Eigenschaften und Anwendungen

Sinterkorund für gehärteten Stahl © A.Krell, Fh-IKTSSinterkorund für gehärteten Stahl © A.Krell, Fh-IKTS

Verbindungen des Aluminiums mit Sauerstoff bezeichnet man als Aluminiumoxide, Verbindungen mit OH-Gruppen als Hydroxide. Aluminiumoxide (Al2O3) treten in verschiedenen Modifikationen auf, eines der bekanntesten und bedeutendsten ist alpha-Al2O3 (Korund) [1]. Daneben existieren eine Reihe weiterer Aluminiumoxide unterschiedlicher Struktur, die sogenannten Übergangstonerden [2,3]. Korund weist eine Dichte von 3,98 g/cm³, eine hohe Härte, einen Schmelzpunkt von 2053 °C sowie einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 1012 Ohm·m (bei 20 °C) auf [4]. Es ist chemisch sehr stabil und in Wasser, Säuren und Laugen nahezu unlöslich, während sich z. B. die Übergangstonerde gamma-Al2O3 in starken Säuren und Basen löst. gamma-Aluminiumoxid findet auf Grund seiner hohen Oberflächenaktivität als Adsorbenz und Katalysatormaterial Anwendung.

Neben den Oxiden des Aluminiums, kommen auch noch verschiedene Hydroxide vor. So gibt es die Aluminiumhydroxide [Al(OH)3] Bayerit und Gibbsit sowie die sogenannten Aluminiumoxihydroxide [AlO(OH)] Böhmit und Diaspor. Gibbsit, Böhmit und Diaspor sind Bestandteil des technisch wichtigsten Aluminiumminerals Bauxit.

 

Korund wird auf Grund seiner hohen Härte als Lagerstein in Uhren sowie als Schleif- und Poliermittel von Edelsteinen, Metallen und Si-Wafern verwendet. Mit Bindemitteln, insbesondere anderen Oxiden gemischt, wird Korundpulver zu Tiegeln, Schalen, Schutzrohren, elektrischen Isolatoren, Gelenkersatz (künstliches Hüft- oder Kniegelenk), Dentalkeramik, Brennerrohren, Katalysatorträgern, Verschleißschutz, Panzerungen, Ofenauskleidungen sowie Werkzeugen für die Umformung und Zerspanung von Metallen verarbeitet.

 

Korund ist zwar hart und spröde, weist aber eine geringe Zähigigkeit auf. Zur Steigerung der Zähigkeit setzt man dem weißen Korund für verschiedene Anwendungen teilstabilisiertes Zirkoniumoxid bzw. Titancarbid („Schwarze Keramik“) zu. Die geringe elektrische Leitfähigkeit und hohe Durchschlagfestigkeit von Aluminiumoxid nutzt man bei der Herstellung von Isolatoren und Zündkerzen.

 

Deck-Membran aus amorphen Aluminiumoxid © A.Krell, Fh-IKTSDeck-Membran aus amorphen Aluminiumoxid © A.Krell, Fh-IKTS

Synthetische Korundkristalle werden aus Korundschmelzen gezüchtet und weisen hohe Härte, Transparenz und Kratzfestigkeit auf. Die Edelsteine Saphir und Rubin stellen Korund mit geringen Zusätzen von Eisen/Titan bzw. Chrom dar und werden, synthetisch hergestellt, z. B. in Lasern eingesetzt. Saphir findet z. B. als kratzfestes Uhrenglas Verwendung. Sinterkorund kann durch geringe Zusätze an Fremdstoffen ein breites Farbspektrum annehmen.

 

Böhmit und andere Aluminiumoxide dienen in der Erdöl- und chemischen Industrie wegen Ihrer thermischen Beständigkeit als Katalysatorträger und Adsorbentien. Nanoskaliges Aluminiumoxid kann, zu porösen Strukturen versintert und auf einem gröber strukturierten Träger aufgebracht, auch zur Nanofiltration eingesetzt werden.

 

Aluminiumhydroxid Al(OH)3 dient in Pulverform als Flammschutzmittel sowie als Füllstoff in Teppichbelägen, Gummi, Kunst- und Schaumstoffen. Weiterhin wird es in Zahnputzmitteln und Kosmetika eingesetzt.

Im Allgemeinen dienen Aluminiumoxide und -hydroxide in der Farb- und Kunststoffindustrie als Verdickungs- und Füllmittelund werden auch für das Herbasetzen der Klebrigkeit und Erhöhen der Kratzfestigkeit eingesetzt. Auch die Farbbrillanz von Lacken kann positiv beeinflusst werden.

 

Alumimiumoxid ist als nanometergroßes Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Aluminiumoxid nicht entzündlich, also besteht keine Möglichkeit einer Staubexplosion.

 

Breites Farbspektrum durch Sinter-Korund © A.Krell, Fh-IKTSBreites Farbspektrum durch Sinter-Korund © A.Krell, Fh-IKTS

Weitere Anwendungsbereiche finden sich in:

  • Keramiken: hier auch oftmals hohe Abriebfestigkeit und Feuerfestigkeit
  • Additiven für die Papierherstellung: Nicht-Haftung des Papiers in Hochgeschwindigkeitsprozessen an den Transportrollen
  • Künstlichen Edelsteinen wie Saphiren oder Yttrium-Aluminium Granat (z.B. Einsatz in Hochenergielasern)
  • Leuchtstoffen und Phosphoren: Aluminiumoxide als Trägermaterialien

 

Vorkommen und Herstellung

Aluminiumoxid wird großtechnisch aus dem Mineral Bauxit hergestellt. Die weltweiten Bauxitvorkommen werden auf ca. 20 Mrd. Tonnen geschätzt, die jährliche Weltfördermenge beläuft sich auf ca. 100 Millionen Tonnen. Australien weist die größten Vorkommen und die größte Fördermenge auf. Die sicherlich optisch schönste, aber auch seltene Modifikation des Aluminiumoxids ist der Saphir, der als Edelstein bekannt ist.

Die Herstellung von Aluminium und Aluminiumoxid erfolgt nach dem Bayer-Verfahren, bei dem Bauxit zerkleinert, getrocknet und mit konzentrierter Natronlauge gelöst wird. Die Verunreinigungen Eisen, Silizium und Titan werden im sogenannten Rotschlamm abgetrennt. Aus der Lösung wird Aluminiumhydroxid ausgefällt, das bei 1200 - 1300 °C zu Al2O3 gebrannt wird.

 

NanoCare - Datenblätter

 

Literatur arrow down

  1. Roempp Chemielexikon, 9. Auflage (1992). Georg Thieme Verlag Stuttgart, New York, 1992.
  2. Wefers, K and Misra, C (1987). Oxides and Hydroxides of Aluminum, Alcoa Technical Paper No. 19, Alcoa Laboratories, Pittsburgh, PA, 1987.
  3. Petzold, A and Ulbricht, J (1991). Aluminiumoxid: Rohstoff, Werkstoff, Werkstoffkomponente, Dt. Verl. Für Grundstoffind., Leipzig, 1991. ISBN 9783342005322.
  4. Alfrey, AC et al. (1976), N Engl J Med, 294(4): 184-188.
  5. Wikipedia (DE): Böhmit (Stand letzter Zugang: Dez 2010).
  6. Sasol North America Alumina Group (Stand letzter Zugang: Dez 2010).
  7. Wikipedia (DE): Aluminiumoxid (Stand letzter Zugang: Dez 2010).
  8. Wikipedia (DE): Aluminiumhydroxid (Stand letzter Zugang: Dez 2010).