Brevet FR2935138A1 — publié le 20100226

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de préparation de poudre de précurseur d'alumine ainsi qu'un procédé de préparation de poudre d'alumine. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION La poudre d'alumine a été largement utilisée dans les industries comme matières premières pour des matières céramiques et semblables, comme composés abrasifs et charges. On connaît, comme procédé pour la préparation d'une telle poudre d'alumine, un procédé de calcination d'une poudre de précurseur d'alumine. On utilise comme poudre de précurseur d'alumine, une poudre d'hydroxyde d'aluminium obtenue par hydrolyse d'un alcoolate d'aluminium. On connaît un procédé de calcination de la poudre d'hydroxyde d'aluminium dans lequel la poudre qui est chargée dans une cuve de calcination, telle qu'un récipient en forme de nacelle, est calcinée afin d'éviter la volatilisation de la poudre de précurseur d'alumine (voir par exemple le document JP H08-301616 A). La poudre d'hydroxyde d'aluminium qui est obtenue par l'hydrolyse de l'alcoolate d'aluminium présente cependant une faible masse volumique apparente. Le procédé classique de préparation de poudre d'alumine, dans lequel une telle poudre d'hydroxyde d'aluminium en tant que précurseur est chauffée, n'est ainsi pas toujours un procédé industriellement avantageux en raison d'un faible rendement volumétrique. RESUME DE L'INVENTION Un objet de la présente invention est par conséquent de fournir un procédé de préparation de poudre de précurseur d'alumine à partir de la poudre d'hydroxyde d'aluminium obtenue par l'hydrolyse d'un alcoolate d'aluminium, lequel précurseur peut être utilisé pour produire une poudre d'alumine à un rendement volumétrique élevé. Les inventeurs ont réalisé des études intensives afin d'atteindre l'objet cité ci-dessus et il en résulte qu'ils ont trouvé un fait nouveau consistant en ce que l'on peut obtenir une poudre de précurseur d'alumine présentant une masse volumique apparente plus élevée lorsque la poudre d'hydroxyde d'aluminium obtenue par l'hydrolyse d'un alcoolate d'aluminium est mélangée avec un milieu aqueux spécifique suivi par un séchage, de telle sorte qu'ils ont finalement achevé la présente invention. Le procédé pour la préparation de la poudre de précurseur d'alumine selon l'invention est par conséquent caractérisé en ce qu'une poudre d'hydroxyde d'aluminium obtenue par hydrolyse d'un alcoolate d'aluminium est mélangée avec le milieu aqueux suivant afin d'obtenir une suspension mixte d'hydroxyde d'aluminium qui est ensuite séchée : milieu aqueux : eau ou milieu mixte d'eau et d'au moins un alcool soluble dans l'eau, dans lequel la teneur en eau dudit milieu mixte est d'au moins 15 parties en poids rapportées à 100 parties en poids du milieu mixte. Le procédé pour la préparation de la poudre d'alumine selon l'invention est caractérisé par la calcination de la poudre de précurseur d'alumine obtenue par le procédé de préparation cité ci-dessus. Une telle poudre peut être en particulier introduite dans la cuve à une densité plus élevée, lorsque la poudre de précurseur d'alumine est chargée dans une cuve de calcination. Le procédé de préparation selon l'invention produit une poudre de précurseur d'alumine présentant une masse volumique apparente plus élevée à partir d'une poudre d'hydroxyde d'aluminium obtenue par hydrolyse d'un alcoolate d'aluminium. Ladite poudre de précurseur d'alumine peut par conséquent être calcinée tout en étant chargée dans une cuve de calcination à une densité plus élevée, ce qui mène à la préparation d'une poudre d'alumine avec un rendement volumétrique plus élevé. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Poudre de précurseur d'alumine La poudre de précurseur d'alumine utilisée dans le procédé selon l'invention est produite par mélange de poudre d'hydroxyde d'aluminium obtenue par l'hydrolyse d'un alcoolate d'aluminium avec le milieu aqueux cité ci-dessus suivi par un séchage. L'alcoolate d'aluminium est représenté par la formule générale AI(OR)3 dans laquelle R représente un groupe alkyle qui présente de préférence d'environ 1 à 4 atomes de carbone. Des exemples de tels groupes alkyle comprennent les groupes méthyle, éthyle, n-propyle, isopropyle, n-butyle, isobutyle, sec-butyle et tert-butyle. Des exemples spécifiques d'alcoolates d'aluminium sont par exemple l'isopropylate d'aluminium, l'éthylate d'aluminium, le sec-butylate d'aluminium et le tertbutylate d'aluminium. La poudre d'hydroxyde d'aluminium qui est utilisée de préférence dans le procédé de préparation de la poudre de précurseur d'alumine selon la présente invention est constituée de fines particules de poudre qui présentent un diamètre moyen de particules primaires d'au plus 1 pm, et en général dans l'intervalle d'environ 0,02 pm à environ 0,05 pm ainsi qu'une faible masse volumique apparente dans l'intervalle d'environ 0,1 à 0,2 g/cm3. Il est de plus préférable que la surface spécifique BET de ladite poudre d'hydroxyde d'aluminium soit en général d'environ 300 m2/g et que son diamètre moyen de particules soit d'environ 10 pm. Ledit diamètre moyen de particules primaires est calculé comme une moyenne arithmétique des diamètres de particules mesurés d'un nombre prédéterminé des particules dans une image photographique des particules obtenue par exemple avec un microscope électronique à transmission (MET). Ladite masse volumique apparente est identique à la masse volumique apparente définie dans JIS Z 8901, laquelle indique une valeur de masse de poudre divisée par le volume apparent de la poudre, et une telle valeur est obtenue en divisant la masse de la poudre entièrement chargée dans une cuve, dont le volume est déjà connu, par ledit volume de la cuve. Ladite surface spécifique BET est mesurée en utilisant par exemple, comme décrit ci-dessous, un appareil de mesure de surface spécifique dont le principe est la technique d'adsorption d'azote. Ledit diamètre moyen de particules est mesuré en utilisant par exemple, comme décrit ci-dessous, un appareil de mesure de distribution de taille de particules dont le principe de base est la technique de dispersion laser. La poudre d'hydroxyde d'aluminium décrite ci-dessus est mélangée avec le milieu aqueux cité ci-dessus afin de former une suspension mixte d'hydroxyde d'aluminium. Le milieu aqueux est soit l'eau, soit un milieu mixte d'eau et du (des) alcool(s) soluble(s) dans l'eau. L'alcool soluble dans l'eau, lequel n'est pas particulièrement limité, est de préférence un alcool de faible point d'ébullition ayant au plus 3 atomes de carbone, tel que le méthanol, l'éthanol, le propanol et l'isopropanol en tenant compte du rendement énergétique lors du chauffage du milieu. La teneur en eau du milieu mixte est d'au moins 15 parties en poids, de préférence de 15-80 parties en poids et encore mieux de 18-30 parties en poids rapportées à 100 parties en poids du milieu mixte. Lorsque la teneur en eau est inférieure à 15 parties en poids, on ne peut pas obtenir la poudre de précurseur d'alumine avec une masse volumique apparente plus élevée. D'autre part, on préfère une teneur en eau d'au plus 80 parties en poids en ce qui concerne la consommation énergétique nécessaire pour le séchage. On obtient une suspension mixte d'hydroxyde d'aluminium en mélangeant la poudre d'hydroxyde d'aluminium avec un tel milieu aqueux. Il est possible d'utiliser comme procédé pour un tel mélange, lequel n'est pas particulièrement limité, par exemple un procédé d'agitation de la poudre d'hydroxyde d'aluminium et du milieu aqueux qui sont chargés dans une cuve de réaction ou un procédé consistant à faire rayonner des ondes ultrasoniques sur l'hydroxyde d'aluminium et le milieu aqueux pour disperser la poudre d'hydroxyde d'aluminium. Lorsque l'on utilise la voie dans laquelle l'hydroxyde d'aluminium et le milieu aqueux sont chargés et agités, la concentration de la poudre d'hydroxyde d'aluminium dans la suspension est par exemple en général de 10-25 % en poids et de préférence de 10-20 % en poids. Une concentration de la poudre d'hydroxyde d'aluminium d'au moins 10 % en poids est préférable en termes de rendement du procédé. Une concentration d'au plus 25 % en poids est de plus préférable puisqu'une suspension dispersée de manière homogène est facilement formée. La suspension est séchée pour obtenir de la poudre de précurseur d'alumine. Le procédé de séchage n'est pas particulièrement limité et il est préférable d'utiliser un procédé de séchage consistant à évaporer le milieu aqueux dans la suspension en chauffant la suspension. Il permet la récupération du milieu aqueux par refroidissement du milieu aqueux évaporé dans un condenseur et le milieu ainsi récupéré peut être réutilisé comme milieu aqueux pour disperser la poudre d'hydroxyde d'aluminium. La température à laquelle la suspension est chauffée (c'est- à-dire une température de chauffage maximale) n'est pas particulièrement limitée mais elle n'est de préférence pas inférieure au point d'ébullition du milieu aqueux utilisé. Lorsque le milieu aqueux est un mélange d'eau et du (des) alcool(s) soluble(s) dans l'eau, une telle température n'est de préférence pas inférieure au plus faible point d'ébullition des points d'ébullition de l'eau et du(des) alcool(s) soluble(s) dans l'eau. La tempéra- ture à laquelle la suspension est chauffée que l'on préfère le plus n'est pas inférieure au point d'ébullition le plus élevé des points d'ébullition de l'eau et du (des) alcool(s) soluble(s) dans l'eau. La poudre de précurseur d'alumine obtenue de la manière citée ci-dessus présente habituellement une masse volumique apparente élevée de 0,3-0,8 g/cm3. La poudre de précurseur d'alumine peut par conséquent être calcinée tout en étant chargée à une densité élevée dans une cuve de calcination citée ci-dessous, ce qui permet de préparer la poudre d'alumine avec un rendement volumétrique élevé. Poudre d'alumine La poudre d'alumine peut être obtenue par calcination de la poudre de précurseur d'alumine. La calcination est de préférence réalisée en chargeant la poudre de précurseur d'alumine dans une cuve de calcination. On peut donner comme exemple de cuve de calcination par exemple un récipient en forme de nacelle. Le matériau pour la cuve de calcination n'est pas particulièrement limité mais on cite de préférence en exemple l'alumine comme tel matériau pour éviter la pollution de la poudre d'alumine. On donne comme exemple de four qui est utilisé pour la calcination par exemple les suivants : un four de calcination statique, tel qu'un four tunnel, un four discontinu de type moufle avec écoulement de gaz, un four discontinu de type moufle à écoulement parallèle et semblable ; et un four de calcination tel qu'un four rotatif. La température et la durée de la calcination peuvent être choisies selon les propriétés souhaitées de la poudre d'alumine. Comme exemples spécifiques de celles-ci pour la préparation de poudre d'alumine a, la vitesse d'augmentation de la température jusqu'à la température de calcination est par exemple de 30-500°C/h et la température de calcination est par exemple de 1 100-1 450°C et de préférence de 1 200-1 350°C, et la durée de maintien à une telle température de calcination est par exemple de 30 min à 24 h et de préférence de 1 h à 10 h. En ce qui concerne l'atmosphère pour la calcination, la calcination peut être réalisée par exemple dans un gaz inerte, tel que l'azote, l'argon, ainsi que dans l'air. La calcination peut également être réalisée dans une atmosphère qui présente une pression partielle de vapeur élevée comme dans un four à gaz, dans lequel la calcination est réalisée avec la combustion par exemple de propane. Concernant les propriétés de la poudre d'alumine obtenue par la calcination décrite ci-dessus, la poudre d'alumine a, à titre d'exemple seulement, présente habituellement une surface spécifique BET de 2-20 m2/g et un diamètre moyen de particules par exemple de 10-500 pm. De plus, lorsque la poudre d'alumine est sous forme de particules agrégées, un broyage peut être réalisé selon l'application projetée. Alors que le processus de broyage de la poudre d'alumine n'est pas particulièrement limité, on peut utiliser tout processus connu, tel qu'un broyage à vibrations, un broyage à billes, un broyage à jet d'air et on peut utiliser soit un broyage par voie sèche, soit un broyage par voie humide. La surface spécifique BET de la poudre d'alumine a obtenue par le broyage décrit ci-dessus est habituellement de 2-20 m2/g et son diamètre moyen de particules est inférieur à 1,0 pm. On peut d'une telle manière obtenir par broyage une poudre d'alumine a avec une quantité réduite de particules agrégées. La poudre d'alumine a obtenue est utilisée par exemple comme additif pour des cosmétiques, comme additif pour une garniture de freins ou comme support de catalyseur et elle est également utilisée comme matériau pour un article fritté thermoconducteur. La poudre d'alumine a est de plus utile comme matière première d'un film poreux inorganique qui est collé à une surface d'électrode pour éviter la formation d'un court-circuit interne dans un accumulateur au lithium afin de promouvoir la sécurité de l'accumulateur. On peut de plus préparer une substance de poudre fluorescente en utilisant l'alumine a comme matière première. La poudre d'alumine a résultante est de plus utile par exemple comme matière première pour la préparation d'un article fritté d'alumine a. On préfère l'article fritté d'alumine a pour une application qui exige une résistance élevée, telle que des outils de coupe, des biocéramiques et des plaques blindées. Les autres applications de l'article fritté d'alumine a comprennent par exemple des pièces pour un appareil de fabrication de semi-conducteurs, tel qu'un dispositif de maintien de pastilles, des pièces électroniques, telles qu'une charge thermoconductrice et un détecteur d'oxygène ; des tubes translucides, tels qu'une lampe au sodium et une lampe à halogénure métallique ; et des filtres céramiques utilisés pour l'élimination de constituants solides contenus dans un gaz, tel que des gaz d'échappement, la filtration d'une masse en fusion d'aluminium et la filtration d'aliments, tels que la bière. Les filtres céramiques comprennent un filtre à perméation sélective, par exemple pour la perméation sélective de l'hydrogène dans une pile à combustible, ou pour la perméation sélective des constituants gazeux (tels que le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l'azote, l'oxygène) qui sont formés lors du raffinage du pétrole. Les filtres céramiques peuvent également être utilisés comme support catalytique pour supporter un constituant catalytique sur une surface du filtre à perméation sélective. La poudre d'alumine selon l'invention n'est pas limitée à l'alumine a et elle peut présenter une autre structure cristalline. La poudre d'alumine peut par exemple être une alumine y, b, 8, x, p ou x. La présente invention sera expliquée en détail ci-dessous en faisant référence aux exemples mais la présente invention n'est pas limitée à de tels exemples. On note que chacune des propriétés est mesurée comme suit : Masse volumique apparente La masse volumique apparente a été mesurée selon JIS Z 8901. Surface spécifique BET La surface spécifique BET a été mesurée avec un appareil de mesure de surface spécifique (FlowSorb II 2300 disponible dans le commerce auprès de la compagnie Shimadzu Corporation) dont le principe de mesure est le procédé d'adsorption d'azote. Diamètre moyen de particules On a mesuré le diamètre moyen de particules avec un appareil de mesure de distribution de taille de particules (Microtrac HRA X-100 disponible dans le commerce auprès de la compagnie Honeywell) dont le principe de base est le procédé de dispersion laser. La poudre d'hydroxyde d'aluminium, la poudre de précurseur d'alumine ou la poudre d'alumine a été lors de la mesure dispersée avec des ondes ultrasoniques dans une solution aqueuse à 0,2 % en poids d'hexamétaphosphate de sodium. Exemples Exemple 1 On a dans un premier temps hydrolysé un alcoolate d'aluminium (isopropylate d'aluminium) avec de l'eau afin d'obtenir une poudre 10 d'hydroxyde d'aluminium. La poudre d'hydroxyde d'aluminium présentait une masse volumique apparente de 0,12 g/cm3, une surface spécifique BET de 294 m2/g et un diamètre moyen de particules de 11,0 pm. On a ensuite mélangé 12 parties en poids de la poudre d'hydroxyde d'aluminium avec 100 parties en poids d'un milieu aqueux 15 pour obtenir une suspension d'hydroxyde d'aluminium. On a utilisé pour ledit milieu aqueux un milieu mixte qui a été obtenu en mélangeant 19 parties en poids d'eau avec 81 parties en poids d'alcool isopropylique. La concentration de l'hydroxyde d'aluminium dans la suspension est de 11 % en poids. 20 On a chargé la suspension dans un multiréservoir d'une capacité de 13 L et on a dispersé l'hydroxyde d'aluminium en mélangeant avec une pale d'agitation à une vitesse de rotation de 150 tr/min afin d'obtenir une suspension mixte d'hydroxyde d'aluminium, d'eau et d'alcool isopropylique. On a chauffé la suspension mixte de la manière suivante : 25 on a maintenu la suspension à une température de 80°C au début du chauffage et on l'a finalement chauffée à une température de 130°C de telle sorte que le milieu aqueux s'est évaporé et que l'on a obtenu une poudre de précurseur d'alumine. La poudre de précurseur d'alumine résultante présentait une masse volumique apparente de 0,39 30 g/cm3, une surface spécifique BET de 180 m2/g et un diamètre moyen de particules de 15,9 pm. On a chauffé la poudre de précurseur d'alumine à une vitesse d'augmentation de la température de 300°C/h et on l'a calcinée à une température de 1 300°C pendant 3 h afin d'obtenir une poudre d'alumine 35 a. Il est à noter que l'on a utilisé pour la calcination un récipient en forme de nacelle constitué d'alumine.5 La poudre d'alumine a résultante présentait une surface spécifique BET de 4,8 m2/g et un diamètre moyen de particules de 8,5 pm. La poudre d'alumine a comprenait des particules agrégées. La poudre d'alumine a a par conséquent été broyée avec un broyeur à jet d'air. La poudre d'alumine a a été spécifiquement broyée avec une pression de broyage de 4,5 MPa tout en introduisant la poudre d'alumine a à 8 kg/h dans un broyeur à jet d'air (PJM-280SP disponible dans le commerce auprès de la compagnie Nippon Pneumatic MFG Co., LTD.). Il en résulte que l'on a obtenu de la poudre d'alumine a qui présentait une surface spécifique BET de 4,2 m2/g et un diamètre moyen de particules de 0,56 pm. Exemple comparatif 1 On a dans un premier temps hydrolysé un alcoolate d'aluminium qui était identique à celui de l'exemple 1 avec de l'eau afin d'obtenir une poudre d'hydroxyde d'aluminium qui présentait les mêmes propriétés que celles de la poudre d'hydroxyde d'aluminium de l'exemple 1. On a ensuite mélangé 12 parties en poids de la poudre d'hydroxyde d'aluminium avec 100 parties en poids d'alcool isopropylique pour obtenir une suspension d'hydroxyde d'aluminium. La concentration de l'hydroxyde d'aluminium dans cette suspension est de 11 % en poids. On a déposé la suspension dans un ballon en verre d'une capacité de 2 L et on a dispersé l'hydroxyde d'aluminium en mélangeant avec une pale d'agitation à une vitesse de rotation de 150 tr/min afin d'obtenir une suspension mixte d'hydroxyde d'aluminium et d'alcool isopropylique. On a chauffé la suspension mixte de la manière suivante : On a maintenu la suspension à une température de 80°C au début du chauffage et on l'a finalement chauffée à une température de 150°C, de telle sorte que l'alcool isopropylique s'est évaporé et que l'on a obtenu une poudre de précurseur d'alumine. La poudre de précurseur d'alumine résultante présentait une masse volumique apparente de 0,17 g/cm3, une surface spécifique BET de 294 m2/g et un diamètre moyen de particules de 10,8 pm. Les résultats ci-dessus indiquent que la poudre de précurseur d'alumine de l'exemple comparatif 1 qui a été obtenue en mélangeant la poudre d'hydroxyde d'aluminium avec l'alcool isopropylique suivi par un séchage présente une masse volumique apparente inférieure à celle de la poudre de précurseur d'alumine de l'exemple 1, ce qui réduit le rendement volumétrique de la calcination. Exemple comparatif 2 On a dans un premier temps hydrolysé un alcoolate d'aluminium qui était identique à celui de l'exemple 1 avec de l'eau afin d'obtenir une poudre d'hydroxyde d'aluminium qui présentait les mêmes propriétés que celles de la poudre d'hydroxyde d'aluminium de l'exemple 1. On a ensuite mélangé 12 parties en poids de la poudre d'hydroxyde d'aluminium avec 100 parties en poids d'un milieu aqueux afin d'obtenir une suspension d'hydroxyde d'aluminium. On a utilisé comme milieu aqueux un milieu mixte qui a été obtenu en mélangeant 10 parties en poids d'eau et 90 parties en poids d'alcool isopropylique. La concentration de l'hydroxyde d'aluminium dans la suspension est de 11 % en poids. On a chargé la suspension dans un ballon en verre d'une capacité de 2 L et on a dispersé l'hydroxyde d'aluminium en mélangeant avec une pale d'agitation à une vitesse de rotation de 150 tr/min afin d'obtenir une suspension mixte d'hydroxyde d'aluminium, d'eau et d'alcool isopropylique. On a chauffé la suspension mixte de la manière suivante : on a maintenu la suspension à une température de 80°C au début du chauffage et on l'a finalement chauffée à une température de 130°C de telle sorte que le milieu aqueux s'est évaporé et que l'on a obtenu une poudre de précurseur d'alumine. La poudre de précurseur d'alumine résultante présentait une masse volumique apparente de 0,18 g/cm3, une surface spécifique BET de 250 m2/g et un diamètre moyen de particules de 10,7 pm. Les résultats ci-dessus indiquent que la poudre de précurseur d'alumine de l'exemple comparatif 2 qui a été obtenue en mélangeant la poudre d'hydroxyde d'aluminium avec le milieu aqueux contenant de l'eau à moins de 15 parties en poids rapportées à 100 parties en poids du milieu mixte présente une masse volumique apparente plus faible que celle de la poudre de précurseur d'alumine de l'exemple 1, ce qui réduit le rendement volumétrique de la calcination. REVENDICATIONS1. Procédé de préparation de poudre de précurseur d'alumine caractérisé en ce qu'une poudre d'hydroxyde d'aluminium obtenue par hydrolyse d'un alcoolate d'aluminium est mélangée avec le milieu aqueux suivant afin d'obtenir une suspension mixte d'hydroxyde d'aluminium qui est ensuite séchée : milieu aqueux : eau ou milieu mixte d'eau et d'au moins un alcool soluble dans l'eau, dans lequel la teneur en eau dudit milieu mixte est d'au moins 15 parties en poids rapportées à 100 parties en poids du milieu mixte. 2. Procédé de préparation de poudre d'alumine caractérisé par la calcination de la poudre de précurseur d'alumine obtenue par le procédé selon la revendication 1. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la poudre de précurseur d'alumine est calcinée tout en étant chargée dans une cuve de calcination.