Hochtemperatur-Aluminiumoxid wird aus industriellem Aluminiumhydrat als Hauptrohstoff durch Kalzinierung zur Dehydratisierung und Kristallphasenumwandlung hergestellt. Da industrielles Aluminiumhydrat in einem alkalischen Medium hergestellt wird, enthält Hochtemperatur-Aluminiumoxid zwangsläufig eine gewisse Menge an Verunreinigungen.
Gefahren von Natriumoxid
Der Gehalt an Natriumoxidverunreinigungen ist dabei das Hauptkriterium für die Klassifizierung von Hochtemperatur-Aluminiumoxidprodukten und beeinflusst maßgeblich die physikalischen und chemischen Kennwerte, die Produktqualität und die Anwendungseigenschaften der daraus hergestellten Produkte. Zum Beispiel:
Wird Hochtemperatur-Aluminiumoxid als verschleißfeste Keramik eingesetzt, beeinflusst der Na₂O-Gehalt direkt die Druckfestigkeit und die elektrische Isolationsfähigkeit der Aluminiumoxidprodukte. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Na₂O-Gehalt, desto höher die elektrische Leitfähigkeit und desto schlechter die Isolationsleistung der Aluminiumoxidkeramik und der verschleißfesten Produkte. Gleichzeitig führt er zu einer geringeren Umwandlungsrate von α-Al₂O₃, wodurch die Qualitätsanforderung, dass der α-Al₂O₃-Gehalt in Hochtemperatur-Aluminiumoxid über 95 % liegen muss, nicht erfüllt wird. Dies führt zu Verformungen und Rissen in der Aluminiumoxidkeramik und den verschleißfesten Produkten.
In elektronischen Keramiken beeinflusst das Vorhandensein von Na₂O nicht nur die Dichte der elektronischen Keramiken, sondern führt auch zur Bildung von β-Al₂O₃ mit einer gewissen Leitfähigkeit aufgrund der Kombination von Na₂O und Al₂O₃, wodurch deren elektrische Eigenschaften beeinflusst werden.
In elektronischen Keramiken beeinflusst das Vorhandensein von Na₂O nicht nur die Dichte der elektronischen Keramiken, sondern führt auch dazu, dass sich Na₂O mit Al₂O₃ zu β-Al₂O₃ mit einer bestimmten Leitfähigkeit verbindet und dadurch deren elektrische Eigenschaften beeinflusst.
Woher stammen Natriumverunreinigungen?
Das Na₂O im Hochtemperatur-Aluminiumoxid stammt aus dem Rohmaterial Aluminiumoxidhydrat. Na₂O im Aluminiumoxidhydrat ist eine der Hauptverunreinigungen, die während des Herstellungsprozesses von Aluminiumoxid entstehen. Das im Aluminiumoxidhydrat enthaltene Na₂O liegt in drei (oder vier) Formen vor.
I. Die Mutterlauge enthält wasserlösliche Alkalien, die als gebundene Alkalien vorliegen. Na₂O lässt sich durch Waschen mit Wasser entfernen; die eingekapselten Alkalien sind schwer abzuwaschen und können nur teilweise entfernt werden.
II. Gitteralkali ist in Wasser unlöslich und kann nur dann zu einem wasserlöslichen Alkali werden, wenn sich die Gitterstruktur umordnet.
III. Die gebundene Lauge ist in Wasser, Säure oder Lauge unlöslich und zersetzt sich auch bei hohen Temperaturen nicht.
Faktoren, die den Natriumoxidgehalt in seinem Rohmaterial beeinflussen – Aluminiumhydroxid
Da die Natriumverunreinigungen im Aluminiumoxid hauptsächlich von seinem Vorläufer, Aluminiumhydroxid, stammen, stellt sich die Frage: Welche Faktoren beeinflussen den Gehalt an Natriumverunreinigungen im Aluminiumhydroxid?
Der Natriumoxidgehalt in Aluminiumhydroxid wird von vielen Faktoren beeinflusst. Bei der Impffällung haben die Konzentration der Ausgangslösung, die Zersetzungstemperatur, die Zersetzungszeit usw. einen direkten Einfluss darauf. In der Produktionspraxis beeinflussen jedoch auch folgende Faktoren den Natriumoxidgehalt signifikant:
(1) Anfangstemperatur der Zersetzung im geimpften Fällungsprozess
Im Zersetzungsprozess werden üblicherweise verschiedene Kühlmaßnahmen eingesetzt, um die Ausbeute an Aluminiumhydroxid zu erhöhen. Dies führt jedoch zu einem Anstieg des Gehalts an nicht auswaschbarem Alkali im Produkt. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass die anfängliche Zersetzungstemperatur den Hauptfaktor für den Gehalt an unlöslichem Natriumoxid in den Zersetzungsprodukten darstellt. Je niedriger die anfängliche Temperatur, desto höher ist der Gehalt an unlöslichem Natriumoxid im Produkt.
(2) Partikelgröße der Aluminiumhydroxidprodukte
Beim Impffällungsverfahren nach Bayer werden die Materialien häufig periodisch raffiniert. Das Zirkulationsvolumen der Impfmaterialien ist groß, und die Raffinationszyklen dauern oft relativ lange. Bei der Raffination lagert sich vermehrt Aluminiumhydroxid an der flachen Scheibe ab, wodurch mehr nicht auswaschbares Alkali entsteht. Die Materialien binden sehr stark aneinander, was ihre Luftdurchlässigkeit und Filtrationsleistung beeinträchtigt. Dies kann leicht zu Kontaminationen zwischen den Zonen führen und den Natriumoxidgehalt der Produkte beeinflussen.
(3) Feststoffgehalt in der ursprünglichen Zersetzungslösung
Zahlreiche Faktoren beeinflussen den Feststoffgehalt im Zersetzungstank, darunter ein Ungleichgewicht zwischen Produktion und Waschen, eine geringe Effizienz des Saatgutfilters, die Inbetriebnahme oder Isolierung des Zersetzungstanks sowie Schwankungen der Zersetzungsrate. Diese Faktoren führen häufig zu starken Schwankungen des Feststoffgehalts im Endtank. Sinkt der Feststoffgehalt, wird das Material zu stark verdünnt, und die Flachscheibe ist anfällig für zonenübergreifende Kontaminationen. Dies beeinträchtigt die Produktqualität und führt zu einem Anstieg des Natriumoxidgehalts im Aluminiumhydroxid.
Wie lässt sich Natrium entfernen?
Die derzeit gebräuchlichen Natriumentfernungsverfahren umfassen im Wesentlichen Folgendes:
Die erste Methode besteht darin, den Gehalt an kristallinem Alkali und interkristallinem Alkali zu reduzieren, beispielsweise durch Verlängerung der Zersetzungszeit während des Zersetzungsprozesses von Aluminiumhydroxid, und den Gehalt an anhaftendem Alkali durch mehrmaliges Waschen zu minimieren.
Die zweite Methode besteht in der gezielten Auswahl von Mineralisatoren. Deren Hauptfunktion ist die Erhöhung der Gitterdefekte im Aluminiumoxid durch die Bildung von Kationen- und Anionenleerstellen. Dies beschleunigt die Kristallisation und senkt effektiv die Temperatur der α-Phasenumwandlung. Gleichzeitig können Mineralisatoren mit dem im Aluminiumoxid enthaltenen Natriumoxid zu flüchtigen Natriumverbindungen reagieren. Daher werden Mineralisatoren häufig beim Kalzinierungsprozess von Hochtemperatur-Aluminiumoxid eingesetzt. Gängige Mineralisatoren sind beispielsweise Aluminiumfluorid, Borsäure, Magnesiumoxid und Ammoniumnitrat.
Die dritte Methode besteht in der Vorbehandlung der Rohstoffe: Durch ein Nassverfahren wird Säure zugegeben, um eine Säure-Base-Neutralisation zur Natriumentfernung durchzuführen. Anschließend werden die entstandenen Salze mit heißem Wasser abgewaschen. Die Natriumentfernungseffizienz hängt von den in den Rohstoffen vorhandenen Natriumoxidformen ab; der Natriumgehalt kann jedoch auf unter 0,05 % gesenkt werden. Dieses Verfahren kann die Produktqualität deutlich verbessern.