DE4109264A1

DE4109264A1 - Verfahren zum herstellen von aluminiumoxid zum schleifen und/oder polieren aus aluminiumhydroxid

Info

Publication number: DE4109264A1
Application number: DE4109264A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: KUPPENHEIM MINERALIEN; SCHEPERS BERNHARD H DR
Current assignee: KUPPENHEIM MINERALIEN; SCHEPERS BERNHARD H DR
Priority date: 1991-03-21
Filing date: 1991-03-21
Publication date: 1992-09-24
Also published as: WO1992016595A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Aluminiumoxid, welches zum Schleifen und/oder Polieren ver wendet wird. Zum Polieren verwendete Aluminiumoxidpulver, auch als Poliertonerden bezeichnet, bestehen üblicherweise zu etwa 70% bis 100% aus α-Aluminiumoxid und aus bis zu 30% Übergangsoxiden (γ-Aluminiumoxid). Großtechnisch werden die Poliertonerden durch Kalzination von Aluminiumhydroxiden hergestellt. Aluminiumhydroxide werden im Zuge der Aluminium herstellung großtechnisch aus Bauxit durch Aufschluß mit Natronlauge (BAYER-Verfahren) hergestellt, seltener auch durch Aufschluß mit Soda. Das nach diesen Verfahren erhaltene Alu miniumhydroxid wird bei hohen Temperaturen insbesondere im Drehrohr-, Pendel- oder Wirbelschichtofen zum Oxid entwässert (kalziniert).

Die so hergestellten Poliertonerden sind wegen des breiten Kornspektrums (10 bis 120 µm) bezüglich der Kristallphasen zusammensetzung nicht homogen. Sie eignet sich deshalb nicht für das Polieren von empfindlichen Oberflächen, z. B. in der Metallographie oder beim Polieren von Kunststoffen, wenn absolut kratzerfreie Oberflächen verlangt werden.

Ein besonders anspruchsvolles Anwendungsgebiet ist das Polieren von Kunststofflinsen, z. B. aus Polykarbonat CR39. Alle Versuche, hierfür handelsübliche Poliertonerden zu verwenden, waren bis her erfolglos, da mit ihnen die hohen Anforderungen in der Optik nicht erfüllt werden konnten. Beim Polieren von Kunststofflinsen treten Haarrisse und Kratzer auf oder die bearbeiteten Linsen reflektieren in sogenannten "Orangenschalenfarben". Häufig ist auch der Materialabtrag ungenügend, so daß noch Schleifspuren auf den Oberflächen sichtbar bleiben. Für die Polieraufgaben in der Optik und in anderen besonders anspruchsvollen Anwendungs gebieten müssen heute bislang spezielle Aluminiumoxide verwendet werden, für die man Aluminiumhydroxide kalziniert, die durch thermische Zersetzung von Aluminiumsalzen wie Alaunen, Alu miniumchlorid, Aluminiumnitrat usw. oder durch Kalzinieren von speziell gefällten Böhmiten (Aluminiummonohydrat) herge stellt werden. Infolge der andersartigen Hydroxide, von denen hierbei ausgegangen wird, haben die so gewonnenen speziellen Aluminiumoxide eine andere Phasenzusammensetzung. Die Her stellung dieser speziellen Aluminiumoxide ist jedoch erheb lich teurer als bei Aluminiumoxiden, die durch Kalzinieren von Aluminiumhydroxiden gewonnen werden, die nach dem BAYER- Verfahren oder nach dem Soda-Verfahren aus Bauxit hergestellt werden. Außerdem ist die thermische Zersetzung von Alu miniumsalzen häufig mit umwelttechnischen Problemen ver knüpft und auch deshalb aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres Verfahren verfügbar zu machen, mit welchem Alu miniumoxidpulver hergestellt werden können, die sich auch zum Polieren von empfindlichen Oberflächen, insbesondere im Bereich der Optik, eignen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den im An spruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß man ein den hohen Anforderungen entsprechendes Aluminiumoxid auch aus groß technisch hergestelltem Aluminiumhydroxid (also aus Alu miniumhydroxid, welches nach dem BAYER-Verfahren oder nach dem Soda-Verfahren gewonnen wurde) erzeugen kann, wenn man zunächst Preßlinge aus dem Aluminiumhydroxid herstellt, in dem man dieses verdichtet, und diese Preßlinge anschließend kalziniert. Untersuchungen haben gezeigt, daß man auf diese Weise ein in der Phasenzusammensetzung sehr gleichförmiges Aluminiumoxid erhält, dessen Primärteilchen vorwiegend eine plättchenförmige oder schuppenförmige Phasenzusammensetzung haben. Damit lassen sich auch empfindlichste Oberflächen in der Optik kratzerfrei polieren. Als ein weiterer be sonderer Vorteil hat sich gezeigt, daß man die Teilchen struktur, für die die spezifische Oberfläche der Pulver teilchen ein Maß ist, durch Wahl der Kalzinierbedingungen, nämlich durch Wahl der Kalziniertemperatur und der Kalzinier dauer, recht genau und vor allem wiederholbar einstellen kann. Auf diese Weise ist es möglich, "maßgeschneidertes" Aluminiumoxid zu erzeugen, dessen Phasenzusammensetzung dem konkreten Anwendungsfall (besondere Schleif- oder Polierauf gabe) optimal angepaßt ist. Für das Ergebnis des Verfahrens ist es notwendig, das Aluminiumhydroxid zu verdichten; es wird vorzugsweise auf eine scheinbare Dichte von mindestens 2,1 g/cm³, noch besser auf eine scheinbare Dichte von 2,3 g/cm³ verdichtet. Wie man eine solche Verdichtung er reichen kann, ist dem Fachmann bekannt.

Damit beim anschließenden Kalzinieren die Innenbereiche der Preßlinge im wesentlichen denselben Temperaturverlauf erleben wie die Außenbereiche, werden die Preßlinge vor dem Kal zinieren vorzugsweise zerkleinert (granuliert), und zwar zweckmäßigerweise zu Teilchen mit weniger als 5 mm Durchmesser, vorzugsweise zu Teilchen mit weniger als 3 mm Durchmesser. Hält man diese Grenzen für die Teilchengröße der Aluminium hydroxidpreßlinge ein, dann trägt das dazu bei, daß das ent stehende Schleifpulver in seiner Körnung und Phasenzusammen setzung recht homogen ist.

Das Kalzinieren selbst kann unter bekannten Bedingungen statt finden, in Luft, im Vakuum, oder unter einem Schutzgas. Das hochverdichtete Aluminiumhydroxid geht beim allmählichen Er hitzen zunächst in die sogenannte γ-Phase über. γ-Aluminium oxid ist ein Gemisch verschiedener Übergangsoxide mit hoher spezifischer Oberfläche. Ab einer Temperatur von etwa 1100°C geht γ-Aluminiumoxid allmählich in das stabile α-Aluminium oxid mit hexagonaler Kristallstruktur über. Damit das Aluminium oxidpulver schließlich überwiegend aus α-Aluminiumoxid besteht, muß diese Umwandlungstemperatur auf jeden Fall erreicht und lange genug gehalten werden. Zweckmäßigerweise führt man das Kalzinieren so durch, daß eine Temperatur von wenigstens 1150°C erreicht wird. Am besten führt man das Kalzinieren bei Temperaturen zwi schen 1150°C und 1400°C durch. Je höher die Temperatur beim Kalzinieren ist und je länger die hohe Temperatur gehalten wird, desto mehr γ-Aluminiumoxid wird in α-Aluminiumoxid umgewandelt; gleichzeitig verringert sich die spezifische Oberfläche des Pul vers, welche beim γ-Aluminiumoxid mit typischerweise 200 bis 250 m²/g sehr groß ist. Für Zwecke der vorliegenden Erfindung wird eine spezifische Oberfläche von 0,5 m²/g bis 25 m²/g ange strebt, wobei je nach Kalzinationsbedingungen (maximale Tempera tur und deren Haltezeit) entweder ein Mikro-Schleifkorn mit einer spezifischen Oberfläche im Bereich von ca. 0,5 bis 5 m²/g oder Poliertonerde mit einer spezifischen Oberfläche im Bereich von ca. 5 bis 25 m²/g hergestellt werden können. Dabei hat sich gezeigt, daß sich durch die Steuerung des Kalziniervorganges die spezifische Oberfläche in dem bevorzugten Bereich von 0,5 bis 25 m²/g mit einer Genauigkeit von besser als ±1 m²/g ein stellen läßt, was ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Ver fahrens ist.

Die im kalzinierten Granulat agglomerierten Primärteil chen werden durch Mahlen freigelegt. Wie fein das Pul ver gemahlen wird, richtet sich nach dem Anwendungs zweck. Vorzugsweise wird das Aluminiumoxidpulver auf Teilchengrößen kleiner als 8 µm gemahlen.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt nicht nur zu einem Mikro-Schleifkorn oder einer Poliertonerde, die die techni schen Anforderungen selbst in der Optik erfüllt, sondern ist auch sehr preiswert, da es von großtechnisch herge stelltem Aluminiumhydroxid ausgehen kann und da beim Kal zinieren keine besonderen, kostentreibenden Umweltprobleme auftreten.

Ausführungsbeispiel

Nach dem BAYER-Verfahren hergestelltes Aluminiumhydroxid wird zu ungefähr handtellergroßen Preßlingen (Schülpen) mit einer scheinbaren Dichte von 2,3 g/cm³ verdichtet. Anschließend werden die Preßlinge zerkleinert, so daß sie nur noch einen Durchmesser zwischen 1 mm und 3 mm haben. Das so hergestellte Granulat wird in einem indirekt be heizten Drehrohrofen in einer ersten Kalzinationsstufe in ca. 60 Minuten auf 500 bis 600°C erhitzt, wobei sich das Aluminiumhydroxid in γ-Aluminiumoxid umwandelt. In einer zweiten Kalzinationsstufe wird die Temperatur all mählich auf ca. 1300°C gesteigert und so lange gehalten, bis die spezifische Oberfläche des Aluminiumoxids auf einen Wert von ca. 14 m²/g gesunken ist. Wann das der Fall ist, kann durch Vorversuche ermittelt werden. Die spezifische Oberfläche wird nach dem bekannten BET-Verfahren bestimmt.

Nach dem Kalzinieren läßt man das Aluminiumoxidgranulat ab kühlen und mahlt es dann, z. B. in einer Kugelmühle, um das im Granulat vorliegende, agglomerierte Primärkorn des Alu miniumoxids freizulegen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Granulat so fein gemahlen, daß keine Pulverteilchen vorhanden sind, die größer als 8 µm (Durchmesser) sind.

So hergestellte Poliertonerde wurde mit den in der Schleif- und Poliertechnik bekannten Additiven in Wasser dispergiert. Mit dieser Dispersion konnten Kunststofflinsen aus dem Polykarbonat CR39 einwandfrei und absolut kratzerfrei und ohne das Auftreten von Anlauffarben in den vorgegebenen Taktzeiten von z. B. 4 min. poliert werden.

Vergleichsbeispiel

Zum Vergleich wurde unter sonst gleichen Bedingungen eine Poliertonerde aus nicht-verdichtetem Aluminiumhydroxid herge stellt. Beim Polieren der gleichen Kunststofflinsen verur sachte diese Poliertonerde Kratzer und Anlauffarben und zeigte gleichzeitig einen deutlich geringeren Abrieb als erfindungsgemäß hergestellte Poliertonerde. Auch eine Verlängerung der Polierzeit über 4 min. hinaus brachte keine Verbesserung der Ergebnisse.

Das Kalzinieren muß im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht in einem durchgehenden Verfahrensgang erfolgen. Es ist vielmehr auch möglich, ein zweistufiges Verfahren anzuwenden, indem in einer ersten Stufe das Aluminiumhydroxid verdichtet und bei verhältnismäßig niedriger Temperatur (ca. 400°C bis 600°C) zunächst in praktisch wasserfreies γ-Aluminiumoxid überführt wird. Diese erste Verfahrensstufe eignet sich be sonders zur Durchführung in einer Aluminiumhütte, welche ohne hin darauf eingerichtet ist, Aluminiumhydroxid herzustellen und zu kalzinieren. Das in der ersten Stufe hergestellte, bereits praktisch wasserfreie γ-Aluminiumoxid ist bequem handhabbar und handelbar; es kann dann nach Bedarf auch an anderem Ort in einer zweiten Stufe maßgeschneidert zu unter schiedlich feiner, homogener Poliertonerde oder Aluminiumoxid- Mikroschleifkorn weiterverarbeitet werden, indem es durch eine zweite Kalzination bei einer Temperatur von oberhalb 1100°C unter kontrollierten Bedingungen überwiegend in α-Aluminium oxid mit vorgegebener spezifischer Oberfläche umgewandelt und bedarfsweise gemahlen wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Aluminiumoxid zum Schleifen und/oder Polieren aus Aluminiumhydroxid, durch

a) Herstellen von Preßlingen aus Aluminiumhydroxid durch Verdichten des Aluminiumhydroxids
b) Kalzinieren der Preßlinge bei einer solchen Temperatur und mit solcher Dauer, daß man praktisch wasserfreies Al₂O₃ erhält, welches überwiegend aus α-Al₂O₃ be steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Al(OH)₃ auf eine scheinbare Dichte von mindestens 2,1 g/cm³ verdichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Al(OH) 3 auf eine scheinbare Dichte von wenigstens 2,3 g/cm³ verdichtet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Preßlinge auf Größen kleiner als 5 mm (Durchmesser) zerkleinert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßlinge auf Größen kleiner als 3 mm (Durchmesser) zerkleinert werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß beim Kalzinieren eine Temperatur von 1150°C erreicht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kalzinieren Temperaturen zwischen 1150°C und 1400°C erreicht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit bei den Temperaturen zwischen 1150°C und 1400°C so gewählt wird, daß ein Pulver mit vorgewählter spezifischer Oberfläche entsteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit so gewählt wird, daß eine spezifische Oberfläche zwischen 0,5 m²/g bis 25 m²/g (nach BET) erreicht wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Haltezeit und Tempera tur so gewählt werden, daß das Al₂O₃ zu wenigstens 80 Gew. -% aus α-Al₂O₃ besteht.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das entstandene Al₂O₃ zum Aufbrechen von Agglomeraten gemahlen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das entstandene Al₂O₃ auf Teilchengrößen kleiner als 8 µm gemahlen wird.