NL8602755A - Als keramisch materiaal geschikt aluminiumoxyde en werkwijze voor de bereiding daarvan. - Google Patents

Description

♦ ί - 1 -

Als keramisch materiaal geschikt aluminiumoxyde en werkwijze voor de bereiding daarvan.

Deze uitvinding betreft fijnverdeeld oxyde en meer in het bijzonder fijnverdeeld aluminiumoxyde dat geschikt is als keramisch materiaal.

Een produkt volgens de uitvinding dat als 5 keramisch materiaal geschikt is bestaat uit aluminiumoxyde dat in hoofdzaak in de vorm van niet geaggregeerde deeltjes is die in hoofdzaak bolvormig zijn met (naar getal) meer dan 95 % met een aspe ctverhouding niet boven 1,1 en (naar getal) meer dan 80 % met een aspectverhouding niet boven 1,05, waarvan alle deeltjes in IQ hoofdzaak uit aluminiumoxyde bestaan en met een (naar gewicht) gemiddelde grootte der deeltjes tussen 0,02 en 0,5 micron.

Met "aspectverhouding" wordt hier bedoeld de verhouding tussen de grootste afmeting en de kleinste afmeting van ieder afzonderlijk deeltje.

15 Zoals men zal zien is het produkt volgens deze uitvinding een fijnverdeeld aluminiumoxyde waarvan de deeltjes in hoofdzaak bolvormig en niet geaggregeerd zijn. Het produkt volgens de uitvinding bestaat uit deeltjes aluminiumoxyde, d.i.

A^O-j dat in hoofdzaak vrij van natrium is. Bij voorkeur ligt 20 het natrium-gehalte niet boven 300 dpm (als Na) en nog beter beneden 100 dpm (als Na).

Desgewenst kan het hierboven aangeduide materiaal S-A^O-g en praktisch geen a-Al^O^ bevatten.

Zoals aangeduid bestaat het produkt volgens 25 de uitvinding in hoofdzaak uit bolvormige A^O^-deeltjes met een aspectverhouding niet boven 1,1. Men zal begrijpen dat het deel-tjesvormige produkt voor meer dan 95 gew.% moet bestaan uit deeltjes met deze maximale aspectverhouding, en voor meer dan 80 gew.% moeten de deeltjes een aspectverhouding niet groter dan 1,05 heb-30 ben.

Het produkt volgens de uitvinding is in 3 j ί 2 7 5 5 * * -2 - hoofdzaak niet geaggregeerd, d.w.z. dat het produkt uit afzonderlijke bolvormige deeltjes bestaat en natuurlijk is het wenselijk dat weinig of geen aggregaten aanwezig zijn hoewel het praktisch ónmogelijk is een produkt te maken dat helemaal geen kleine agge-5 gaten bevat. Het produkt bestaat dan ook bij voorkeur voor niet meer dan 3 gew.% in de vorm van aggregaten.

Het produkt volgens de uitvinding heeft een geometrisch, naar gewicht gemiddelde afmeting tussen 0,02 en 0,5 ^tm en deze gemiddelde afmeting wordt bepaald door tellen en op-10 meten van afzonderlijke deeltjes van een geschikte elektronen- microfotografie. Waargenomen is dat de deeltjesgrootteverdelingen van diverse monsters van een produkt goed passen in een log-nor-male curve met een standaard deviatie veelal tussen 1,4 en 1,5.

Bij voorkeur ligt de naar gewicht gemiddelde afmeting van het 15 produkt tussen 0,04 en 0,3 ^im en bij voorkeur is het produkt zo klein als maar geschikt te maken is en heeft het een naar gewicht gemiddelde deeltjesgrootte tussen 0,05 en 0,2 ^un.

Onderzoek van het produkt volgens de uitvinding op stikstof-absorptie onder toepassing van de B£>-theorie 20 gaf uitkomsten die nauw overeenkomen met de uit elektronenmicro- fotografieën gevonden deeltjesgrootten. Dat houdt in dat het produkt volgens de uitvinding niet merkbaar poreus is. De grootte van de kristallieten waaruit de Al^O^-deeltjes bestaan kan men afleiden uit de verbreding van de röntgen-diffractielijnen. De mate van 25 verbreding geeft aan dat de bolletjes die men afzonderlijk op de elektronenmicrofotografiën ziet geen agglomeraten van het bramentype zijn. Dergelijke braam-agglomeraten van ultrafijne deeltjes vindt men vaak in preparaten van fijnverdeeld kiezelzuur.

Het nieuwe produkt volgens deze uitvinding 30 wordt gemaakt door dampfase-oxydatie van een vluchtige aluminium-verbinding, veelal een aluminiumhalogenide zoals aluminium-chloride. De oxydatie van het produkt gebeurt onder zodanige omstandigheden dat het vluchtige halogenide bij zeer hoge temperatuur met zuurstof reageert waardoor afzonderlijke, niet geaggre-35 geerde bolvormige A^O^-deeltjes ontstaan. Aangetoond is dat de oxydatie in dampfase onder zodanige omstandigheden moet gebeuren 9 Ö 0 2 / 3 0 - 3 - dat de bereikte temperatuur boven het smeltpunt van Αΐ,,Ο^ ligt, en derhalve in de buurt van 2050°C komt. Bij voorkeur is de temperatuur ten minste 2300°C. De oxydatie kan ongeveer bij atmosferische druk gebeuren, maar desgewenst ook onder hogere druk.

5 Het bereiken van zo hoge temperaturen is essentieel voor het verkrijgen van het gewenste produkt met de juiste deeltjesgrootte en -vorm. Geloofd wordt dat chloor, dat als bijprodukt van de oxydatie ontstaat, bij deze hoge temperaturen de neiging heeft te dissociëren, maar hogere drukken gaan deze 10 dissociatie tegen.

Ook werd gevonden dat de deeltjesgrootte van het produkt gevarieerd kan worden door de aanvoersnelheid van het aluminiumhalogenide naar de reactor en/of andere omstandigheden te variëren.

15 Het bereiken van hoge oxydatietemperatuur wordt het gemakkelijkst gerealiseerd met een elektrisch plasma-systeem waarin een inert gas of de zuurstof verhit worden door ze tussen elektroden door een elektrische boog te leiden, met een zogenaamd plasmakanon dus, dat zoveel elektrische energie toege-20 voerd krijgt dat de uitgangsstoffen voordat zij in de reactiekamer zelf komen voldoende qpgewarmd worden, met na de reactie voldoende afkoelen, opvangen en scheiden van de produkten.

Natuurlijk hangt het elektrische vermogen dat men aan de reagerende stoffen moet toevoeren af van de feite-25 lijk benodigde temperatuurstijging en ook van andere omstandigheden die met stroomsnelheden en feitelijke begintemperaturen samenhangen. Het valt te verwachten dat er bij een commerciële fabricage, met een aanzienlijke produktstroom, veel meer elektrische energie ingezet moet worden dan in een laboratorium- of proeffabriekopstelling. 30 De eis dat het produkt betrekkelijk zuiver en vrij van metaal-verontreinigingen moet zijn houdt in dat deze vorm van verhitting met elektriciteit de meeste voorkeur verdient omdat er dan geen brandstof in het spel is die ongewenste verontreinigingen in het gevoelige reactiesysteem zou kunnen brengen.

35 Het produkt volgens de uitvinding is bijzonder nuttig voor de fabricage van keramische voorwerpen waarbij het ma- 8 β G 2 7 5 5 - 4 - teriaal desgewenst gemalen, met een bepaald bindmiddel gemengd en met een of andere geschikte techniek tot een rauw voorwerp gevormd kan worden. Dit rauwe voorwerp wordt dan bij hoge temperatuur gebakken en dat geeft dan het gewenste keramische materiaal. Het produkt 5 volgens de uitvinding blijkt gemakkelijker te sinteren dan de bekende produkten; bijvoorbeeld sintert het produkt reeds bij de betrekkelijk lage temperatuur van 1250°C, vergeleken met 1600°C bij de eerder bekende produkten.

Een vorm van apparaat dat in het laboratorium 10 bij ongeveer gewone druk gebruikt kan worden voor het maken van het bolvormige aluminiumoxyde volgens deze uitvinding is in de hierbij behorende tekening schematisch weergegeven.

Deze tekening toont een plasmakanon 1 op een reactorkop 2 van nikkel met een cilinder van aluminiummetaal. Onder 15 reactorkop 2 is er een gasinlaat 3 boven een tweede gasinlaat 4 die zelf boven een derde gasinlaat 5 staat, elke inlaat voor een gewenste combinatie van gassen naar een serie ringbranders 6 die radiaal binnen die inlaten 3, 4 en 5 staan. Afhankelijk van de precieze in te stellen omstandigheden kunnen de ringbranders 6 van 20 een geschikt metaal zoals nikkel of van een keramisch materiaal zijn.

De diverse gasinlaten 3, 4 en 5 zijn gescheiden door platen 7 van nikkel of keramiek, waardoor de gassen radiaal vanuit inlaten 3, 4 en 5 naar binnen stromen, naar het in-25 wendige van reactorkolom 8 die van kwarts is en waarop de diverse gasinlaten gemonteerd zijn.

De reactorkolom 8 heeft een aantal gaatjes of doorboringen 9 door welke een thermokoppel in de kolom 8 gebracht kan worden en rondom kolom 8 is er een thermisch isolerend 30 materiaal 10. Onderaan de reactorkolom 8 is er een ringvormige ver-bindingsplaat 11 van nikkel die kolom 8 met een vergelijkbare, daar onder geplaatste reactorkolom 12 van kwarts verbindt, die het onderste deel van de totale reactor is. Die onderste reactorkolom 12 eindigt in een uitlaat voorzien van een wegneembare vuurvaste 35 flens 13 op een vuurvaste basis 14 welke aansluit op pijp 15 van kwarts. De kwartsbuis 15 is voorzien van een aantal thermokoppels h 0 f* λ ? e 5 Η· H i > ί -ï Ü %· ita «V *3 - 5 - 16 en heeft aan het einde tegenover de vuurvaste flens 13 een door-faoorde ringvormige blusplaat 17 van aluminiummetaal die deel uit-maakt van en aangesloten is op een huis 18 dat voorzien is van een gasinlaat 19.

5 Deze brede buis gaat via een geschikte adap tor 20 over in smallere buizen van hittebestendig glas 21 en 22 die op een schuifafsluiter 23 uitkomt. Deze af-sluiter 23 is hier in gesloten stand afgebeeld. Leiding 22 is verder aangesloten op leiding 24 die een rechte hoek maakt met leiding 22 vlak voor de 10 schuif afsluiter 23. Deze leiding 24 is aangesloten op vijf afzonder lijke filters 25, bestaande uit potten van polypropeen met geweven filtersokken van polytetrafluoretheen. Aan het einde van leiding 24 is een andere schuifafsluiter 26 die uitkomt op een verdeel-stuk 27 van polypropeen welke via inlaten 28 op de filterpotten 15 aangesloten is.

Aan het andere einde van filterpotten 25 is er een uitlaatverzamelleiding 29 van polypropeen die via kleppen 30 op de uitlaten 31 van alle filterpotten 25 aangesloten is. Het andere einde van de verzamelleiding 29 komt uit in een scrub-20 eenheid 32 welke, al naar het uitkomt, verdunde loog of water bevat, en deze eenheid 32 is verbonden met een tweede gas-scrubber 33 die waterige loog bevat. De uitlaat van de tweede gas-scrubber 33 komt uit op een gasinjector 34 van het venturi-type, die door inlaat 35 gevoed wordt, en de gassen worden door uitlaat 36 afge- 25 laten zodat de gasdruk in het geheel dankzij die venturi-blazer 34 enigszins op onderdruk gehouden wordt.

Voorbeeld 1

Argon werd met een debiet van 2 tot 4 mol per minuut geleid door het plasmakanon 1 van de inrichting die 30 in de hierbij behorende tekening afgebeeld is, welk plasma-kanon onder een spanning van 29 volt een stroom van 550 ampere kreeg waardoor de temperatuur van de reactor en de verdere onderdelen van de inrichting op de gewenste waarden kwamen. Perslucht werd door gasinlaat 35 aangevoerd in een voldoende debiet om de druk binnen 35 de inrichting op 5 tot 7,5 cm waterdruk beneden die van de buitenlucht te krijgen. Het feitelijke vermogen dat met de stroom argon 8 λ „ — _·» r? 0 ii ' / -i - k. _ _ " "ïi - 6 - meegegeven werd was 120 kilocal per minuut.

Tot 620°K voorverhit zuurstof werd in een debiet van 1,25 mol per minuut door inlaat 3 ingeleid. Argon werd door gasinlaat 4 toegelaten in een debiet van 1,44 mol per minuut, 5 dit was voorverhit tot een temperatuur van 590°K.

Het voorverhitten van de gassen gebeurde door het nog niet verhitte gas door een kwartsbuis met kwartskorrels te leiden die door. elektrische weerstandselementen op een temperatuur van 870°K gehouden werden. .

10 Op gasinlaat 5 werd een wervelbedverdamper aangesloten en het wervelbed bestond uit zanddeeltjes die door het doorleiden van 0,44 mol/min. argon opgewerveld werden. Het bed werd tot een temperatuur van ongeveer 900 °K verhit en het argon werd met een temperatuur van ongeveer 670°K door inlaat 5 aange-15 voerd.

Toen de thermokoppels in reactorkolommen 8 en 12 en die in leiding 15 constant geworden waren en geen verdere temperatuurstijging meer aangaven werd de inrichting geacht wat de temperatuur betreft een stationaire toestand bereikt te 20 hebben, en vast aluminiumchloride werd in de wervelbedverdamper geleid. Een dampmengsel van aluminiumchloride en argon ontstond in deze wervelbedverdamper en dat werd met een debiet van 26,7 g/ min. (aluminiumchloride) met een temperatuur van 670°K door inlaat 5 geleid.

25 De aluminiumchloride-aanvoer werd 105 minu ten voortgezet. De voeding werd toen onderbroken en 10 minuten later werden alle elektrische verwarmingen en het plasmakanon 1 uitgeschakeld. Aluminiumoxyde was ontstaan door oxydatie van het aluminiumchloride en het werd in de filters 25 opgevangen. Be-30 rekend werd dat de evenwichtstemperatuur van de reactie 2750°K was.

In totaal werd 394 g Aluit filters 25 gehaald en 460 g A^O^ uit de daarbij behorende leidingen. Het produkt was een wit poeder en bleek bij elektronen-microscopie in doorzicht uit afzonderlijke bolvormige kristallen te bestaan waarvan de (naar gewicht) 35 gemiddelde afmeting 0,1086 ^un was? de standaarddeviatie was 1,50.

Het produkt bestond uit δ-Α^Ο^ en was vrij van a-A^O-j.

O f*· Λ "" = *· I _ 3» - * -7-.

Voorbeeld 2

Dit voorbeeld beschrijft de oxydatie van.

AlCl3 bij een druk van 3,5 atmosfeer in een inrichting afgeleid van die die in voorbeeld 1 beschreven is.

5 Door de plasmakanon-opstelling 1, die bij een spanning van 115 volt met 200 ampere gevoed werd, werd zuurstof geleid in een debiet van 1,5 tot 2 mol per minuut. Het feitelijke vermogen dat in de zuurstof ging was 17,4 kilowatt. Reactor-kolom 8 en 12 en de reactorleidingen 15 waren aangepast zodat zij 10 een binnendruk van 5 atmosfeer konden weerstaan en bij 11 werd er nog een blusring in geplaatst. In de reactor werd een druk van 3,5 atmosfeer geschapen door achter blusring 17 een ringvormige opening van 0,48 cm doorsnede aan te brengen. Voldoende perslucht werd door gasinlaat 35 ingevoerd om de druk in de filters terug te 15 brengen tot 5-7,5 cm water beneden de druk van de buitenlucht. Er werd 1,25 mol per minuut zuurstof tot 620 °K verhit en door gasinlaat 3 in de reactor gebracht. Door gasinlaat 4 werd tot 590eK voorverhit argon ingevoerd.

Toen de thermokoppels 9 en 16 constant ge-20 worden waren en geen verdere temperatuurstijging aangaven werd per minuut 82,7 g vast aluminiumchloride in de verdamper gebracht.

Dat gebeurde door gasinlaat 5 met 0,44 mol per minuut opwervelend argon van 670°K. De evenwichtstemperatuur van de reactie werd berekend op 2970°K. De aluminiumchloride-aanvoer werd na 33 minuten 25 gestopt. In totaal werd 594 g Al^O^ uit de filters gewonnen. Het produkt bleek bij elektronenmicroscopie uit afzonderlijke bolvormige kristallen te bestaan met een (naar gewicht) gemiddelde doorsnede van 0,20 de standaarddeviatie was 1,47. Het produkt bestond uit δ-Αΐ202 en was vrij van a-Al^O^.

30 8 ö € 2 : ik.

Claims (10)

1. Dit aluminiumoxyde bestaand, als keramisch materiaal geschikt produkt, met het kenmerk, dat het alumini- 5 umoxyde in de vorm van in hoofdzaak niet geaggregeerde deèltjes is die in hoofdzaak bolvormig zijn met (naar getal) meer dan 95 % met een aspectverhouding niet boven 1,1 en (naar getal) niet meer dan 80 % met een aspectverhouding boven 1,05, dat alle deeltjes in hoofdzaak uit aluminiumoxyde bestaan, en dat de geometrisch 10 naar gewicht gemiddelde grootte der deeltjes tussen 0,02 en 0,5 ^im ligt.

2. Produkt volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de deeltjes niet meer dan 300 dpm en bij voorkeur minder dan 100 dpm natrium (als Na) bevatten.

3. Produkt volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de deeltjes uit δ-aluminiumoxyde bestaan met in hoofdzaak geen α-aluminiumoxyde.

4. Produkt volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk,dat niet meer dan 3 gew.% daarvan in 20 geaggregeerde vorm voorkomt.

5. Produkt volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de geometrisch naar gewicht gemiddelde doorsnede der deeltjes tussen 0,04 en 0,3 ^im en bij voorkeur tussen 0,05 en 0,2 ^un ligt.

6. Werkwijze voor de bereiding van een pro dukt volgens conclusie 1 door oxydatie van een aluminiumhalogenide in dampvorm, met het kenmerk, dat de bereikte oxydatietemperatuur boven het smeltpunt van aluminiumoxyde, dus boven ongeveer 2050°C ligt.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de bereikte temperatuur ten minste 2300°C is.

8. Werkwijze volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat de oxydatie ongeveer bij de druk van de buitenlucht gebeurt.

9. Werkwijze volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat de oxydatie bij verhoogde druk gebeurt. *** 3*» JOU SS· V V* Sm 2 V *-i> -3-

10. Werkwijze volgens een der conclusies 6 t/m 9f met het kenmerk, dat een inert gas of zuurstof met een elektrisch plasma verhit wordt voordat het met dat aluminium-halogenide gemengd wordt. -o-o-o-o- - * * amf ·~λ m :