1.1 Кристална структура глинице
Глиница има релативно сложену структуру, у којој је подељена у две категорије на основу распореда О2-: кубична структура (фцц) или хексагонална чврсто збијена структура (хцп). Унутар ове две главне категорије, даља класификација се може извршити на основу Ал3+, међу којима су (кубичне), η (кубичне), θ (моноклинске) и δ (орторомбичне) структуре засноване на фцц решетки, док су (тригоналне), κ (орторомбне) и χ (шестоугаоне) структуре хцп.
-Ал2О3 кристална структура има О2- распоређену у хексагоналну тесну-структуру, са преосталим деловима који формирају октаедарске међупросторне локације, а Ал3+ испуњава 2/3 међупросторних места, чиме се обезбеђује да је хемијска формула глинице – Ал2О3. Принцип попуњавања Ал3+ у октаедарским интерстицијским местима задовољава Паулингова правила, односно растојање између Ал3+ унутар истог слоја и између слојева треба да буде што је могуће удаљеније [1].
-Ал2О3 се даље дели на пахуљасте-као -Ал2О3 и сферни -Ал2О3. Пахуљица-попут -Ал2О3 показује дводимензионалну планарну структуру у простору, са малом дебљином и великим пречником-према-односом дебљине. Обично се припрема помоћу три методе: влажном хемијом, реакцијом у чврстом-агрегатном стању и методом растопљене соли. Сферна -Ал2О3 структура је углавном распоређена у тродимензионалном простору-и њен раст у дводимензионалном-смеру мора бити потиснут током припреме, тако да се овде углавном користе методе као што су хомогена преципитација, хидротермална метода, метода капања, метода шаблона, метода прскања и плазма електролиза. Сферни -Ал2О3 је релативно теже припремити.
-Кристалну структуру Ал2О3 карактерише кубично тесно паковање О2-, чиме се формира октаедарска структура. Ова структура даље еволуира у структуру спинела, у којој 32 кубична блиско упакована О атома чине јединичну ћелију. У структури спинела, 32 О атома формирају 8 тетраедарских шупљина и 16 октаедарских шупљина, у којима је 67/3 атома алуминијума насумично распоређено у шупљинама, док постоји 8/3 слободних места [2].
Карактеристика кристалне структуре -Ал2О3 лежи у њеној високој специфичној површини и широко распрострањеним активним центрима. На одговарајућим каталитичким температурама, овај материјал показује добру стабилност. Због тога -Ал2О3 катализатори имају широке изгледе за примену у индустрији и научним истраживањима због своје високе селективности.
-Ал2О3 је најстабилнији кристални облик глинице, а остали кристални облици су нестабилни и називају се прелазне фазе. Ове прелазне фазе ће се на крају трансформисати у стабилну -Ал2О3 структуру под одређеним условима, тако да је -Ал2О3 такође последња фаза трансформације глинице. Дакле, само -Ал2О3 постоји у природи, у облику природних минерала као што су природни корунд, рубин и сафир. Ова структура се назива и кристална структура корунда [3-4].
1.2 Керамика од глинице
Алуминијумска керамика је керамички материјал{0}}високих перформанси. Због својих одличних физичких и хемијских својстава, широко се користе у тешким окружењима као што су висока температура, висока чврстоћа, висока отпорност на хабање и висока изолација. Историја њиховог развоја сеже до краја 19. века. Због своје високе чврстоће и крутости, алуминијска керамика је једна од најпопуларнијих оксидних керамика. Истовремено, због својих општих механичких, електричних и оптичких својстава, керамика од алуминијума се користи у многим савременим индустријским областима.
Керамика од глинице има високу тврдоћу, са тврдоћом по Роквелу од ХРА80-90, што је друго после дијаманта. Отпорност на хабање алуминијумске керамике је еквивалентна 266 пута већој од манганског челика и 171,5 пута већој од високо-хромираног ливеног гвожђа. Под истим условима рада може продужити радни век опреме за најмање десет пута. Густина керамичког материјала од алуминијума је 3,7 ~ 3,95 г/цм³, само половина од челика, што такође може значајно смањити оптерећење опреме. Истовремено, има и предности као што су висока топлотна проводљивост, добра отпорност и термичка стабилност и мала диелектрична константа. То је пожељан материјал за нову генерацију микроелектронских уређаја и система и постао је главни материјал за подлоге кола у областима као што су ваздухопловство, 5Г комуникације, полупроводници велике{13}}снаге и ЛЕД осветљење велике снаге [5].
Технологија припреме праха од алуминијума високе-истоће је један од кључних фактора који ограничавају брзи развој специјалних керамичких материјала од алуминијума и такође је кључна карика у смањењу трошкова и повећању ефикасности у индустријској производњи. Развој нових метода за припрему-квалитетних керамичких прахова је од великог значаја за развој керамичких материјала и сродних високотехнолошких области.
2
Технологија припреме праха глинице
2.1 Класификација прекурсора глинице
Припрема глинице обично укључује термичку разградњу хидрата алуминијума, који се преципитирају из раствора који садрже Ал3+ јоне или органометална једињења. Студије су показале да је овај процес конверзије (као што је дехидратација бемита у -Ал2О3) топотактичка реакција, која омогућава да се микроскопска морфологија прекурсора задржи у глиници. Стога су карактеристике глинице уско повезане са претходником хидрата.
Према разликама у структури и садржају воде, прекурсори глинице углавном укључују гибзит, бајерит, нордстрандите и дијаспоре, међу којима се дијаспора даље дели на дијаспору и бемит. Гибсит је главна компонента боксита у тропским регионима. Као коначни производ комерцијалног Баиеровог процеса, производи се у великим размерама алкалним таложењем Ал3+ и широко се користи као успоривач пламена, адитив за полимере и папир, пунило за пасту за зубе и стабилизатор за титанијум диоксид. Кристална структура гибзита припада моноклинском систему, са алуминијумским-кисеоничким октаедрима повезаним ивицама да формирају слојевиту структуру, а распоред двослојног -слагања може се изразити као АБ БА АБ БА.... Боехмите, такође познат као псеудо-боехмите. Може се синтетизовати хидротермално коришћењем гибзита као сировине или добити контролисаним печењем бајерита. Бемит припада орторомбском систему, са алуминијумским-кисеоничким октаедрима повезаним ивицама и распоређеним степенасто, а његови слојеви су повезани водоничним везама. У октаедарској структури атоми кисеоника су распоређени на начин АБЦ АБЦ...
Међу различитим прекурсорима алуминијум хидроксида, псеудо{0}}бемит је врста хидрата са релативно ниском кристалином. Карактерише га висока специфична површина, обилне поре, позитивно наелектрисана површина, лака дисперзија у води и растварачима који садрже хидроксил-, и добра растворљивост гела у киселим условима. Ове карактеристике чине да се псеудо{4}}бемит широко користи као носач катализатора и везиво, а такође је и важан међупроизвод за производњу активиране глинице [6].
2.2 Методе припреме праха глинице
2.2.1 Метода гасне фазе
Метода гасне фазе директно користи гас или испарава реактанте кроз различите методе загревања, узрокујући физичко-хемијске реакције да се дешавају у гасовитом стању и на крају се кондензују да би се формирали ултрафини прахови. Ова врста методе има благе услове реакције, лаку контролу агломерације, добру дисперзибилност честица, малу величину честица и уску дистрибуцију; недостатак је изузетно низак принос, а трошкове производње је тешко контролисати.
У методи гасне фазе, сировине морају бити потпуно испарене пре реакције, што троши много енергије, а реакција захтева велику количину инертног гаса са веома ниском влажношћу, што резултира релативно високим трошковима за метод гасне фазе.
Хемијско таложење паре (ЦВД) је уобичајена метода гасне фазе за припрему нано{0}} глинице. Ова метода користи алуминијум хлорид и водену пару да реагују у реакционој комори да би се добио нанопрах глинице. Уобичајене ЦВД методе укључују ЦВД пламена, ЦВД ласерске пиролизе и друге. Хан Схизхонг и др. [7] је припремио прах глинице високе{6}}чистоће са просечном величином честица од 5,6 нм помоћу плазма органометалног ЦВД-а, реагујући у окружењу кисеоника на 1000 степени и 5,3 кПа да би се добио сферични нано- прах глинице.
2.2.2 Метод течне фазе
Метода течне фазе подразумева растварање соли алуминијума у одређеном растварачу, раздвајање растворене супстанце и растварача испаравањем, сублимацијом, додавањем талога, хидролизом и другим методама за добијање честица одређеног облика и величине, односно припремање прекурсора праха Ал2О3 и на крају загревање и разлагање прекурсора.
Прво, елемент алуминијума постоји у раствору у јонском облику и може се растворити у воденим растварачима или органским растварачима као што су трихлорометил, етанол и толуен преко алуминијумских соли као што су алуминијум сулфат, алуминијум сек{0}}бутоксид и натријум метаалуминат. После тога, јони алуминијума се могу депоновати и исталожити у облику ковалентних оксида методама као што су хидролиза и упаравање соли алуминијума, или коришћењем талога као што су амонијум карбонат, натријум хидроксид, уреа и сумпорна киселина. На крају, талог се испере и осуши или калцинише на високој температури да би се добио жељени кристални облик алуминијума [8-9].
Технологија пиролизе у спреју
Технологија пиролизе распршивањем, позната и као технологија пиролизе у распршивању пламеном, је метода за припрему ултрафиног праха глинице на бази ултразвучно генерисаних капљица аеросола величине микрона{0}} које се загревају и разлажу на 400 степени ~800 степени. Лаине ет ал. [10] успешно је пречистио вишефазни прах глинице коришћењем технологије пиролизе распршивањем, добијајући прах од нано- глинице високе{6}}чистоће са величином честица од 50 нм~80 нм и -фазном чистоћом од 50%~85%.
Метода хидролизе алкоксида
Метода хидролизе алкоксида подразумева припрему раствора из одговарајуће воде{0}}растворљиве алуминијумске соли према стехиометријским пропорцијама, затим одабир талога који може да реагује са металним јонима да би се формирао преципитат, и на крају загревање и дехидратацију талога да би се добио ултрафин прах [11]. Уобичајене методе хидролизе алкоксида укључују методу алуминијум амонијум сулфата без емисије--амонијум сулфата и методу алуминијум амонијум карбоната, итд. [12-13].
Зхонг Лианиун и др. [14] користио је аналитички чист алуминијум нитрат и амонијум бикарбонат као главне сировине за припрему нано-Ал2О3 праха методом ко{5}}коталожења. Просечна величина честица припремљеног праха нано-Ал2О3 била је 20 нм~30 нм. Додавање сурфактанта ПЕГ6000 побољшало је перформансе дисперзије -Ал2О3 праха.
Побољшани Баиер процес
Бајеров процес користи промену растворљивости алуминијум оксида у алкалном раствору, коришћењем концентрованог раствора натријум хидроксида за претварање алуминијум хидроксида у натријум алуминат, затим одвајањем нерастворљивих супстанци таложењем, и коначно ре-преципитацијом алуминијум хидроксида разблаживањем и додавањем кристалног кристала разблажењем и додавањем се хидроксида за добијање праха глинице.
Последњих година, кроз континуирано усавршавање Баиеровог процеса, развијене су нове методе способне за ефикасну десилификацију [15]. Побољшани Баиер процес углавном побољшава припрему натријум хидроксида и уклањање натријума, врши десилизацију и уклањање гвожђа на натријум алуминату и регулише услове разлагања да би се добио алуминијум хидроксид високе{2}}чистоће. Током овог процеса, алуминијум хидроксид се полако таложи, ефикасно смањујући појаву абнормалних кристалних језгара и такође смањујући уградњу нечистоћа натријума и силицијума. Коначно, глиница високе{5}}чистоће се добија калцинацијом и млевењем на високим{6}}има.
Сол{0}}гел метода
Сол-гел метода је једноставна и ефикасна метода за синтезу нано{1}}алуминијума. За разлику од методе преципитације, која се у почетку претвара у сол и гел, соли алуминијума и раствори амина или соли амонијума високе - чистоће се подвргавају хидролизи или полимеризацији да би се формирао прекурсорски гел, који се затим испере алкохолом-, одлежава и на крају калцинише да би се добио прах глинице.
Неки истраживачи су такође направили техничка побољшања заснована на традиционалној методи сол{0}}гела. На пример, Зху Зуоиуан [16] је усвојио хибридни процес хидролизе металног алкоксида и сол-гела методе за припрему ултрафиног праха алуминијума високе чистоће. Прво је загрејан алуминијумски прах чистоће веће или једнаке 2Н да би се синтетизовао раствор алуминијум алкоксида, нерастворљиве честице су уклоњене микрофилтрацијом, а након старења је извршена хидролиза. Дестилацијом је добијен суви гел, а коначно-прашак глинице високе чистоће је добијен калцинацијом на високој{9}}температури.
Метода алуминијум алкоксида
Метода алуминијум алкоксида спада у технолошку итерацију методе хидролизе алкоксида. То укључује додавање металних алуминијумских пахуљица у раствор изопропанола за реакцију да би се добио алуминијум изопропоксид, затим хидролизу алуминијумског изопропоксида да би се добио хидратисани алуминијум, и након корака као што су старење, филтрација, сушење и дехидрација, коначно добијање праха алуминијума са релативно високом активношћу синтеровања.
Јанг Конглин и др. [17] користио је метални алуминијум и угљен-алкохол као сировине за синтезу алуминијум алкоксида високе-чистоће и припремио хидратизовану глиницу хидролизом алкоксида, елиминишући процес вакуумске дестилације са високим захтевима за опремом, и на крају добио 5Н-класу високог-алуминијума велике чистоће од ултрафиног праха или прашкастог праха до чистоће 99,999% и величине честица од 0,1 µм ~ 0,3 µм. Прах глинице припремљен овом методом има високу чистоћу, а процес припреме је једноставан са јаком контролом производа.
2.2.3 Метода чврсте фазе
Метода чврсте фазе је метода у којој се два или више прахова мешају и директно реагују под одређеном температуром и атмосфером да би се добио нано{0}}алуминијум.
Механичка метода дробљења
Метода механичког дробљења користи различите ултрафине дробилице (високоенергетске кугличне млинове, планетарне кугличне млинове, млинове са торњем, млинови на млазни погон, итд.) за директно дробљење и млевење сировина у ултрафин прах. Међу њима се широко користе-млинови са куглицама високе енергије. Они механички уситњавају прах глинице у води или алкохолном медију да би припремили ултрафини прах глинице високе{5} чистоће. Кроз вибрације и ротацију кугличног млина, енергија се обезбеђује сировинама, узрокујући да сировине буду снажно погођене чврстим куглицама, згњечене у фине честице или активиране да прођу хемијске реакције, чиме се припрема ултрафин прах.
Метода детонације
Метода детонације се такође може користити као метода чврсте{0}}фазе за припрему праха глинице. Овај метод изводи реакције сагоревања унутар посуде константне-запремине и генерише велику количину гаса. Због тога се тренутна реакција често одвија под високим притиском, потискујући притисак засићене паре реактаната и подижући температуру фазног прелаза под нормалним притиском, што је погодно за стабилно формирање једнофазног метастабилног праха глинице. Метода детонације има високе захтеве за производну опрему, тешку контролу производног процеса, низак принос и релативно високу цену производње.
Пенг ет ал. [18] добија различите резултате детонације контролисањем пХ вредности система глицин-алуминијум нитрата. Резултати су показали да алкално окружење може ефикасно контролисати величину зрна, смањити удео аморфних фаза и повећати специфичну површину, док се агломерација различитог степена дешава у срединама са пХ мањим или једнаким 6.
3
Резиме
Висок{0}} ултрафини прах глинице високе чистоће, због својих напредних физичких и хемијских својстава, значајно је проширио сценарије примене глинице у праху и представља кључну сировину у савременој напредној производњи. Тренутно, главне методе производње ултрафиног праха глинице високе -чистоће у Кини имају недостатке као што су сложени процеси, тешка контрола техничких услова, висока цена и озбиљно загађење. Уз континуирани развој кинеске привреде, потражња за ултрафином глиницом високе{4}}ће чистоће ће наставити да расте, а будући захтеви за прецизношћу опреме, процесима припреме, контролном технологијом, уштедом енергије и заштитом животне средине ће такође бити све већи и већи.