1.1 Struktur Kristal Alumina
Alumina memiliki struktur yang relatif kompleks, yang dibagi menjadi dua kategori berdasarkan susunan O2-: struktur kubik (fcc) atau struktur padat heksagonal (hcp). Dalam dua kategori utama ini, klasifikasi lebih lanjut dapat dibuat berdasarkan Al3+, di antaranya struktur (kubik), η (kubik), θ (monoklinik), dan δ (ortorombik) didasarkan pada kisi fcc, sedangkan (trigonal), κ (ortorombik), dan χ (heksagonal) merupakan struktur hcp.
Struktur kristal -Al2O3 memiliki O2- yang tersusun dalam struktur rapat-heksagonal, dengan bagian sisanya membentuk situs interstisial oktahedral, dan Al3+ mengisi 2/3 situs interstisial, sehingga memastikan rumus kimia alumina adalah -Al2O3. Prinsip pengisian Al3+ pada situs interstisial oktahedral memenuhi aturan Pauling, yaitu jarak antara Al3+ dalam lapisan yang sama dan antar lapisan harus dijaga sejauh mungkin [1].
-Al2O3 dibagi lagi menjadi -seperti serpihan -Al2O3 dan -Al2O3 berbentuk bola. Serpihan-seperti -Al2O3 menunjukkan struktur planar dua-dimensi dalam ruang, dengan ketebalan kecil dan rasio diameter-terhadap-ketebalan yang besar. Biasanya dibuat dengan tiga metode: kimia basah, reaksi keadaan padat, dan metode garam cair. Struktur -Al2O3 berbentuk bola sebagian besar disusun dalam ruang tiga-dimensi, dan pertumbuhannya dalam arah dua-dimensi harus ditekan selama persiapan, sehingga metode seperti pengendapan homogen, metode hidrotermal, metode bola tetes, metode templat, metode penyemprotan, dan elektrolisis plasma terutama digunakan di sini. Bulat -Al2O3 relatif lebih sulit untuk disiapkan.
Struktur kristal -Al2O3 dicirikan oleh pengepakan O2 yang rapat secara kubik-, sehingga membentuk struktur oktahedral. Struktur ini selanjutnya berkembang menjadi struktur spinel, di mana 32 kubik atom O yang tersusun rapat membentuk sel satuan. Pada struktur spinel, 32 atom O membentuk 8 rongga tetrahedral dan 16 rongga oktahedral, dimana 67/3 atom aluminium tersebar secara acak dalam rongga tersebut, sedangkan terdapat 8/3 rongga [2].
Karakteristik struktur kristal -Al2O3 terletak pada luas permukaan spesifiknya yang tinggi dan pusat aktif yang tersebar luas. Pada temperatur katalitik yang sesuai, bahan ini menunjukkan stabilitas yang baik. Oleh karena itu, katalis -Al2O3 memiliki prospek penerapan yang luas dalam industri dan penelitian ilmiah karena selektivitasnya yang tinggi.
-Al2O3 adalah bentuk kristal alumina yang paling stabil, dan bentuk kristal lainnya tidak stabil dan disebut fase transisi. Fase transisi ini pada akhirnya akan berubah menjadi struktur -Al2O3 yang stabil dalam kondisi tertentu, sehingga -Al2O3 juga merupakan fase transformasi akhir alumina. Oleh karena itu, hanya -Al2O3 yang ada di alam, dalam bentuk mineral alami seperti korundum alami, rubi, dan safir. Struktur ini disebut juga struktur kristal korundum [3-4].
1.2 Keramik Alumina
Keramik alumina adalah-bahan keramik berperforma tinggi. Karena sifat fisik dan kimianya yang sangat baik, mereka banyak digunakan di lingkungan yang keras seperti suhu tinggi, kekuatan tinggi, ketahanan aus yang tinggi, dan insulasi yang tinggi. Sejarah perkembangannya dapat ditelusuri kembali ke akhir abad ke-19. Karena kekuatan dan kekakuannya yang tinggi, keramik alumina adalah salah satu keramik oksida yang paling populer. Pada saat yang sama, karena sifat mekanik, listrik, dan optiknya secara umum, keramik alumina digunakan di banyak bidang industri modern.
Keramik alumina memiliki kekerasan yang tinggi, dengan kekerasan Rockwell sebesar HRA80-90, yang merupakan peringkat kedua setelah berlian. Ketahanan aus keramik alumina setara dengan 266 kali lipat baja mangan dan 171,5 kali lipat besi cor kromium tinggi. Dalam kondisi kerja yang sama, masa pakai peralatan dapat diperpanjang setidaknya sepuluh kali lipat. Kepadatan bahan keramik alumina adalah 3,7~3,95 g/cm³, hanya setengah dari baja, yang juga dapat sangat mengurangi beban peralatan. Pada saat yang sama, ia juga memiliki keunggulan seperti konduktivitas termal yang tinggi, resistivitas dan stabilitas termal yang baik, serta konstanta dielektrik yang kecil. Ini adalah bahan pilihan untuk perangkat dan sistem mikroelektronik generasi baru dan telah menjadi bahan utama untuk substrat sirkuit di berbagai bidang seperti ruang angkasa, komunikasi 5G, semikonduktor berdaya tinggi, dan pencahayaan LED berdaya tinggi [5].
Teknologi persiapan bubuk alumina ultrahalus-kemurnian tinggi adalah salah satu faktor utama yang membatasi perkembangan pesat bahan keramik alumina khusus dan juga merupakan penghubung utama dalam mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi dalam produksi industri. Pengembangan metode baru untuk menyiapkan-bubuk keramik berkualitas tinggi sangat penting bagi pengembangan bahan keramik dan bidang-teknologi tinggi terkait.
2
Teknologi Pembuatan Serbuk Alumina
2.1 Klasifikasi Prekursor Alumina
Pembuatan alumina biasanya melibatkan dekomposisi termal hidrat alumina, yang diendapkan dari larutan yang mengandung ion Al3+ atau senyawa organologam. Penelitian telah menunjukkan bahwa proses konversi ini (seperti dehidrasi boehmite menjadi -Al2O3) adalah reaksi topotaktik, yang memungkinkan morfologi mikroskopis dari prekursor dipertahankan dalam alumina. Oleh karena itu, karakteristik alumina erat kaitannya dengan prekursor hidratnya.
Menurut perbedaan struktur dan kandungan air, prekursor alumina terutama meliputi gibbsite, bayerite, nordstrandite, dan diaspore, di antaranya diaspore dibagi lagi menjadi diaspore dan boehmite. Gibbsite merupakan komponen utama bauksit di daerah tropis. Sebagai produk akhir dari proses Bayer komersial, ia diproduksi dalam skala besar melalui pengendapan alkali Al3+ dan banyak digunakan sebagai penghambat api, aditif untuk polimer dan kertas, pengisi pasta gigi, dan penstabil untuk titanium dioksida. Struktur kristal situs gibbite termasuk dalam sistem monoklinik, dengan aluminium-oksigen oktahedra dihubungkan oleh tepinya untuk membentuk struktur berlapis, dan susunan susunan lapisan ganda-dapat dinyatakan sebagai AB BA AB BA.... Boehmite, juga dikenal sebagai pseudo-boehmite. Ini dapat disintesis secara hidrotermal menggunakan gibbsite sebagai bahan mentah, atau diperoleh dengan pemanggangan bayerit yang terkontrol. Boehmite termasuk dalam sistem ortorombik, dengan aluminium-oksigen oktahedra dihubungkan oleh tepinya dan disusun secara bertahap, dan lapisan-lapisannya dihubungkan oleh ikatan hidrogen. Dalam struktur oktahedral, atom oksigen disusun menurut cara ABC ABC....
Di antara berbagai prekursor aluminium hidroksida, pseudo-boehmite adalah jenis hidrat dengan kristalinitas yang relatif rendah. Hal ini ditandai dengan luas permukaan spesifik yang tinggi, pori-pori yang melimpah, permukaan bermuatan positif, mudah terdispersi dalam air dan pelarut yang mengandung hidroksil-, dan kelarutan gel yang baik dalam kondisi asam. Karakteristik ini membuat pseudo-boehmite banyak digunakan sebagai pembawa katalis dan pengikat, dan juga merupakan produk antara yang penting untuk memproduksi alumina aktif [6].
2.2 Metode Pembuatan Serbuk Alumina
2.2.1 Metode Fase Gas
Metode fase gas secara langsung menggunakan gas atau menguapkan reaktan melalui metode pemanasan yang berbeda, menyebabkan reaksi fisikokimia terjadi dalam bentuk gas, dan akhirnya mengembun membentuk bubuk ultrahalus. Metode jenis ini memiliki kondisi reaksi yang ringan, pengendalian aglomerasi yang mudah, dispersibilitas partikel yang baik, ukuran partikel yang kecil, dan distribusi yang sempit; kerugiannya adalah hasil yang sangat rendah, dan biaya produksi sulit dikendalikan.
Pada metode fasa gas, bahan mentah harus diuapkan seluruhnya sebelum reaksi, yang menghabiskan banyak energi, dan reaksi tersebut memerlukan gas inert dalam jumlah besar dengan kelembapan yang sangat rendah, sehingga biaya metode fasa gas relatif tinggi.
Deposisi uap kimia (CVD) adalah metode fase gas yang umum digunakan untuk menyiapkan nano-alumina. Metode ini menggunakan aluminium klorida dan uap air untuk bereaksi dalam ruang reaksi untuk menghasilkan bubuk nano alumina. Metode CVD yang umum termasuk CVD api, CVD pirolisis laser, dan lain-lain. Han Shizhong dkk. [7] menyiapkan bubuk alumina dengan kemurnian tinggi dengan ukuran partikel rata-rata 5,6 nm dengan CVD organologam plasma, bereaksi dalam lingkungan oksigen pada 1000 derajat dan 5,3 kPa untuk mendapatkan bubuk alumina nano{10}}bola.
2.2.2 Metode Fase Cair
Metode fasa cair meliputi pelarutan garam aluminium dalam pelarut tertentu, pemisahan zat terlarut dan pelarut melalui penguapan, sublimasi, penambahan pengendap, hidrolisis, dan cara lain untuk memperoleh partikel dengan bentuk dan ukuran tertentu, yaitu menyiapkan prekursor serbuk Al2O3, dan terakhir memanaskan dan menguraikan prekursor.
Pertama, unsur aluminium ada dalam larutan dalam bentuk ionik dan dapat dilarutkan dalam pelarut air atau pelarut organik seperti triklorometil, etanol, dan toluena melalui garam aluminium seperti aluminium sulfat, aluminium detik-butoksida, dan natrium metaaluminat. Selanjutnya, ion aluminium dapat diendapkan dan diendapkan dalam bentuk oksida kovalen melalui metode seperti hidrolisis dan penguapan garam aluminium, atau dengan menggunakan pengendap seperti amonium karbonat, natrium hidroksida, urea, dan asam sulfat. Terakhir, endapan dicuci dan dikeringkan atau dikalsinasi pada suhu tinggi untuk mendapatkan bentuk kristal alumina yang diinginkan [8-9].
Teknologi Pirolisis Semprot
Teknologi pirolisis semprot, juga dikenal sebagai teknologi pirolisis semprotan api, adalah metode pembuatan bubuk alumina ultrahalus berdasarkan tetesan aerosol berukuran mikron-yang dihasilkan secara ultrasonik yang dipanaskan dan didekomposisi pada suhu 400 derajat ~800 derajat . Laine dkk. [10] berhasil memurnikan bubuk alumina multifase menggunakan teknologi pirolisis semprot, memperoleh-bubuk alumina nano-kemurnian tinggi dengan ukuran partikel 50 nm~80 nm dan kemurnian fase -kemurnian 50%~85%.
Metode Hidrolisis Alkoksida
Metode hidrolisis alkoksida melibatkan pembuatan larutan dari garam aluminium yang larut dalam air-sesuai dengan proporsi stoikiometri, kemudian memilih pengendap yang dapat bereaksi dengan ion logam untuk membentuk endapan, dan terakhir memanaskan dan mendehidrasi endapan tersebut untuk memperoleh bubuk ultrahalus [11]. Metode hidrolisis alkoksida yang umum mencakup metode aluminium amonium sulfat bebas emisi-emisi-sulfur dan metode aluminium amonium karbonat, dll. [12-13].
Zhong Lianyun dkk. [14] menggunakan aluminium nitrat dan amonium bikarbonat murni secara analitik sebagai bahan baku utama untuk membuat bubuk nano-Al2O3 dengan metode pengendapan ko-. Ukuran partikel rata-rata bubuk nano-Al2O3 yang disiapkan adalah 20 nm~30 nm. Menambahkan surfaktan PEG6000 meningkatkan kinerja dispersi bubuk -Al2O3.
Peningkatan Proses Bayer
Proses Bayer memanfaatkan perubahan kelarutan aluminium oksida dalam larutan basa, menggunakan larutan natrium hidroksida pekat untuk mengubah aluminium hidroksida menjadi natrium aluminat, kemudian memisahkan zat yang tidak larut melalui pengendapan, dan terakhir pengendapan kembali aluminium hidroksida dengan cara pengenceran dan penambahan kristal biji aluminium hidroksida, dilanjutkan dengan pemanggangan dan dehidrasi untuk mendapatkan bubuk alumina.
Dalam beberapa tahun terakhir, melalui penyempurnaan proses Bayer secara terus menerus, metode baru yang mampu melakukan desilikasi secara efisien telah dikembangkan [15]. Proses Bayer yang ditingkatkan terutama meningkatkan persiapan natrium hidroksida dan penghilangan natrium, melakukan desilikasi dan penghilangan besi pada natrium aluminat, dan mengatur kondisi dekomposisi untuk memperoleh aluminium hidroksida dengan kemurnian tinggi. Selama proses ini, aluminium hidroksida mengendap secara perlahan, sehingga secara efektif mengurangi terjadinya inti kristal abnormal dan juga mengurangi penggabungan pengotor natrium dan silikon. Terakhir, alumina dengan kemurnian-tinggi diperoleh melalui-kalsinasi dan penggilingan suhu tinggi.
Sol-Metode Gel
Metode sol-gel adalah metode sederhana dan efektif untuk mensintesis nano-alumina. Berbeda dengan metode presipitasi, yang awalnya diubah menjadi sol dan gel, garam aluminium dan larutan garam amina atau amonium dengan kemurnian tinggi mengalami hidrolisis atau polimerisasi untuk membentuk gel prekursor, yang kemudian dicuci dengan alkohol, dituakan, dan akhirnya dikalsinasi untuk mendapatkan bubuk alumina.
Beberapa peneliti juga telah melakukan perbaikan teknis berdasarkan metode sol{0}}gel tradisional. Misalnya, Zhu Zuoyuan [16] mengadopsi proses hibrid hidrolisis alkoksida logam dan metode sol-gel untuk menyiapkan bubuk alumina ultrahalus dengan kemurnian tinggi. Pertama, bubuk aluminium dengan kemurnian lebih besar dari atau sama dengan 2N dipanaskan untuk mensintesis larutan aluminium alkoksida, pengotor partikulat yang tidak larut dihilangkan dengan mikrofiltrasi, dan setelah penuaan, dilakukan hidrolisis. Gel kering diperoleh melalui distilasi, dan akhirnya-bubuk alumina dengan kemurnian tinggi diperoleh melalui kalsinasi-suhu tinggi.
Metode Aluminium Alkoksida
Metode aluminium alkoksida termasuk dalam iterasi teknologi dari metode hidrolisis alkoksida. Ini melibatkan penambahan serpihan aluminium logam ke dalam larutan isopropanol untuk reaksi menghasilkan aluminium isopropoksida, kemudian menghidrolisis aluminium isopropoksida untuk menghasilkan alumina terhidrasi, dan setelah langkah-langkah seperti penuaan, filtrasi, pengeringan, dan aktivasi dehidrasi, akhirnya diperoleh bubuk alumina dengan aktivitas sintering yang relatif tinggi.
Yang Conglin dkk. [17] menggunakan aluminium logam dan karbon alkohol sebagai bahan baku untuk mensintesis aluminium alkoksida dengan kemurnian tinggi, dan menyiapkan alumina terhidrasi dengan hidrolisis alkoksida, menghilangkan proses distilasi vakum dengan persyaratan peralatan tinggi, dan akhirnya memperoleh bubuk alumina ultrahalus dengan kemurnian tinggi tingkat 5N dengan kemurnian tinggi atau sama dengan 99,999% dan ukuran partikel 0,1 µm~0,3 µm. Bubuk alumina yang dibuat dengan metode ini memiliki kemurnian tinggi, dan proses pembuatannya sederhana dengan pengendalian produk yang kuat.
2.2.3 Metode Fase Padat
Metode fase padat adalah metode di mana dua atau lebih bubuk dicampur dan direaksikan secara langsung pada suhu dan atmosfer tertentu untuk menghasilkan nano-alumina.
Metode Penghancuran Mekanis
Metode penghancuran mekanis menggunakan berbagai penghancur ultrahalus (pabrik bola-energi tinggi, pabrik bola planet, pabrik menara, pabrik jet, dll.) untuk langsung menghancurkan dan menggiling bahan mentah menjadi bubuk ultrahalus. Diantaranya, ball mill berenergi tinggi-yang banyak digunakan. Mereka menghancurkan bubuk alumina secara mekanis dalam media air atau alkohol untuk menghasilkan bubuk alumina ultrahalus dengan kemurnian tinggi. Melalui getaran dan putaran ball mill, energi diberikan ke bahan mentah, menyebabkan bahan mentah terkena benturan keras oleh bola keras, dihancurkan menjadi partikel halus, atau diaktifkan untuk mengalami reaksi kimia, sehingga menghasilkan bubuk ultrahalus.
Metode Peledakan
Metode peledakan juga dapat digunakan sebagai metode-fase padat untuk menyiapkan bubuk alumina. Metode ini melakukan reaksi pembakaran di dalam bejana bervolume-konstan dan menghasilkan gas dalam jumlah besar. Oleh karena itu, reaksi sesaat sering kali berlangsung di bawah tekanan tinggi, menekan tekanan uap jenuh reaktan dan menaikkan suhu transisi fasa di bawah tekanan normal, yang kondusif bagi pembentukan stabil bubuk alumina metastabil fase tunggal-. Metode peledakan memiliki persyaratan peralatan produksi yang tinggi, pengendalian proses produksi yang sulit, hasil yang rendah, dan biaya produksi yang relatif tinggi.
Peng dkk. [18] memperoleh hasil detonasi yang berbeda dengan mengontrol nilai pH sistem glisin-aluminium nitrat. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lingkungan basa dapat secara efektif mengontrol ukuran butir, mengurangi proporsi fase amorf, dan meningkatkan luas permukaan spesifik, sedangkan aglomerasi dengan derajat yang berbeda-beda terjadi pada lingkungan dengan pH Kurang dari atau sama dengan 6.
3
Ringkasan
Serbuk-alumina ultrahalus dengan kemurnian tinggi, karena sifat fisik dan kimianya yang canggih, telah memperluas skenario penerapan bubuk alumina dan merupakan bahan mentah utama dalam manufaktur modern yang canggih. Saat ini, metode produksi utama bubuk alumina ultrahalus dengan kemurnian tinggi-di Tiongkok memiliki kelemahan seperti proses yang rumit, kontrol kondisi teknis yang sulit, biaya tinggi, dan polusi yang serius. Dengan terus berkembangnya perekonomian Tiongkok, permintaan akan alumina ultrahalus dengan kemurnian tinggi akan terus meningkat, dan kebutuhan masa depan akan presisi peralatan, proses persiapan, teknologi kontrol, penghematan energi, dan perlindungan lingkungan juga akan semakin tinggi.