |
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|
Alto isolamento |
Módulo de elasticidade de Young |
GPa |
320 |
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|
Resistência à corrosão |
Coeficiente de Poisson |
– |
0.23 |
||||||
|
Alta resistência mecânica |
Tenacidade à fratura |
MPa·√m |
– |
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|
Densidade aparente |
(Kg/m³) |
3,7×103 |
Características elétricas |
Rigidez dielétrica |
V/m |
15 × 10⁶ |
|||
|
Absorção de água |
% |
0 |
Resistividade volumétrica |
20℃ |
Ω·cm |
>10¹⁴ |
|||
|
Propriedades térmicas |
Coeficiente de expansão linear |
40-400℃ |
×10⁻⁶/°C |
7.2 |
300℃ |
10¹⁰ |
|||
|
40-800℃ |
7.9 |
500℃ |
10⁸ |
||||||
|
Condutividade térmica |
W/m·K |
24 |
Constante Dielétrica (1MHz) |
– |
9.4 |
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|
Calor específico |
J/Kg·K |
0,78 × 10³ |
Tangente de perda dielétrica (1MHz, ×10⁻⁴) |
(×10⁻⁴) |
4 |
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|
Resistência ao choque térmico (na água) |
°C |
200 |
Coeficiente de perda |
(×10⁻⁴) |
38 |
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Propriedades Mecânicas
O óxido de alumínio possui excelente dureza em comparação com outros compostos metálicos. Portanto, essa propriedade o torna um composto adequado para inúmeras aplicações industriais.
Você pode usar óxido de alumínio em;
- Fabricação de abrasivos industriais
- Fabricação industrial de ferramentas de corte e desbaste.
Além disso, o óxido de alumínio também é um elemento adequado nas indústrias metalúrgicas, para fazer acabamentos e moldar materiais.
Dureza e resistência
Dureza Vickers:
- 99,5% pureza: 15-17 GPa
- 99,9% pureza: 18-20 GPa
Resistência à flexão:
- Temperatura ambiente: 300-400 MPa
- 1000°C: 150-200 MPa
Tenacidade à fratura:
- 3,5-4,5 MPa·m½
- Quanto maior a pureza da alumina, melhor a tenacidade
Ponto de ebulição
O ponto de ebulição do óxido de alumínio difere significativamente do de outros óxidos metálicos. Em circunstâncias normais, o ponto de ebulição do óxido de alumínio é de 2977 graus Celsius. Como resultado, você pode usar o óxido de alumínio em aplicações que exigem altas temperaturas.
Isso inclui a fabricação de peças de caldeiras, usadas como abrasivo na fabricação de lixas e na produção de fornalhas.
Ponto de ebulição: 2977°C ±10°C
Temperatura de transição de fase:
- Transição de fase γ→α: ~1000°C
- Transição de fase θ→α: ~1150°C
Ponto de fusão
O Al2O3 tem um ponto de fusão de aproximadamente 2072 graus Celsius. O alto ponto de fusão é atribuído às fortes ligações iônicas existentes dentro das moléculas.
O óxido de alumínio pode ser usado em diversas aplicações industriais que exigem altos pontos de fusão. Essas aplicações incluem fabricação de vidro, fornos, construção de fornalhas, entre outras.
- Ponto de fusão: 2072°C ±5°C
Leitura adicional: Pontos de fusão de materiais mais cerâmicos
Densidade
O óxido de alumínio apresenta uma densidade maior em comparação com outros óxidos metálicos. Normalmente, a densidade varia de 3,90 a 4,2 g/cm³. A variação da densidade do óxido de alumínio depende do tipo de impurezas, bem como da estrutura do metal.
Estrutura Cristalina
A estrutura cristalina dos átomos do óxido de alumínio apresenta uma estrutura hexagonal. Além disso, a proporção de ânions de oxigênio e cátions de alumínio no composto é de 3:2. Isso significa que para cada três átomos de oxigênio, existem dois átomos de alumínio.
Estabilidade Química
A estabilidade química do óxido de alumínio refere-se ao grau de sua reação com outros elementos. Neste caso, o óxido de alumínio é um óxido metálico altamente reativo. Isso ocorre porque o alumínio metálico reage prontamente com o oxigênio atmosférico para formar um composto estável (óxido de alumínio).
Isolamento
A propriedade isolante do óxido de alumínio o torna um isolante perfeito em muitas aplicações industriais. Por exemplo, a maioria dos isolamentos elétricos depende do óxido de alumínio, como capacitores e outros circuitos integrados.
Pelo contrário, apesar de ter um excelente isolamento elétrico, o óxido de alumínio é um mau condutor de calor.
Resistividade volumétrica:
- Temperatura ambiente: >10¹⁴ Ω·cm
- 1000°C: ~10⁸ Ω·cm
Resistência à ruptura:
- 10-15 kV/mm (temperatura ambiente)
- Diminuirá com o aumento da temperatura
Tipos de Óxido de Alumínio
Existem vários tipos de óxidos de alumínio. Cada tipo possui propriedades únicas. Abaixo estão alguns dos tipos mais notáveis de óxidos de alumínio:
Coríndon
Este é um tipo especial de óxido de alumínio que se apresenta como um cristal. Como tal, o coríndon é uma forma impura de alumina. Contém outros componentes, como cromo e ferro, entre outros.
Essas impurezas determinam o tipo de cor do óxido de alumínio. Por exemplo, a cor vermelha na alumina confirma a presença de cromo.
Além disso, o óxido de alumínio rico em cromo é classificado como rubi. Por outro lado, a alumina pode apresentar uma variedade de cores, diferentemente da variedade rubi. Esses tipos são classificados como safiras.
Dureza e tenacidade são propriedades dominantes do coríndon. Essas propriedades o tornam adequado para a maioria das aplicações abrasivas, como a fabricação de lixas.
Características básicas:
- Componente principal: α-Al2O3
- Sistema cristalino: sistema trigonal
- Cor: incolor (puro) e várias cores (contendo impurezas como ferro, cromo, etc.)
Características de desempenho:
- Dureza de Mohs: 9
- Densidade: 3,95-4,1 g/cm³
- Estabilidade química muito alta
- Excelente resistência ao desgaste
Principais aplicações:
- Abrasivos de alta qualidade, lixa
- Materiais ópticos
- Decoração com pedras preciosas (rubi, safira)
- Aplicações cerâmicas de precisão
Boemita
A boemita é comumente chamada de hidróxido de alumínio. Apresenta-se como uma mistura de cores que variam do marrom ao amarelo, branco e vermelho.
A diferenciação de cor é atribuída à composição de impurezas no minério metálico.
A boemita é relativamente menos dura e forte quando comparada ao coríndon.
Por esse motivo, a boemita não é adequada para a fabricação industrial de materiais abrasivos.
Características básicas:
- Componente principal: γ-AlO(OH)
- Estrutura cristalina: sistema ortorrômbico
- Aparência: branco ou castanho claro
Características de desempenho:
- Boa estabilidade térmica
- Alta área de superfície específica
- Estrutura de poros controlável
- Excelente dispersibilidade
Principais aplicações:
- Transportador de catalisador
- Adsorvente
- Revestimento
Material retardante de chamas
Diáspora
O óxido de alumínio da diáspora é às vezes chamado de diasporita. A diasporita se apresenta como cristais brancos caracteristicamente do mesmo tamanho.
Ao contrário da boemita, as diasporitas são relativamente mais duras, com maior resistência à tração. No entanto, apesar de sua alta resistência à tração, as diasporitas apresentam baixa tenacidade. Isso explica por que são normalmente muito frágeis por natureza. Da mesma forma, são insolúveis em água e em outros solventes universais.
Características básicas:
- Componente principal: α-AlO(OH)
- Estrutura cristalina: sistema ortorrômbico
- Cor: branco, cinza ou marrom claro
Características de desempenho:
- Boa resistência ao fogo
- Alta resistência mecânica
- Propriedades químicas estáveis
- Baixo coeficiente de expansão térmica
Principais aplicações:
- Vários materiais refratários
- Aplicações cerâmicas de alta temperatura
- Cimento especial
- Materiais de moagem
Gama-Alumina
Refere-se a um tipo especial de óxido de alumínio comumente utilizado na indústria petrolífera. Naturalmente, apresenta-se como cristais brancos, assemelhando-se, portanto, à alumina pura.
Uma propriedade notável da gama-alumina é sua capacidade de se dissolver facilmente em bases e ácidos. Além disso, esse tipo de alumina também se dissolve facilmente em água, formando uma solução.
Características básicas:
- Fórmula química: γ-Al2O3
- Estrutura cristalina: tipo espinélio cúbico
- Área de superfície específica: 150-300 m²/g
Características de desempenho:
- Alta área de superfície específica
- Forte atividade catalítica
- Boa estabilidade térmica
- Estrutura porosa
Principais aplicações:
- Transportador de catalisador
- Adsorvente
- Dessecante
- Tratamento de superfície
Alfa-Alumina
Varia com a gama-alumina em termos de porosidade, condutividade térmica e densidade. Geralmente, as alfa-aluminas são mais densas, têm boa condutividade térmica e são sólidas, ao contrário da gama-alumina.
Características básicas:
- Fórmula química: α-Al2O3
- Estrutura cristalina: hexagonal compactada
- Pureza: Geralmente >99,5%
Características de desempenho:
- A fase de alumina mais estável
- Excelentes propriedades mecânicas
- Estabilidade em altas temperaturas
- Quimicamente inerte
Principais aplicações:
- Cerâmicas de alto desempenho
- Substratos eletrônicos
- Biocerâmica
- Dispositivos ópticos
Usos do Óxido de Alumínio
O óxido de alumínio possui inúmeras aplicações industriais. Aqui estão algumas das aplicações mais comuns:
Cerâmica
O óxido de alumínio é uma matéria-prima importante, comumente utilizada na fabricação industrial de cerâmica. Por exemplo, o revestimento cerâmico para automóveis é feito de óxido de alumínio.
Cerâmica técnica
No campo da cerâmica técnica, a principal aplicação da alumina concentra-se na fabricação de componentes de alto desempenho. Essas cerâmicas geralmente requerem cerâmicas de alumina com pureza 99,5% ou até superior para atingir o desempenho ideal.
Por exemplo, em equipamentos de fabricação de semicondutores, a cerâmica de alumina pode ser usada para fazer portadores de wafers e outros componentes, graças à excelente resistência à alta temperatura e à corrosão da alumina.
Na fabricação de instrumentos de precisão, a alumina também é usada para fazer sondas de medição e componentes de sensores, devido à sua estabilidade dimensional e resistência ao desgaste.
Cerâmica de alumina
Cerâmica estrutural
Os principais usos da cerâmica estrutural são suporte de carga e proteção. Na engenharia mecânica, rolamentos e vedações de óxido de alumínio demonstram sua resistência única ao desgaste e sua vida útil superior, o que os torna eficazes em equipamentos rotativos de alta velocidade.
Na área de proteção, a alumina é utilizada em equipamentos militares. A blindagem de alumina possui dureza extremamente alta e boa tenacidade, sendo uma parte importante do equipamento de proteção militar.
Cerâmica à prova de balas
Aplicações Biomédicas
A alumina pode ser usada como biomaterial para ajudar a substituir tecidos danificados no corpo humano. Isso inclui órgãos como membros, mãos, ossos e articulações. Da mesma forma, você pode aplicar seu conhecimento sobre biomateriais a dispositivos emissores de luz para tratamentos hospitalares, como usar esse conhecimento para tratar células cancerígenas que precisam de luz para se curar.
Órgãos Artificiais
A aplicação da alumina na área biomédica se reflete principalmente em articulações artificiais e implantes dentários. A alumina possui boa biocompatibilidade e pode ser um material ideal para implantes médicos.
Em algumas cirurgias de substituição do quadril, cabeças esféricas de cerâmica de alumina podem proporcionar menor coeficiente de atrito e boa resistência ao desgaste. Nos últimos anos, materiais compósitos à base de alumina também alcançaram grandes avanços na área de restauração dentária.
Dispositivos médicos
Além de implantes humanos, a alumina também é amplamente utilizada na fabricação de instrumentos cirúrgicos e peças para equipamentos de diagnóstico. Esses dispositivos geralmente exigem excelentes propriedades de limpeza e esterilização, e a estabilidade química e a não toxicidade da alumina atendem a essas necessidades. Além disso, em equipamentos de imagem médica, as janelas de cerâmica de alumina também são amplamente utilizadas devido à sua boa transmitância de raios X.
Materiais Refratários
A fabricação de materiais refratários depende fortemente do óxido de alumínio como matéria-prima. Isso se deve às propriedades físicas e químicas adequadas da alumina, como:
- Excelente resistência à tração e mecânica,
- Boa condutividade térmica.
- Alto ponto de ebulição e fusão.
- Resistência à corrosão e química.
- Usos da Alumina em Aplicações Refratárias
A alumina tem sido amplamente utilizada em diversas aplicações refratárias, incluindo a indústria de cimento, a fabricação de vidro e a fabricação de aço.
Indústria de cimento
Na produção de cimento, os materiais refratários de alumina são usados principalmente para o revestimento de fornos rotativos. A alumina pode suportar altas temperaturas acima de 1450 °C e forte corrosão química, sendo muito útil em ambientes tão adversos. Utilizando tijolos de alumina de alta pureza, você pode estender significativamente a vida útil do forno e reduzir o tempo de inatividade para manutenção.
Fabricação de vidro
O uso de materiais refratários de alumina em fornos de fusão de vidro pode proporcionar excelente resistência à corrosão e boa estabilidade térmica. A alumina de alta pureza ainda consegue manter sua estrutura completa a 1600°C, o que previne eficazmente a penetração e erosão do líquido vítreo. O uso de materiais refratários de alumina em grandes quantidades pode aumentar significativamente a vida útil do seu forno.
Metalurgia do Ferro e do Aço
Na indústria de fundição de ferro e aço, materiais refratários de alumina podem ser usados em sistemas de vazamento e áreas de trabalho de alta temperatura. Essas áreas geralmente precisam suportar a erosão e o choque térmico do metal fundido, e materiais de alumina de alta pureza podem suportar bem o choque térmico, garantindo a operação segura do equipamento de fundição.
Bolas refratárias de alta alumina e tijolos refratários de alta alumina
Eletrônica
O óxido de alumínio é uma matéria-prima importante na fabricação de diversos aparelhos eletrônicos. Normalmente, a alumina oferece boas propriedades isolantes, o que é essencial para evitar choques elétricos.
Por esse motivo, é comumente aplicado em disjuntores. Outras aplicações em que o óxido de alumínio é usado em eletrônicos incluem resistores e capacitores.
Componentes de circuito
Na indústria eletrônica, a alumina pode ser transformada em substratos. Suas excelentes propriedades de dissipação de calor e isolamento podem se tornar um material importante para encapsulamento de circuitos integrados. Especialmente em alguns dispositivos de LED e radiofrequência de alta potência, as propriedades superiores dos substratos de alumina podem ser utilizadas para aprimorar significativamente seu desempenho.
Materiais isolantes
A alumina possui propriedades isolantes e pode ser utilizada como material isolante. É amplamente utilizada como isolante em equipamentos elétricos de alta tensão.
Circuito de filme fino de alumina
Abrasivos
No campo dos abrasivos, o óxido de alumínio é o material preferido para diversos tipos de desbaste de alta qualidade. Sua excelente dureza e tenacidade o tornam um excelente material para desbaste. Em alguns processos de tratamento de superfícies de metal e madeira, os abrasivos de óxido de alumínio são quase a escolha perfeita.
Leitura estendida: Abrasivo de Óxido de Alumínio vs Abrasivo de Carboneto de Silício
Leitura estendida: Mais usos da alumina
Conclusão
Em resumo, o óxido de alumínio é um dos óxidos metálicos mais valiosos que ocorrem naturalmente na superfície da Terra.
Ele contém várias propriedades químicas e físicas que o tornam adequado para inúmeras aplicações industriais.
Perguntas frequentes
Abaixo estão as perguntas frequentes sobre o óxido de alumínio como um composto metálico.
1. O óxido de alumínio é tóxico para humanos?
Do ponto de vista médico, o óxido de alumínio é menos tóxico para o corpo humano e pode ser considerado não tóxico, pois sua ingestão não causa problemas graves à saúde.
O contato diário com óxido de alumínio é seguro, porém, você não pode ingeri-lo, pois pode causar pequenos problemas de saúde, como dores de cabeça, náuseas, tosse e vômitos. Portanto, o óxido de alumínio não deve ser ingerido pelo corpo humano.
Leitura adicional: O óxido de alumínio é tóxico?
2. Por que o óxido de alumínio é caro?
Em comparação com outros óxidos metálicos, o óxido de alumínio está entre os compostos metálicos mais caros.
A produção de óxido de alumínio exige muita energia, o que impacta significativamente no custo.
Isso explica por que o alumínio é tão valorizado em comparação a outros metais. Geralmente, os altos custos compensam o processo de produção.
3. O óxido de alumínio é seguro?
A busca pela segurança do óxido de alumínio continua sendo um mistério para muitas pessoas. No entanto, está comprovado que ele é seguro para seres humanos.
Em algumas situações raras, há efeitos colaterais para aqueles que usam esse composto de alumínio.
Por exemplo, insuficiência pulmonar como resultado da inalação de pó de alumínio, irritação nos olhos e na pele.