موضوعات جالبی در مورد کانی ها وجود دارد. اما در این پست میخواهیم در مورد سیلیس، ویژگی های این عنصر و اشکال هندسی زیبایی که می‌سازد صحبت کنیم به کاربردهای آن در صنعت امروزی بپردازیم…
سیلیس چیست؟
سلیسیوم (Si) دومین عنصر فراوان (بعد از اکسیژن) در پوسته زمین میباشد که عدتا بصورت اکسید شده (سیلیس) و سیلیکات یافت می‌شود. سیلیس از ترکیب سلیسیم و اکسیژن بدست می‌آید و فرمول شیمیایی آن Sio2 میباشد. در واقع سیلیس به گروهی از مواد معدنی که در ساختار خود دارای سلیسیوم و اکسیژن می‌باشند، اطلاق می‌شود. سیلیس بطور معمول به حالت بلوری و به ندرت به صورت آمورف ( غیر بلوری) وجود دارد. این ماده بخش اعظم شن، ماسه، کوارتز، کریستال سنگ، آمتیست، آهک و اوپال را تشکیل می‌دهد. ویژگی منحصر به فرد سیلیس، مقاومت بالا در برابر گرما و سرما میباشد. به گونه ای که می‌تواند بازه دمایی 300+ تا 60- را تحمل کند و تغییر حالت ندهد. این ماده بی رنگ و بو میباشد و قابل هضم و جذب در بدن انسان و جانداران نیست. همچنین سیلیس مقاومت بالایی در مقابل نفوذ آب دارد. این ویژگیها موجب شده است تا سیلیس کاربرد بالایی در صنعت شیشه سازی، چینی سازی، سرامیک سازی، ریخته گری، رنگ سازی، تصفیه آب و فیلتراسیون، صنایع الکترونیک، لاستیک سازی، ساخت وسایل پلاستیکی، چسب سازی و … داشته باشد.
سیلیس درجه 1 چیست؟
کیفیت سیلیس مورد استفاده در صنایع مختلف، بر اساس خواص شیمیایی و فیزیکی، درصد سیلیس موجود در سنگ و درصد اکسیدهای همراه با سیلیس در سنگ های مختلف، تعیین می‌شود. مقادیر این اکسیدها و درصد سیلیس موجود در سنگ‌ها باید در حد معینی باشد تا بتواند در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرد.
سیلیس بر اساس کیفیت و کاربرد آن در صنایع مختلف، دارای درجات سختی و خلوص مختلفی میباشد. سیلیس درجه 1 بعد از سیلیس ممتاز که دارای خلوص بالای 98 درصد است قرار میگیرد و میزان سختی آن 7 است. سیلیس درجه 1 برای ساخت انواع شیشه ها، لعاب کاشی ها، فروسیلیس و پشم شیشه مورد استفاده قرار میگیرد. در واقع سیلیس مناسب برای شیشه سازی، سیلیس درجه 1 میباشد که بالاترین میزان خلوص و سختی را دارد و این امر موجب می‌شود تا محصولات بدست آمده از آن دارای کیفیت خیلی خوبی بوده و مقاومت بالایی داشته باشد. این نوع سیلیس به 3 شکل دانه بندی شده، پودری و میکرونیزه ارائه می‌شود. سیلیس درجه 1 همچنین در، ریخته گری، صنعت کاشی سازی و سرامیک و تصفیه آب و فیلتراسیون نیز استفاده می‌شود. سیلیس درجه 1 معمولا از ماسه، شن و کوارتز بدست می‌آید.
سیلیس درجه 1 از کجا و چطور استخراج می‌شود؟
سیلیس در 9 فرم مختلف بلورین یا پلی مورفی وجود دارد. کوارتز بالاترین میزان سیلیس را دارا بوده و در هر سه نوع سنگ خاکی آذرین، دگرگونی و رسوبی یافت می‌شود. به خصوص در سنگ های رسوبی شایع است، زیرا مقاومت بالایی در برابر تغییرات فیزیکی و شیمیایی ناشی از فرسایش دارد. با توجه به مقادیر بالای آن، کوارتز تقریبا در تمامی عملیات استخراج معادن وجود دارد. سیلیس بدست آمده از کوراتز، درجه خلوص و سختی بالایی دارد و این همان چیزی است که کارخانجات شیشه سازی و صنایع شیمیایی به آن نیاز دارند. بنابراین سیلیس درجه 1 بیشتر از شن و ماسه که بصورت فرم کریستالی کوارتز است و یا شن و ماسه های بدون سیمان و غیرانباشته شده استخراج می‌شوند، بدست می‌آید. سیلیس درجه 1 به طور معمول از رسوبات غیرانباشته شده در لایه های نازک سطحی بدست می‌آید و نیاز به استخراج معادن زیر زمینی نمی‌باشد.
استخراج سیلیس چطور صورت میگیرد؟
استخراج سیلیس درجه 1 بصورت دستی و با استفاده از بلدوزرها و ایجاد گودال‌های کوچکی در زمین انجام میگیرد. هدف از ایجاد حفره در زمین، جدا کردن قطعه‌ای از کوه که حاوی شن و ماسه و سنگ کوارتز است، میباشد. برای این کار، در داخل گودال‌های ایجاد شده دینامیت به همراه نیترات آمونیوم پر کرده و در بازه زمانی مشخصی آنها را منفجر می‌کنند. مواد حاصل از انفجار توسط بلدوزرها جمع‌آوری شده و توسط کامیون‌ها به واحد خردایش و آرایش مواد اولیه ارسال می‌شود. سالن سنگ شکن اولیه شامل یک محل تغذیه، یک فیلتر لرزشی و یک دستگاه سنگ شکن فکی میباشد. در این بخش مواد تا رسیدن به اندازه دلخواه چندین بار از دستگاه سنگ شکن و فیلترهای مختلف عبور داده می‌شوند. مرحله نهایی خردایش، تولید سنگریزه‌های کمتر از 100 میلی متر میباشد که به انبار سنگ شکن منتقل می‌شوند. در مرحله بعد برای تولید پودر مواد اولیه، سنگریزه‌ها وارد مرحله آرایش می‌شوند. در این بخش، سنگ ریزه‌ها توسط دستگاه رادمیل در اندازه مورد نظر شکسته شده و سپس وارد دستگاه مونوسایزر می‌شوند تا تحت تاثیر فشار آب، شسته شده و با دانه بندی مشخصی بصورت دوغ آب وارد دستگاه کلاسیفایر شوند. در این دستگاه دانه‌های کمتر از 100 میکرون با عبور سریع از سطح مایع به عنوان محصول نهایی از دستگاه خارج می‌شوند. سیلیس حاصل وارد فیلتر شده و در نهایت بعد از رطوبت‌گیری، تراشیده و بصورت پودر سیلیس درجه 1، آماده مصرف می‌شود.
کارخانه‌ها چطور سیلیس را برای شیشه سازی مصرف می‌کنند؟
اولین استفاده صنعتی از سیلیس (Sio2) احتمالا مربوط به متالوژی و شیشه‌سازی در 5-3 هزار سال قبل از میلاد بود. پس از کشف نحوه ساخت شیشه از ترکیبات حاوی سیلیس، ساخت انواع شیشه‌ها و کریستال‌ها رواج یافت. بگونه ای که امروزه کاربردهای مختلف آن در پنجره‌ها و نمای ساختمان‌ها، لوازم مصرفی و دکوری منزل، لوازم برقی، لوازم آزمایشگاهی و … موجب توسعه این صنعت در دنیا شده است.
موادی که به همراه سیلیس، در کارخانجات شیشه‌سازی مورد استفاده قرار میگیرد، بایستی دارای یکسری ویژگیها و استانداردهایی باشند تا بتوانند در ساخت شیشه مورد استفاده قرار گیرند. 2 ویژگی مهمی که در صنعت شیشه سازی حائز اهمیت میباشد، میزان گرانروی ماده در دمای ذوب و ایجاد ساختارهای نامنظم بلوری در هنگام سرد شدن میباشد.
موادی که در شیشه‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند، بر اساس کاربرد و نقش آنها به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- مواد اصلی 98% ( شیشه‌ساز 70%، واسطه 2% ، دگرگون‌ساز 26%)
- مواد فرعی 2% ( کنترل کننده رنگ، کنترل کننده حباب، کنترل کننده اکسیداسیون و احیا(
بخش اعظم مواد شیشه ساز، سیلیس درجه 1 میباشد که درصد بکار رفته از آن در شیشه سازی بسته به نوع شیشه و کاربرد آن می‌تواند بین 75-60 درصد متغییر باشد. مثلا در خصوص شیشه های بکار رفته در ساختمان‌ها و خودروها، مقدار سیلیس بکار رفته بین 73-71 % میباشد. در حالی که در خصوص ظروف شیشه‌ای و کریستالی دکوری، 70-60 % و برای ظروف بلوری که در منزل استفاده می‌شود، 73-69% میباشد.
در ساخت شیشه علاوه بر سیلیس درجه 1، از کربنات کلسیم یا آهک و کربنات سدیم نیز استفاده می‌شود. کربنات سدیم نقش کمک ذوب را برای شیشه دارد. در واقع می‌توان گفت ترکیب نهایی ماده اولیه شیشه کربنات آهک سیلیس میباشد. کربنات کلیسیم نیز موجب افزایش سختی شیشه می‌شود.
با توجه به اینکه ماده سیلیس دارای گرانروی بالایی بوده و در هنگام سرد شدن می‌تواند ساختارهای منظمی به خود بگیرد، از دگرگون‌سازها استفاده می‌شود. این ترکیبات اکسیدهای قلیایی هستند که باعث کاهش گرانروی و دمای ذوب سیلیس می‌شوند تا شیشه بدست آمده از آن کیفیت بالایی داشته باشد. Na2o از جمله پرکاربردترین دگرگون‌سازها میباشد. به منظور افزایش مقاومت شیشه در برابر ضربه، ساییدگی و خوردگی توسط مواد شیمیایی، از مواد دوام دهنده تحت عنوان واسطه‌ها در شیشه سازی استفاده می‌شود که از مهم ترین آنها Al2o3 میباشد.
در هنگام استخراج شیشه، ترکیبات ناخالصی همچون آهن می‌تواند با سیلیس همراه شوند و باعث ایجاد ناخالصی های رنگزا در شیشه شوند. برای حل این مشکل، در طی فرایند تهیه شیشه، از مواد کنترل کننده رنگ مثل آرسنیک اسید، آنتیموان اسید و امثال آنها استفاده می‌شود. البته علاوه بر این، در طی فرایند تهیه ماده اولیه شیشه، مرحله آهن گیری نیز وجود دارد که در آن آهن موجود در ترکیب سیلیس از آن گرفته می‌شود.
در هنگام ذوب سیلیس، ممکن است حباب هایی ایجاد شود که این حباب‌ها می‌توانند در اطراف ذرات سیلیس قرار گرفته و مانع از ذوب کامل آن شوند. بنابراین شیشه بدست آمده از کیفیت پایینی برخوردار خواهد بود. برای از بین بردن این حباب‌ها، از مواد کنترل کننده حباب مثل سدیم سولفات Na3So4، آرسنیک اسید As2o4 ، نمک طعام NaCl و سدیم نیترات NaNo3 استفاده می‌شود.
در نهایت با در نظر گرفتن تمامی این موارد، مواد اولیه به نسبت های مورد نیاز به همراه مقدار مورد نیاز آب، برای تهیه ترکیب شیمیایی شیشه وارد مخزن های بزرگ ذوب می‌شوند. مواد در داخل مخزن در دمای مشخصی ذوب شده و مخلوط خمیری حاصل از خروجی مخزن خارج شده و به داخل قالب های مورد نظر ریخته شده و راهی سرد شدن می‌شوند. دمای استاندارد برای ذوب مواد اولیه حداکثر 1600 درجه سانتی گراد میباشد. هر چه درصد سیلیس استفاده شده بیشتر باشد، مواد بایستی تا 1600 درجه حرارت داده شوند. دمای بالا و حضور درصد بالای سیلیس درجه 1 در مواد اولیه شیشه، موجب می‌شود تا گاز دی اکسید کربن به راحتی از مواد ذوب شده خارج شود و محصول حاصل، شیشه های مرغوب، شفاف و با کیفیت بالایی باشد.
چه نوع شیشه هایی با سیلیس ساخته می‌شود؟
در کارخانجات شیشه سازی، از درجات مختلف سیلیس برای ساخت 7 نوع شیشه استفاده می‌شود که شامل موارد زیر می‌باشند:
- شیشه های نوری و چشمی: برای ساخت این نوع شیشه‌ها از سیلیس درجه 1 استفاده می‌شود. شیشه های نوری در عینک های آنتی رفلکس که محافظ چشم در برابر اشعه ماورای بنفش میباشد، استفاده می‌شود. شیشه‌های نوری برای ساخت عدسی‌های بکار رفته در میکروسکوپ و فیبرهای نوری استفاده می‌شوند.
- شیشه های تزئینی و کریستال ها: در این شیشه از سلیس درجه 2 به همراه اکسید سرب (24 درصد وزن شیشه) استفاده می‌شود. میزان سختی این شیشه‌ها پایین است و امکان تراشکاری بر روی آنها وجود دارد. اما به دلیل وجود اکسید سرب، ضریب شکست نور در آنها بالا بوده، در نتیجه باعث درخشندگی این شیشه‌ها می‌شود.
- بوروسیلیکات: این شیشه‌ها از سیلیس درجه 3 به همراه اکسید بور ( بیش از 13-12 درصد وزن شیشه) ساخته می‌شوند. سیلیس بکار رفته در این شیشه‌ها بین 80-79 % میباشد. ظروف آزمایشگاهی مثل بشر، لوله آزمایش و …، ظروف خانگی و صنعتی در این گروه قرار دارند.
- ظروف نگهداری بی رنگ و شفاف: در این شیشه از سلیس درجه 4 استفاده می شود. مثل ظروف نگهداری غذا.
- شیشه های تخت و صاف: این شیشه‌ها از سیلیس درجه 5 ساخته می شوند. این نوع شیشه‌ها بعد از بیرون آمدن از کوره، در مذاب قلع قرار داده می‌شوند تا صاف و ضخیم شود. این نوع شیشه‌ها در ساختمان‌ها و پنجره‌ها استفاده می‌شوند.
- ظروف رنگی: این ظروف از سیلیس درجه 6 ساخته می‌شوند. برای ساخت شیشه‌های رنگی از مواد اکسیداسیون و احیا مثل مواد کربنی در کوره‌ها استفاده می‌شود. این مواد با تولید گازهای کربنی باعث رنگی شدن شیشه‌ها می‌شود.
- الیاف شیشه: برای تهیه این الیاف از سیلیس درجه 7 استفاده می‌شود. این الیاف دارای مقاومت کششی بالایی بوده و در صنعت کامپوزیت استفاده می‌شود.
