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Dokumentenidentifikation DE68927106T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0429548
Titel KLEINE PARTIKEL UND PLÄTTCHEN VON ALPHA-ALUMINIUMOXYD
Anmelder Aluminum Company of America, Pittsburgh, Pa., US
Erfinder SUCECH, Steven, W., Lake Villa, IL 60046, US;
MARHANKA, John, E., Benton, AR 72015, US;
PEARSON, Alan, Murrysville, PA 15668, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 68927106
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 19.06.1989
EP-Aktenzeichen 899119648
WO-Anmeldetag 19.06.1989
PCT-Aktenzeichen US8902659
WO-Veröffentlichungsnummer 9015777
WO-Veröffentlichungsdatum 27.12.1990
EP-Offenlegungsdatum 05.06.1991
EP date of grant 04.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse C01F 7/14
IPC-Nebenklasse C01F 7/44   C01F 1/00   C01F 7/00   C01F 7/02   C04B 35/10   B01J 20/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft alpha-Aluminumoxid- Partikel und -Plättchen mit kleiner Partikelgröße sowie Verfahren zu ihrer Herstellung. Der hierin verwendete Ausdruck "Plättchen" bezieht sich auf Partikel mit einer plättchenähnlichen oder flächigen Form. Alpha-Aluminiumoxid-Partikel und -Plättchen sind als Keramikmaterialien und Schleifmittel verwendbar.

Alpha-Aluminiumoxid-Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von kleiner als etwa 1,5 Mikrometer sind in der Technik bekannt. Ebenfalls ist bekannt, daß alpha-Aluminiumoxid-Partikel mit einer plättchenähnlichen Form oder einer flächigen Form (("tafelförmig")) mit Partikelgrößen oberhalb von etwa 2 Mikrometern hergestellt werden können. Bisher unbekannt sind jedoch alpha-Aluminiumoxid-Partikel, die sowohl eine plättchenähnliche Form als auch Partikelgrößen unterhalb von etwa 1,5 Mikrometer aufweisen. Im Zusammenhang mit der hierin verwendeten Bezeichnung Plättchen bedeutet der Ausdruck "Partikelgröße" die Abmessung in der größten Dimension.

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von alpha-Aluminiumoxid-Partikeln mit einer plättchenähnlichen Form und einer mittleren Partikelgröße unterhalb von etwa 1,5 Mikrometern.

Eine damit zusammenhängende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Gewährung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Erzeugung von alpha-Aluminiumoxid-Partikeln des beschriebenen Typs, wobei in diesem Verfahren die Bildung von Böhmit-Gel als eine Zwischenstufe vermieden wird.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann anhand der nachfolgenden Beschreibung und Ansprüche offensichtlich.

Die Erzeugung von feinem Aluminiumoxid-Pulver durch Zusatz von pulverförmigem alpha-Aluminiumoxid-Kristallkeimbildner zu einer Alkalialuminat-Lösung zum Ausfällen von Aluminiumhydroxid, das aufgenommen und zu Aluminiumoxid- Pulver gebrannt wird, wurde in der "Patent Abstracts of Japan", Bd. 12, Nr. 096, vom 29. März 1988, offenbart. In der vorliegenden Erfindung ergibt der Zusatz von Aktivatorpartikeln und Kristallisatorpartikeln mit einer plättchenähnlichen Form.

Die vorliegende Erfindung gewährt ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Partikeln aus alpha-Aluminiumoxid einer plättchenähnlichen Form, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen einer wässrigen Aluminat-Lösung, die 50 ... 400 g/l Ätznatron und 0,50 ... 0,80 Gramm Al&sub2;O&sub3; pro Gramm Ätznatron enthält;

(b) Behandeln der wässrigen Aluminat-Lösung mit Aluminiumoxidhydrat-Keimbildner und einem Aktivator, umfassend Partikel aus alpha-Aluminiumoxid, um dadurch aus der wässrigen Aluminat-Lösung Aluminiumoxidhydrat-Partikel auszufällen, welche die Aktivatorpartikel enthalten, wobei die Aluminiumoxidhydrat-Partikel agglomerierte Kristalle aufweisen und die Agglomerate einen solchen Durchmesser haben, daß sie durch Mahlen auf eine mittlere Partikelgröße von weniger als einen Mikrometer zerkleinert werden können;

(c) Abtrennen der ausgefällten Aluminiumoxidhydrat- Partikel von der wässrigen Aluminat-Lösung;

(d) Trocknen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel; sowie

(e) Brennen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel in Gegenwart eines Kristallisators, der Chlor oder Fluor, Chlorid oder Bor enthält, um Partikel zu erzeugen, die überwiegend alpha-Aluminiumoxid aufweisen.

Die vorliegende Erfindung gewährt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln aus alpha-Aluminiumoxid mit einer plättchenähnlichen Form, umfassend die Schritte:

(f) Bereitstellen einer wässrigen Aluminat-Lösung, die 50 ... 400 g/l Ätznatron und 0,50 ... 0,80 Gramm Al&sub2;O&sub3; pro Gramm Ätznatron enthält;

(g) Behandeln der wässrigen Aluminat-Lösung bei einer Temperatur von 40 ... 100 ºC mit Aluminiumoxidhydrat- Keimbildner und einem Aktivator, umfassend Partikel als alpha-Aluminiumoxid einer mittleren Partikelgröße von weniger als einem Mikrometer, um dadurch aus der wässrigen Aluminat-Lösung Aluminiumoxidhydrat-Partikel auszufällen, welche den alpha-Aluminiumoxid-Aktivator enthalten.

(h) Abtrennen der ausgefällten Aluminiumoxidhydrat- Partikel von der wässrigen Aluminat-Lösung;

(i) Trocknen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel; sowie

(j) Brennen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel in Gegenwart eines Kristallisators, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bortrioxid, Borsäure, Aluminiumfluorid, Aluminiumchlorid, Ammoniumfluorid, Ammoniumchlorid, Chlor, Chlorwasserstoffsäure, und Mischungen davon, um dadurch alpha-Aluminiumoxid-Partikel mit einer plättchenähnlichen Form zu erzeugen.

Ferner gewährt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Partikeln aus alpha- Aluminiumoxid mit einer plättchenähnlichen Form, umfassend die Schritte:

(k) Bereitstellen einer wässrigen Aluminat-Lösung, die 50 ... 400 g/l Ätznatron und 0,50 ... 0,80 Gramm Al&sub2;O&sub3; pro Gramm Ätznatron enthält;

(l) Behandeln der wässrigen Aluminat-Lösung mit Aluminiumoxidhydrat-Keimbildner und einem Aktivator, umfassend Partikel aus alpha-Aluminiumoxid, um dadurch aus der wässrigen Aluminat-Lösung Aluminiumoxidhydrat- Partikel auszufällen, die den alpha-Aluminiumoxid- Aktivator enthalten;

(m) Abtrennen der ausgefällten Aluminiumoxidhydrat- Partikel von der wässrigen Aluminat-Lösung;

(n) Trocknen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel; sowie (O) Brennen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel in Gegenwart eines Kristallisators, der Chlor oder Fluor, Chlorid oder Bor enthält, um Partikel zu erzeugen, die überwiegend alpha-Aluminiumoxid aufweisen.

Die vorliegende Erfindung gewährt ebenfalls alpha- Aluminiumoxid-Partikel mit einer plättchenähnlichen Form und einer mittleren Größe kleiner als 1,5 Mikrometer.

Die vorliegende Erfindung gewährt ferner Aluminiumoxidhydrat-Partikel mit einer plättchenähnlichen Form, die einen Aktivator enthalten, der Partikel aus alpha-Aluminiumoxid umfaßt, welche alpha-Aluminiumoxidhydrat-Partikel agglomerierte Kristalle umfassen und welche Agglomerate einen solchen Durchmesser haben, daß sie durch Mahlen auf eine mittlere Partikelgröße von weniger als einen Mikrometer zerkleinert werden können.

Das Hauptausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine wäßrige Aluminat-Lösung, wie sie beispielsweise aus dem Bayer-Prozeß erhalten wird. Die Aluminat- Lösung enthält 50 ... 400 g/l Ätznatron (ausdrückt als Na&sub2;CO&sub3;) und 0,50 ... 0,80 g Al&sub2;O&sub3; pro Gramm Ätznatron (ausgedrückt als Na&sub2;CO&sub3;). Der Ausdruck "Ätznatron" wird hierin für Natriumhydroxid verwendet. Die Aluminat-Lösung verfügt vorzugsweise über einen Gehalt an Ätznatron von etwa 140 ... 240 gil (ausgedrückt als Na&sub2;CD&sub3;). Die Lösung enthält vorzugsweise etwa 0,60 ... 0,70 g Al&sub2;O&sub3; pro Gramm Ätznatron (ausgedrückt als Na&sub2;CO&sub3;). Die Anfangstemperatur der Lösung beträgt 20 ºC ... 100 ºC.

Die Aluminat-Lösung wird mit Aluminiumoxidhydrat als Impfmaterial ((nachfolgend bezeichnet als "Keimbildner")) und Partikeln aus alpha-Aluminiumoxid-Aktivator behandelt, wodurch Aluminiumoxidhydrat-Partikel ausfällen, die den Aktivator enthalten. Vorzugsweise wird die Lösung auch als Keimbildner gekühlt und Aktivator zugesetzt. Der Aktivator umfaßt vorzugsweise etwa 0,01 % ... 10 Gewichtsprozent des Al&sub2;O&sub3;-Gehalts im Niederschlag und mehr bevorzugt etwa 0,01 % ...5 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt etwa 0,01 % ... 1 Gewichtsprozent. Die mittlere Partikelgröße der Aktivatorpartikel ist normalerweise kleiner als 1 Mikrometer.

Der Keimbildner umfaßt vorzugsweise Partikel aus Aluminiumoxidtrihydrat. Der Aluminiumoxidtrihydrat-Keimbildner kann Gibbsit, Bayerit oder Mischungen davon sein. Mehr bevorzugt besteht der Keimbildner überwiegend aus Gibbsit.

Die ausgefällten Aluminiumoxidhydrat-Partikel, die den Aktivator enthalten, werden von der Aluminat-Lösung abgetrennt, getrocknet und bei einer erhöhten Temperatur von etwa 900 ºC ... 10500 ºC gebrannt, um Partikel aus überwiegend alpha-Aluminiumoxid zu erzeugen. Die erzeugten alpha-Aluminiumoxid-Partikel haben vorzugsweise eine mittlere Kristallitgröße von weniger als 1 Mikrometer. Wenn die alpha-Aluminiumoxid-Partikel agglomeriert sind, können sie durch Mahlen zu einer mittleren Partikelgröße von weniger als 1 Mikrometer zerkleinert werden.

Der hierin verwendete Ausdruck "Aluminiumoxidhydrat" bezieht sich auf Al&sub2;O&sub3; xH&sub2;O, worin x von 1 bis 3 variiert; mit anderen Worten, variiert das Hydratwasser zwischen 15 % und 34,6 Gewichtsprozent des Aluminiumoxidhydrats entsprechend der Bestimmung durch Brennen. Der Ausdruck "Aluminiumoxidtrihydrat" bezieht sich auf Al&sub2;O&sub3; 3H&sub2;O oder Al(OH)&sub3;, auch bezeichnet als "Aluminiumhydroxid". Die Ausdrücke "Gibbsit" und "Bayerit" beziehen sich auf verschiedene kristalline Formen von Aluminiumoxidtrihydrat.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte alpha- Aluminiumoxid-Partikel sind zur Herstellung von gesinterten keramischen Formen verwendbar. Die alpha-Aluminiumoxid- Partikel werden zu Grünlingen verpreßt und die Grünlinge sodann bei einer erhöhten Temperatur von etwa 1.250 ºC 1.500 ºC gesintert. Bevorzugt wird eine Sintertemperatur von etwa 1.400 ºC. Die gesinterten Keramikformen zeichnen sich durch eine hohe Rohdichte und eine relativ kleine Korngröße aus.

In einem besonders bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung werden trockene Aluminiumoxidhydrat- Partikel, die den Aktivator enthalten, gemeinsam mit einem Kristallisator gebrannt, um plättchenähnliche Partikel oder Plättchen zu erzeugen, die eine mittlere größte Abmessung von weniger als 1,5 Mikrometer und vorzugsweise weniger als etwa 1 Mikrometer haben. Einige der bevorzugten Kristallisatoren sind Fluoride, Chloride, Chlor und bestimmte Bor- Verbindungen. Zwei bevorzugte Fluoride sind Aluminiumfluorid und Ammoniumfluorid. Drei bevorzugte Chloride sind Aluminiumchlorid, Ammoniumchlorid und Chlorwasserstoffsäure. Einige der geeigneten Bor-Verbindungen sind Borsäure, Bortrioxid, Natriumtetraborat und Natriumtetrafluoroborat.

Aluminiumfluorid ist besonders bevorzugt, da es wirksam ist und dem Produkt keine weiteren Verunreinigungen zuführt.

Die Temperatur des Brennens beträgt normalerweise 900 ºC ... 1.500 ºC, vorzugsweise etwa 1.200 ºC ... 1.400 ºC. Ein geeignetes Produkt wird bei einer Brenntemperatur von 1.300 ºC erhalten. Der Kristallisator wird normalerweise dem Aluminiumoxidhydrat in einer Menge von etwa 0,15 % ... 2 Gewichtsprozent des Aluminiumoxidhydrats, vorzugsweise etwa 0,15 % ... 1 Gewichtsprozent, zugesetzt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden etwa 0,25 Gewichtsprozent Aluminiumfluorid eingesetzt.

Es zeigen:

Fig. 1 und 3 bis 5 graphische Darstellungen der Partikelgrößenverteilung der alpha-Aluminiumoxid-Partikel, die nach bekannter Ausführung sowie nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Partikelgrößenverteilung von alpha-Aluminiumoxid-Aktivatorpartikeln, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden;

Fig. 6 ein Fließschema eines besonders bevorzugten Verfahrens;

Fig. 7 eine elektronenmikroskopische Aufnahme von alpha-Aluminiumoxid-Partikeln, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden;

Fig. 8 eine elektronenmikroskopische Aufnahme von alpha-Aluminiumoxid-Partikeln, die durch Brennen von Aluminiumoxidhydrat-Partikeln ohne jeglichen Kristallisator hergestellt wurden.

Nach der vorliegenden Erfindung werden alpha-Aluminiumoxid-Aktivatorpartikel zu einer Natriumaluminat-Lösung aus dem Bayer-Prozeß gemeinsam mit Aluminiumoxidhydrat-Keimbildner zugesetzt, wodurch Aluminiumoxidhydrat-Partikel ausfallen, die den Aktivator enthalten. In Fig. 6. ist ein Fließschema des gesamten Prozesses dargestellt. In den nachfolgenden Beispielen werden einige der Vorteile eines solchen Zusatzes von Aktivatorpartikeln in dem Fällungsschritt demonstriert.

Mahlbedingungen

Für diese Arbeit wurde der Standard für das Trockenmahlen der ACMA (American Ceramic Manufacturer's Association) zur Anwendung gebracht. Diese Prozedur besteht aus einer mit 62 U/min rotierenden 5 l-Keramikkugelmühle mit 4 kg-Kugeln mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt und einem Nennmaß von 2,54 cm (1 inch) und 125 g Pulver. Es wurden unterschiedliche Mahlzeiten verwendet, so daß die Änderung der Partikelgrößenverteilung in Abhängigkeit von der Zeit verfolgt werden konnte und sich so als ein Hinweis für leichtes Mahlen verwenden ließ.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

Dieses Beispiel zeigt das Brenn- und Mahlverhalten einer ohne Zusatz von alpha-Aluminiumoxid-Aktivatorpartikel ausgefällten Probe Aluminiumoxidhydrat. Die Ausfällung wurde durch Zusatz von 2 g/l Gibbsit-Keimbildner mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 1 Mikrometer zu einer Natriumaluminat-Lösung ausgeführt, die näherungsweise 95 g/l Al&sub2;O&sub3; und 150 g/l Ätznatron (ausgedrückt als Natriumcarbonat-Äquivalent) enthielt. Ein bevorzugter Gibbsit-Keimbildner wird von der Aluminum Company of America unter dem Warenzeichen HYDRAL 710 vertrieben.

Die Suspension wurde für 4 Stunden gerührt und bei 85 ºC gehalten und sodann für 20 Stunden bei 65 ºC und schließlich für 24 Stunden bei 45 ºC. Diese Zeit/Temperatur-Bedingungen wurden gewählt, um die kommerzielle Produktion von chemisch reinem Gibbsit mit niedrigem Natriumgehalt zu simulieren. Die ausgefällten Partikel wurden durch Filtration entfernt und sodann gewaschen und getrocknet. Es wurden näherungweise 100 g/l Gibbsit gewonnen. Das Produkt setzte sich aus Agglomeraten (mittlerer Durchmesser 4 Mikrometer) von kleineren (mittlerer Durchmesser 1 bis 2 Mikrometer) Gibbsit-Kristallen mit 0,04 Gewichtsprozent Na&sub2;O zusammen.

Das Gibbsit-Material wurde durch Erhitzen für 2 Stunden bei 1.200 ºC gebrannt und sodann für 16 Stunden in der Kugelmühle zerkleinert. Die Partikelgrößenverteilung des gemahlenen Produkts (gemessen mit Hilfe des "Micromeritics Sedigraph") ist in Fig. 1 dargestellt. Wie ersichtlich, beträgt die mittlere Partikelgröße etwa 0,6 Mikrometer mit etwa 90 % der Partikel unterhalb von 1 Mikrometer.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt den Einfluß des Zusatzes von feinen Partikeln von alpha-Aluminiumoxid-Aktivator während der Ausfällung des Gibbsits.

Es wurde eine Charge von Gibbsit-Partikeln unter Verwendung von 1 g/l Gibbsit einer mittleren Partikelgröße von 0,25 Mikrometer als Ausfällungsmaterial ausgefällt. Die Zusammensetzung der Natriumaluminat-Lösung war im wesentlichen die gleiche wie in Beispiel 1, jedoch wurde die Ausfällung bei einer Temperatur von 90 ºC begonnen und die Suspension auf natürlichem Wege abkühlen gelassen. Der Zeit/Temperatur-Verlauf des Fällungsschrittes war folgender:

Der Aufschlämmung wurden schrittweise während der Ausfällung 0,6 g/l alpha-Aluminiumoxid-Aktivatorpartikel mit einer in Fig. 2 dargestellten Partikelgrößenverteilung zugesetzt. Der Zusatz von alpha-Aluminiumoxid betrug zu Beginn der Ausfällung 0,3 g/l, nach 4 Stunden 0,15 g/l und nach 24 Stunden 0,15 g/l. Durch die Wahl dieser Folge wurde versucht, die Aktivatorpartikel und unter den Partikeln des ausfällenden Aluminiumoxids gleichmäßig zu verteilen. Die Gibbsit-Ausbeute und der Na&sub2;O-Gehalt waren ähnlich wie bei dem Produkt von Beispiel 1. Das Gibbsit-Produkt setzte sich aus 25 Mikrometer-Agglomeraten mit Kristallgrößen von etwa 2 bis 5 Mikrometern zusammen.

Dieses Material wurde für 2 Stunden bei 1.200 ºC gebrannt und sodann nach der Prozedur von Beispiel 1 allerdings mit nur 4 Stunden gemahlen. Die Partikelgrößenverteilung des gemahlenen Produkts ist in Fig. 1 dargestellt. Wie ersichtlich, ist das gemahlene Produkt von Beispiel 2 trotz der Tatsache sehr viel feiner als das von Beispiel 1, daß es für eine kürzere Zeitdauer gemahlen wurde. Näherungsweise 95 % des Produkts von Beispiel 2 haben eine Partikelgröße unterhalb von 1 Mikrometer.

Fig. 2 zeigt einen Vergleich zwischen der Partikelgrößenverteilung der Aktivatorpartikel und der Partikelgrößenverteilung des in Beispiel 2 erzeugten alpha- Aluminiumoxids. Überraschenderweise hat das Produkt von Beispiel 2 einen höheren Anteil von Partikeln im Partikelgrößenbereich unterhalb von etwa 0,25 Mikrometer als die Aktivatorpartikel.

Beispiel 3

Dieses Beispiel zeigt den Einfluß der Veränderung der Menge der Aktivatorpartikel auf die Gibbsit-Ausfällung. Bei allen Versuchen wurden die Ausfällungen in diesem Beispiel unter Anwendung von Natriumaluminat-Lösungen mit näherungsweise der gleichen Zusammensetzung und unter den gleichen Zeitltemperatur-Bedingungen ausgeführt, wie in Beispiel 1 beschrieben wurde. Das Ausfällungsmaterial war eine Mischung von Gibbsit- und Bayerit-Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 0,1 Mikrometer, wobei in jedem Versuch eine Keimbildnercharge von 1 g/l verwendet wurde. Die in diesen Versuchen verwendete Menge von alpha- Aluminiumoxid-Aktivator wurde im Bereich von 0 % ... 5 Gewichtsprozent (bezogen auf den Al&sub2;O&sub3;-Gehalt in dem ausgefällten Produkt) variiert. Der alpha-Aluminiumoxid- Aktivator hatte die gleich Partikelgrößenverteilung wie in Beispiel 2 und wurde mit 40 % zu Beginn der Ausfällung und 40 % nach 4 Stunden und 20 % nach 24 Stunden schrittweise zugesetzt. Nach der Ausfällung wurden die Gibbsit-Partikel gefiltert, gewaschen und getrocknet. Bei diesen Versuchen war das Waschen nicht so gründlich wie in den Beispielen 1 und 2, weshalb der Restgehalt an Na&sub2;O demzufolge etwas größer war als in diesen Beispielen. Bei den in dem vorliegenden Beispiel ausgefällten Produkten handelte es sich um Agglomerate von Gibbsit-Kristallen mit 0,5... 1,0 Mikrometer.

Jedes Produkt wurde für 2 Stunden bei 1.100 ºC... 1.250 ºC gebrannt und für die jeweilige Brennbedingung die Oberfläche und der Gehalt an alpha-Aluminiumoxid gemessen. Diese Daten sind in Tabelle 1 gezeigt.

TABELLE I Eigenschaften des gebrannten Gibbsit/alpha-Aluminiumoxid-Produktes

* .. bezogen auf den Gehalt von Al&sub2;O&sub3; der Ausfällung

Aufgrund des Na&sub2;O-Restgehaltes in diesen Proben wurde alles oberhalb von 90 Gewichtsprozent alpha-Aluminiumoxid als vollständig umgewandelt betrachtet. Man kann erkennen, daß ohne den Zusatz von Aktivator eine Brenntemperatur von 1.250 ºC zur völligen Umwandlung in alpha-Aluminiumoxid benötigt wurde. Dieses ist eine höhere Temperatur, als in den Versuchen von Beispiel 1 als erforderlich festgestellt wurde, was wahrscheinlich auf den höheren Gehalt von Na&sub2;O zurückzuführen ist, von dem bekannt ist, daß es die Umwandlung in alpha-Aluminiumoxid verzögert.

Bei Vorhandensein von nicht mehr als 0,01 Gewichtsprozent Aktivator wurde die alpha-Umwandlungstemperatur wesentlich herabgesetzt. Aus den Daten geht ebenfalls hervor, daß durch Brennen bei niedrigeren Temperaturen Produkte mit einer größeren Oberfläche (feinere Kristallgröße) erzielt wurden. Fig. 3 und 4 zeigen die Daten der Partikelgrößen für einige dieser Materialien nach dem Trockenmahlen für 1 bis 4 Stunden unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1. Die in Fig. 3 dargestellten Partikelgrößen wurden aus Aluminiumoxid erhalten, das durch Zusatz von 0,05 Gewichtsprozent alpha-Aluminiumoxid-Aktivatorpartikel zu Gibbsit-Keimbildner ausgefällt wurde. Die Partikelgrößen in Fig. 4 wurden von Aluminiumoxid erhalten, das durch Zusatz von 1,0 Gewichtsprozent alpha-Aluminiumoxid-Aktivatorpartikel zu Gibbsit-Keimbildner ausgefällt wurde. In beiden Fällen wurden die Niederschläge bei 1.125 ºC gebrannt. Die gebrannten Proben waren nach dem Zusatz von Aktivator außerordentlich leicht zu mahlen, und es wurden mittlere Partikelgrößen unterhalb des Nachweisbereiches des Sedigraphen (0,2 Mikrometer) erzielt. Außerdem enthielten diese Proben wenig oder kein Material mit einer mittleren Partikelgröße oberhalb von 1 Mikrometer.

Fig. 5 zeigt ähnliche Daten für die bei 1.250 ºC gebrannte und nichtaktivierte Probe. Dieses Material war im Vergleich zu Beispiel 1 sehr leicht zu mahlen, erreichte jedoch nicht die Feinheit der aktivierten Proben.

Beispiel 4

Dieses Beispiel zeigt, daß Pulver, die durch Brennen von Gibbsit mit einem Gehalt von Aktivator hergestellt wurden, hervorragende Ausgangsmaterialien für keramische Werkstoffe mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt sind. Um den Einfluß des Rest-Na&sub2;O herabzusetzen, wurden einige der in Beispiel 3 beschriebenen Gibbsit-Proben durch Erhitzen auf 425 ºC thermisch zersetzt und sodann mit heißer Essigsäure bei einem pH-Wert von 5 bis 6 gelaugt, um deren Na&sub2;O-Gehalt zu senken. Diese Materialien wurden für 2 Stunden bei 1.125 ºC gebrannt und mit Wasser gelaugt. Nach dem Trocknen wurde bei allen Proben festgestellt, daß der Na&sub2;O-Gehalt kleiner war als 0,01 Gewichtsprozent.

Die Proben wurden sodann für 4 Stunden gemahlen, zu Pellets mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 inch) einer Dicke von 0,64 cm (0,25 inch) bei einem Druck von 34,5 MPa (5.000 psi) in einer Doppelkolbenform verpreßt und für 1 Stunde bei 1.400 ºC gesintert. Nach dem Sintern betrugen die Rohdichten dieser Proben 97,5, 96,5 bzw. 95,2 % der theoretischen Dichte (3,99 g/cm³) bei Aktivatorkonzentrationen von 5,0 %, 0,2 % bzw. 0,01 Gewichtsprozent. Um vergleichbare Dichten zu erzielen, würde für nichtaktiviertes Aluminiumoxid eine um mehr als 100 ºC höhere Sintertemperatur benötigt werden. Ein Beispiel für ein nichtaktiviertes alpha- Aluminiumoxid ist unter dem Warenzeichen A-16 SG bei der Aluminum Company of America verfügbar. Aufgrund der niedrigen Sintertemperatur betrug die gebrannte Korngröße dieser Proben lediglich etwa 1 Mikrometer. Die Kombination von hoher Dichte und geringer Korngröße ist in einer Aluminiumoxid-Keramik wegen der verbesserten mechanischen Eigenschaften und der Oberflächenfeinheit sehr wünschenswert.

Beispiel 5

Dieses Beispiel zeigt den Einfluß des Brennens von nichtaktivierten Gibbsit-Partikeln gemeinsam mit einem Aluminiumfluorid-Kristallisator.

Ein von der Aluminum Company of America unter dem Warenzeichen HYDRAL 710 vertriebenes kommerzielles Gibbsit hat eine mittlere Partikelgröße von näherungsweise 1 Mikrometer. Das Gibbsit wurde bei 1.300 ºC mit 0,25 Gewichtsprozent Aluminiumfluorid in einem statischen Ofen gebrannt. Das resultierende Produkt bestand aus alpha- Aluminiumoxid-Partikeln mit einer mittleren Kristallitgröße von näherungsweise 3 Mikrometern.

Beispiel 6

Beispiel 5 wurde unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren und von der Aluminum Company of America unter dem Warenzeichen von HYDRAL 705 vertriebenen Gibbsits wiederholt. Die mittlere Partikelgröße dieses Gibbsits betrug näherungsweise 0,5 Mikrometer. Das resultierende alpha-Aluminiumoxid-Produkt hatte eine mittlere Kristallitgröße von etwa 4,5 Mikrometer.

Die in den Beispielen 5 und 6 erhaltenen Kristallitgrößen sind für kommerziell verfügbare alpha-Aluminiumoxid- Materialien, die durch Brennen in Gegenwart eines Kristallisators hergestellt wurden, typisch.

Beispiel 7

Durch Ausfällen aus Natriumaluminat-Lösung in Gegenwart von alpha-Aluminiumoxid-Aktivatorpartikeln wurde ein Gibbsit-Material mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 0,8 Mikrometer hergestellt. Die Aktivatorpartikel hatten eine mittlere Partikelgröße von etwa 0,3 Mikrometer und machten bis zu 1,5 Gewichtsprozent (auf Al&sub2;O&sub3;-Basis) der ausgefällten Probe aus.

Das ausgefällte, aktivierte Gibbsit wurde getrocknet und danach mit 0,25 Gewichtsprozent zugesetztem Aluminiumfluorid bei 1.300 ºC in einem statischen Ofen gebrannt. Die resultierenden Plättchen hatten eine mittlere Partikelgröße (größte Dimension) von etwa 1 Mikrometer. Die Plättchen verfügten über ein gutdefiniertes plättchenähnliches Aussehen mit abgerundeten Kanten.

Beispiel 8

Das aktivierte Gibbsit von Beispiel 7 wurde ausgetrocknet und sodann mit 0,25 Gewichtsprozent zugesetztem Aluminiumfluorid-Kristallisator in einem mit Gas beheizten Drehrohrofen mit einer Temperatur von 1.200 ºC ... 1.250 ºC am heißen Ende gebrannt. Die resultierenden Plättchen hatte eine mittlere Partikelgröße (größte Dimension) kleiner als 1 Mikrometer. Wie aus der mit einer 10.200-fachen Vergrößerung aufgenommenen elektronenmikroskopischen Aufnahme von Fig. 7 zu erkennen ist, hatten die resultierenden alpha-Aluminiumoxid-Plättchen eine mittlere Partikelgröße unterhalb von 1 Mikrometer mit wohldef inierten plättchenähnlichen Kristallen. Die Plättchen hatten ein mittleres Höhen-Breiten- Verhältnis von etwa 4. Der hierin verwendete Ausdruck "Höhen-Breiten-Verhältnis" ist als die größte Dimension eines Partikels, geteilt durch seine kleinste Dimension (Dicke) definiert. Das Höhen-Breiten-Verhältnis von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Plättchen beträgt normalerweise etwa 2 ... 5 und vorzugsweise etwa 3 ... 5.

Beispiel 8

Beispiel 8 wurde ohne Zusatz irgendeines Kristallisators zum Brennschritt wiederholt. Das resultierende Produkt ist in 15.300-facher Vergrößerung in Fig. 8 als ein sehr feines kristallines Produkt dargestellt, dem das wohldefinierte plättchenähnliche Aussehen von Fig. 7 fehlt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Partikeln aus alpha-Aluminiumoxid mit einer plättchenähnlichen Form, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen einer wässrigen Aluminat-Lösung, die 50 ... 400 g/l Ätznatron und 0,50 ... 0,80 Gramm Al&sub2;O&sub3; pro Gramm Ätznatron enthält;

(b) Behandeln der wässrigen Aluminat-Lösung mit Aluminiumoxidhydrat-Keimbildner und einem Aktivator, umfassend Partikel aus alpha-Aluminiumoxid, um dadurch aus der wassrigen Aluminat-Lösung Aluminiumoxidhydrat-Partikel auszufällen, welche die Aktivatorpartikel enthalten, wobei die Aluminiumoxidhydrat-Partikel agglomerierte Kristalle aufweisen und die Agglomerate einen solchen Durchmesser haben, daß sie durch Mahlen auf eine mittlere Partikelgröße von weniger als einen Mikrometer zerkleinert werden können;

(c) Abtrennen der ausgefällten Aluminiumoxidhydrat- Partikel von der wässrigen Aluminat-Lösung;

(d) Trocknen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel; sowie

(e) Brennen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel in Gegenwart eines Kristallisators, der Chlor oder Fluor, Chlorid oder Bor enthält, um Partikel zu erzeugen, die überwiegend alpha-Aluminiumoxid aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Kristallisator ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumfluorid, Ammoniumfluorid, Aluminiumchlorid, Ammoniumchlorid, Chlor, Chlorwasserstoffsäure, Bortrioxid, Borsäure und Mischungen davon.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Kristallisator Aluminiumchlorid umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Kristallisator 0,15 % ... 2 Gewichtsprozent der Aluminiumoxidhydrat-Partikel umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: (f) Zerkleinern der Partikel, die überwiegend alpha- Aluminiumoxid sind, zu einer mittleren Partikelgröße von weniger als 1,5 Mikrometer.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der alpha-Aluminiumoxid-Aktivator 0,01 % ... 10 Gewichtsprozent des Al&sub2;O&sub3;- Gehalts der ausgefällten Aluminiumoxidhydrat-Partikel umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Aluminiumoxidhydrat-Keimbildner Aluminiumoxidtrihydrat-Partikel umfaßt

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die wässrige Aluminat-Lösung in Schritt (a) eine Temperatur von 20 ... 100 ºC hat und die in Schritt (b) ausgefällten Aluminiumoxidhydrat- Partikel Aluminiumoxidtrihydrat-Partikel umfassen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem Schritt (b) ferner Kühlen der wässrigen Aluminat-Lösung umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der alpha-Aluminiumoxid-Aktivatorpartikel einer mittleren Partikelgröße kleiner als 1 Mikrometer umfaßt.

11. Verfahren zur Herstellung von Partikeln aus alpha- Aluminiumoxid mit einer plättchenähnlichen Form, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen einer wässrigen Aluminat-Lösung, die 50 ... 400 g/l Ätznatron und 0,50 ... 0,80 Gramm Al&sub2;O&sub3; pro Gramm Ätznatron enthält;

(b) Behandeln der wässrigen Aluminat-Lösung bei einer Temperatur von 40 ... 100 ºC mit Aluminiumoxidhydrat- Keimbildner und einem Aktivator, umfassend Partikel als alpha-Aluminiumoxid einer mittleren Partikelgröße von weniger als einem Mikrometer, um dadurch aus der wässrigen Aluminat-Lösung Aluminiumoxidhydrat-Partikel auszufällen, welche den alpha-Aluminiumoxid-Aktivator enthalten.

(c) Abtrennen der ausgefällten Aluminiumoxidhydrat Partikel von der wässrigen Aluminat-Lösung;

(d) Trocknen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel; sowie

(e) Brennen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel in Gegenwart eines Kristallisators, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bortrioxid, Borsäure, Aluminiumfluorid, Aluminiumchlorid, Ammoniumfluorid, Ammoniumchlorid, Chlor, Chlorwasserstoffsäure, und Mischungen davon, um dadurch alpha-Aluminiumoxid-Partikel mit einer plättchenähnlichen Form zu erzeugen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Kristallisator Aluminiumfluorid umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei weichem der Kristallisator 0,15 % ... 2 Gewichtsprozent der Aluminiumoxidhydrat- Partikel umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der alpha- Aluminiumoxid-Aktivator 0,01 % ... 10 Gewichtsprozent des Al&sub2;O&sub3;-Gehalts der ausgefällten Aluminiumoxidhydrat-Partikel umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Agglomerate einen mittleren Durchmesser von etwa 25 Mikrometer haben.

16. Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Partikeln aus alpha-Aluminiumoxid mit einer plättchenähnlichen Form, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen einer wässrigen Aluminat-Lösung, die 50 ... 400 g/l Ätznatron und 0,50 ... 0,80 Gramm Al&sub2;O&sub3; pro Gramm Ätznatron enthält;

(b) Behandeln der wässrigen Aluminat-Lösung mit Aluminiumoxidhydrat-Keimbildner und einem Aktivator, umfassend Partikel aus alpha-Aluminiumoxid, um dadurch aus der wässrigen Aluminat-Lösung Aluminiumoxidhydrat- Partikel auszufällen, die den alpha-Aluminiumoxid- Aktivator enthalten;

(c) Abtrennen der ausgefällten Aluminiumoxidhydrat- Partikel von der wässrigen Aluminat-Lösung;

(d) Trocknen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel; sowie

(e) Brennen der Aluminiumoxidhydrat-Partikel in Gegenwart eines Kristallisators, der Chlor oder Fluor, Chlorid oder Bor enthält, um Partikel zu erzeugen, die überwiegend alpha-Aluminiumoxid aufweisen.

17. Alpha-Aluminiumoxid-Partikel nach dem Verfahren nach Anspruch 11, welche Partikel eine mittlere Partikelgröße kleiner als 1,5 Mikrometer haben.

18. Alpha-Aluminiumoxid-Partikel mit plättchenähnlicher Form und einer mittleren Partikelgröße kleiner als 1,5 Mikrometer.

19. Alpha-Aluminiumoxid-Partikel nach Anspruch 17 mit einer mittleren Partikelgröße kleiner als etwa einen Mikrometer.

20. Alpha-Aluminiumoxid-Partikel nach Anspruch 18 mit einem Höhen-Breiten-Verhältnis von 2 .5. 5.

21. Aluminiumoxidhydrat-Partikel mit plättchenähnlicher Form, die einen Aktivator enthalten, der Partikel aus alpha- Aluminiumoxid umfaßt, welche alpha-Aluminiumoxidhydrat-Partikel agglomerierte Kristalle umfassen und welche Agglomerate einen solchen Durchmesser haben, daß sie durch Mahlen auf eine mittlere Partikelgröße von weniger als einen Mikrometer zerkleinert werden können.

22. Aluminiumoxidhydrat-Partikel nach Anspruch 21 mit einem mittleren Durchmesser von etwa 25 Mikrometer.

23. Aluminiumoxidhydrat-Partikel nach Anspruch 21, wobei die Kristalle Gibbsit umfassen.

24. Aluminiumoxidhydrat-Partikel nach Anspruch 21, welche Aluminiumoxidhydrat-Partikel ferner dadurch gekennzeichnet sind, daß ihre gebrannte α-Form leichter gemahlen werden kann als diejenige, die aus Aluminiumoxidhydrat-Partikeln erhalten werden, denen es an Aktivator mangelt.

25. Aluminiumoxidhydrat-Partikel nach Anspruch 21, welche Aluminiumoxidhydrat-Partikel ferner dadurch gekennzeichnet sind, daß ihre gebrannte α-Form innerhalb einer Mahldauer von wesentlich kürzer als 16 Stunden zu einem Produkt gemahlen werden kann, in welchem 95 % des Produkts eine kleinere Partikelgröße als 1 Mikrometer haben.







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