فلدسپار (1)

نام فلدسپار از دو بخش فلد به معنای میدان (field) و اسپار (spar) به معنای سنگ، تشکیل شده است. فلدسپار یک گروه از مواد معدنی هستند که در اصل مواد آلومینوسیلیکاتی با سیلیس بالا به همراه مقادیر مختلفی از سدیم، پتاسیم و کلسیم می باشند و همچنین دارای ترکیبات مختلفی هستند. فلدسپارهای متداول عبارتند از ارتوکلاژ (فلدسپار پتاسیمی)، آلبیت ( فلدسپار سدیمی) و آنورتیت (فلدسپار کلسیمی) می باشند. آلبیت و آنورتیت می تواند به طور کامل، با هم اختلاط پیدا کنند. این مسئله ممکن است که یکی از این فلدسپارها در دیگری وارد شود و یک سری ایزومورف ایجاد کنند که به سری های پلاگیوکلاژ معروف هستند. اعضای سری های پلاگیوکلاژها عبارتند از:
آلبیت (100-90 % آلبیت و بقیه آنورتیت)
اولیگوکلاژ (90-70 % آلبیت و بقیه آنورتیت)
آندزیت (70-50 % آلبیت و بقیه آنورتیت)
لابرادوریت (50-30 % آلبیت و بقیه آنورتیت)
بیتونیت (30-10 % آلبیت و بقیه آنورتیت)
آنورتیت (10-0 % آلبیت و بقیه آنورتیت)
در بین مواد معدنی فلدسپاری، تنها ارتوکلاژ دارای ساختار مونوکلینیک است و بقیه ی آنها دارای ساختار تریکلینیک می باشند. اما دو نوع تریکلینیک از ارتوکلاژ نیز وجود دارد که نام آنها میکروکلینیک و آنورتوکلاژ می باشد (این دو نوع حاوی سدیم و پتاسیم می باشند). هیالوفان و سلسین، دو نوع نادر از فلدسپارهای حاوی باریم می باشند.
فلدسپارها، مخصوصاً ارتوکلاژ متداول ترین ماده ی معدنی موجود در پوسته ی زمین هستند و بیش از 60 % از سنگ های آذرین، 30 % از سنگ های دگرگون و 10 % از سنگ های رسوبی، از این نوع می باشند. فلدسپارهای پتاسیمی مقاوم در برابر اسیدها، در سنگ های اسیدی مانند گرانیت، سنگ خارای زبر، سینیت و ... یافت می شوند. در حالی که فلدسپارهای کلسیمی که مقاوم در برابر باز هستند، در سنگ های بازی مانند بازالت، گابرو و ... یافت می شوند.
از نقطه نظر اقتصادی، متداول ترین این فلدسپارها، فلدسپارهای پتاسیمی هستند که به صورت توده های بزرگ، جدایش می یابند. عموماً این نوع از فلدسپارها، به صورت توده های بسیار کوچک، در داخل ارتوکلاژ نیز یافت می شوند زیرا بدون بررسی های میکروسکوپی، قابلیت تشخیص آنها وجود ندارد. برخی از انواع دیگر فلدسپارها، تنها کاربردهای اندکی دارند. در چرخه ی تجاری، ارتوکلاژ (حاوی میکروکلین) عموماً به نام فلدسپار، مشهور است. مقادیر زیادی از این فلدسپار، در سنگ خارای زبر، یافت می شود. این توده ها، منبع اصلی تأمین کننده ی فلدسپار، محسوب می شوند.
تاریخچه
در هند، تاریخچه ی معدن کاری فلدسپار از منابع سنگ خارای راجستان و کارناتا، به دوره ی سفال گری و کوزه گری دهلی و سایر نقاط بر می گردد. اما اولین داده های ثبت شده در این زمینه، به سال 1904 باز می گردد. به هر حال، داده های ثبت شده در زمینه ی میزان تولید این ماده ، از سال 1930 تاکنون، موجود می باشد. در جدول زیر، این اطلاعات، آورده شده است:

تولید جهانی این ماده، از 600000 تن در سال 1944 به میزان 13 میلیون تن در سال 2000 رسیده است.
معیار استفاده
خواصی که موجب شده است تا صنایع، از این ماده استفاده کنند، به صورت زیر می باشد:
ویژگی های شیمیایی: فلدسپارهای پتاسیمی مانند اروتوکلاژ و میکرکلین، از لحاظ تئوری، حاوی 64.7 % سیلیس، 18.4 % آلومینا و 16.9 % اکسید پتاسیم می باشند. در طبیعت، فلدسپار پتاسیمی، همچنین مقادیر سدیم کربنات دارد. این مواد در برابر اسید، مقاوم هستند. جذب روغن انها نیز پایین است.
رنگ و خواص نوری: ارتوکلاژ می تواند سفید، قرمز، کرم، قهوه ای، سبز و رنگ های دیگر باشد. پلاگیوکلاژ نیز دارای رنگ های مختلفی است و این رنگ، به میزان سدیم و کلسیم موجود و همچین ناخالصی های دیگر، وابسته است. درخشش این نوع ماده ی معدنی، به گونه ای است که این ماده، شیشه ای یا مروارید شکل، به نظر می رسد. ضریب شکست ارتوکلاژ از 1.5194 تا 1.525 متغیر می باشد.
خواص فیزیکی: وزن مخصوص ارتوکلاژهای تجاری، بین 2.56 تا 2.58 می باشد و سختی تمام این فلدسپارها، در گستره ی 6.0 تا 6.5 می باشد. ارتوکلاژ دارای الگوهای شکست صدفی شکل یا حلزونی است.
خواص گرمایی: ارتوکلاژهای تجاری، در دمایی در گستره ی 1225 تا 1260 درجه ی سانتیگراد، ذوب می شود. هر چه میزان سدیم کربات موجود در این فلدسپارها، بیشتر باشد، دمای ذوب، کاهش می یابد. این ماده یک ماده ی مناسب، برای ذوب کردن سایر مواد دیرگداز می باشد و در واقع به عنوان فلاکس، عمل می کند.
خواص الکتریکی: ارتوکلاژ و فلدسپارهای سدیمی دارای قابلیت تثبیت قوس الکتریکی هستند.
استفاده ها و ویژگی ها
قبل از استفاده، برخی از فلدسپارهای طبیعی تحت عمل آوری قرار می گیرند و ترکیبات آهن، میکا و کوارتز آنها پیش از استفاده کاهش و یا حذف می شوند. میکا و کوارتز در بسیاری از استفاده ها، به عنوان ماده ی مضر، تلقی می شود. استفاده های اصلی از این مواد، عبارتند از:
صنعت سرامیک و لعاب سازی
چینی استخوانی
شیشه
لعاب های فلزی
ساینده ها
دیرگداز
الکترودهای جوشکاری
سنگ های زینتی
در ادامه در مورد این کاربردها، به طور مفصل، صحبت می شود:
صنعت سرامیک و لعاب سازی
واژه ی سرامیک از کلمه ی یونانی ceramic مشتق شده است. این واژه به معنای رس پخته شده یا گداخته شده، می باشد. اما در استفاده های مدرن، این ماده با مخلوط از مواد سرامیکی، مورد استفاده قرار می گیرد ولی در کل، رس در این بدنه ها، جزء مواد اصلی محسوب می شود. محصولات سرامیکی اولیه، تنها از رس ساخته می شدند و از این رو، سخت و مقاوم در برابر حرارت و مواد شیمیایی بودند اما این محصولات نیز مشکلاتی از جمله تردی و وجود تخلخل داشتند. امروزه، محصولات سرامیکی نه تنها سخت و مقاوم در برابر حرارت هستند، بلکه همچنین بدون تخلخل و محکم می باشند. این محصولات در بسیاری از وسایل آشپزخانه، کاشی های زجاجی، چینی آلات بهداشتی و سایر کاربردهای خاص مانند مواد دیرگداز، مورد استفاده قرار می گیرند.
فرایند تولید: اصل فرایند تولید این محصولات، شامل مخلوط کردن کوارتز یا ماسه ی سیلیسی به همراه انواع مختلف رس، فلدسپار و مواد فلاکس و 40 تا 30 % آب می باشد. این مخلوط، آسیاب کاری می شود و بعد از عبور از فیلر پرس، شکل دهی می شود. قطعه ی شکل دهی شده، پس از خشک شدن، در دمایی در گستره ی 1200 تا 1500 درجه ی سانتیگراد، پخته می شود. محصولات سرامیکی مختلفی را می توان با انواع مختلفی از رس ها و تغییر در میزان این اجزا، تولید کرد. نقش ارتوکلاژ (فلدسپار) در اینجا، تنظیم دمای پخت این محصولات می باشد.
ویژگی ها: آلومینا که بخش عمده ی این ماده را تشکیل می دهد، دارای برخی مزیت ها، می باشد. اگر چه این ماده دارای دمای ذوب بالایی است، اما حتی در زیر دمای پخت (1300 درجه ی سانتیگراد) نیز این ماده ذوب می شود و به صورت یک سیال ویسکوز، در می آید. این مسئله موجب می شود تا محصولات بدون تخلخل و با پیوند یکنواخت در میان اجزا، تولید شود.
اکسید آهن و اکسید تیتانیوم، موجب می شود تا این محصولات رنگی شوند. از این رو، در محصولاتی که نیاز است سفید باشند، این دو ماده، موادی مضر تلقی می شوند. علاوه براین، اکسید تیتانیوم، دارای دمای ذوب بالایی است و موجب افزایش دمای پخت می شوند.
اکسید منیزیم به طور طبیعی، دارای دیرگدازی بالایی است بنابراین، استفاده از آن در بدنه های سفید، مناسب نیست. زیرا بدنه های سفید از لحاظ طبیعی، دیرگداز نیستند. علاوه بر این، این ماده نم گیر است و در حدود 120 % حجمی خود، آب جذب می کند. این مسئله به آهستگی و در طی زمان رخ می دهد.
آهک (اکسید کلسیم) نیز نم گیر است . بنابراین، اگر در رس وجود داشته باشد، محصول نهایی آب جذب می کند و در نهایت، خرد می شود. همچنین در دمای 1100 درجه ی سانتیگراد، اکسید کلسیم، با آلومینا و سیلیس واکنش می دهد و ترکیبات جدید ایجاد می کنند که عمدتاً سیلیکاتی هستند. برخی از این سیلیکات ها، موجب کاهش دمای ذوب رس می شوند. علاوه بر این، آهک موجب می شود تا مذاب سیالیت بیشتری داشته باشد. برخی اوقات، این گستره دمای نرم شدن و سیال شدن برای این مواد، در حدود 40 درجه ی سانتیگراد باشد. نتیجه ی این مسئله، این است که کنترل دمای کوره برای حفظ این گستره، مشکل باشد. به همین دلیل، آهک می تواند ماده ی مضری برای این کاربرد باشد.
لعاب زنی:
اگر محصولات تک پخت باشند، قبل از پخت، لعاب زنی می شوند. هدف از لعاب زنی، ایجاد یک سطح یکنواخت بر روی سطح بدنه ی سرامیکی و حذف عیوبی مانند سوراخ و حباب می باشد. لعاب ترکیبی مشابه بدنه دارد اما چیزی که متفاوت است، این است که میزان کواتز و فلدسپار موجود در لعاب، بیشتر است. مواد مورد استفاده در لعاب با هم مخلوط شده، به خوبی آسیاب کاری می شوند و سپس با آب مخلوط می شوند. این مخلوط، لعاب نامیده می شود. بدنه های خام قالب گیری شده، به داخل لعاب وارد می شوند و سپس بعد از بیرون آوردن، در دمایی بالاتر از 1400 درجه ی سانتیگراد، پخت می شوند. رنگ و دکوراسیون، در صورت لزوم، مورد استفاده قرار می گیرد.
لعاب ممکن است به صورت خام باشد و یا بصورت فریت شده. لعاب خام شامل مواد نامحلولی است که به صورت پخته نشده، اعمال می شود، در حالی که لعاب فریت شده، پیش از اعمال، پخت می شود. لعاب نه تنها باید ذوب شود، بلکه همچنین باید به طور یکنواخت بر روی سطح گسترش یابد.
در اینجا نیز نقش فلدسپار، تنظیم دمای ذوب مواد خام می باشد. این کار با استفاده از آلومینا و سدیم کربنات موجود در این ماده، انجام می شود. اکسیدهای آهن، اکسید کلسیم و مواد قلیایی از جمله ناخالصی های مضر محسوب می شود زیرا موجب ایجاد مشکلاتی در بدنه های سرامیکی می شود.
چینی استخوانی
چینی استخوانی یک نوع چینی ترانسلوسنت لعاب دار می باشد که ابتدا در انگلیس و در سال 1794، معرفی شد. در این چینی، از استخوان کلسینه شده ی گاو، استفاده می شود. خاکستر استخوان در اینجا، به عنوان فلاکس عمل می کند اما در صورتی که مقدار آن از یک مقدار بیشتر باشد، میزان دیرگدازی بیشتر می شود. مقداری از آهک این استخوان ها، ابتدا با خاک چینی واکنش می دهد و آنورتیت ایجاد می کند، در حالی که فسفر پنتااکسید با سایر ترکیبات واکنش می دهد و شیشه تشکیل می شود. برای تولید خاکستر استخوان، استخوان گاوی ابتدا خرد شده و پس از شستشو، حرارت داده می شود و تحت شرایط اکسیدی، دما افزایش می یابد. در این حالت، مواد آلی می سوزند. استخوان کلسینه شده، با آب سایش پیدا می کند و میزان آب موجود در این محلول کاهش می یابد تا به 10 -15 % برسد. خاکستر این استخوان ها، با مقادیر اندکی ماده ی آلی ترکیب می شود تا پلاستیسیته ی خوبی پیدا کند. این صنعت، خاکستر استخوان گاوی را ترجیح می دهد زیرا درصد آهن آن تقریباً صفر است.
برای تولید چینی استخوانی، مخلوط مواد اولیه شامل 45 تا 50 % خاکستر استخوان، 25 -30 % خاک چینی، 25-30 % فلدسپار و در حدود 5 % بالکلی می باشد. این مواد با آب مخلوط می شود و سایش پیدا می کند سپس دوغاب حاصله در فیلتر پرس، آب گیری می شود و گل حاصله بوسیله ی فرایندهای شکل دهی، شکل دهی می شوند. محصول شکل دهی شده، سپس خشک می شود و در نهایت، بیسکوییت خشک شده، در دمایی بین 1250 تا 1300 درجه ی سانتیگراد، پخت می شوند.
بیسکوییت تولیدی سپس لعاب زنی می شود و با استفاده از لعاب ترانسپارنت بدون رنگ، لعاب زنی می شود. این لعاب حاوی بروسیلیکات و بالکلی با رنگ پخت سفید است. مقداری فلدسپار نیز در این لعاب وجود دارد که نقش فلاکس را بر عهده دارد. بالکلی کمک می کند تا لعاب به صورت سوسپانسیون وجود داشته باشد. لعاب به روش های غوطه وری یا اسپری، بر روی بدنه اعمال می شود و سپس در دمایی در گستره ی 1050 تا 1100 درجه ی سانتگراد، عملیات پخت بر روی آن انجام می شود. این دما کمتر از دمای پخت بدنه می باشد.
دمای پخت بیسکوییت و لعاب، برای تولید چینی استخوانی، بسیار مهم می باشد. در هنگام پخت، تخلخل های باز خارج می شوند و از این مهم تر، حالت ترانسلوسنتی، در این چینی، ایجاد می شود. البته اگر دمای پخت بسیار بالا انتخاب شود، سطح حالت جوش زدگی، پیدا می کند. به همین دلیل، نقش فلدسپار، در اینجا، بسیار مهم می باشد.
شیشه
از لحاظ فیزیکی، شیشه ها عمدتاً موادی آمورف، سخت و ترد هستند و در برابر نور، شفاف هستند. از لحاظ شیمیایی، شیشه ها مخلوطی از سیلیکات های سدیم، کلسیم و منیزیم است. ترکیب نمونه وار شیشه ها، عبارتست از: 18〖Na〗_2 O.2MgO.8CaO.72SiO_2.
ضرورتاً فرایند تولید شیشه ها، شامل ذوب مخلوطی از ماسه ی سیلیسی به همراه سدیم کربنات، دولومیت، سنگ آهک، کربن و خرده شیشه در دمایی بین 1400 تا 1500 درجه ی سانتیگراد می باشد. سپس مخلوط ذوب شده، سرد می شود و در دمایی در حدود 800 تا 900 درجه ی سانتیگراد، فرایند شکل دهی بر روی آن انجام می شود. عملکرد کربن در اینجا، ترکیب کردن اکسیژن اضافی و مهیا نمودن حرارت مورد نیاز می باشد. آهک و خرده شیشه نیز اثر فلاکس دارند و نقطه ی ذوب سیلیس را از 1580 درجه به 1400 درجه ی سانتیگراد، کاهش می دهند. فلدسپار نیز یک ماده ی فلاکس می باشد و همچنین به عنوان منبعی برای آلومینا، محسوب می شود. آلومینا همچنین موجب تنظیم خاصیت فلاکس سدیم کربنات می شود. تطابق اندیس شکست فلدسپار و شیشه، نیز یک مزیت اضافی محسوب می شود. میکروکلین سبز رنگ نیز برای تولید شیشه های سبز، مورد استفاده قرار می گیرد.
آلومینا که یک جزء اصلی از فلدسپار است، نیز مزیت های خوبی دارد. اگر چه این ماده دمای ذوب بالایی دارد، اما در زیر دمای ذوب خود نیز، به طور ناقص، ذوب شده ئو سیالی با ویسکوزیته ی بالا تولید می کند. بنابراین موجب حفظ حالت زجاجی می شوند. به هر حال، برخی مواد قلیایی برای ایجاد خاصیت فلاکس، مفید می باشند مثلا سدیم کربنات یکی از این مواد می باشد. البته استفاده از مواد قلیایی بیشتر، موجب می شود تا ترکیب شیشه به هم بخورد و استفاده از این مواد در مقادیر بیش از حد، مطلوب نیست.
آهک نیز تمایل به تشکیل کریستال را افزایش می دهد و یکی از عملکرد های اکسید منیزیم، جلوگیری از ایجاد این خاصیت می باشد. با ترکیب این ماده با آهک، از تمایل به تشکیل کریستال، جلوگیری می شود. بنابراین، اکسید کلسیم اضافی، که از طریق فلدسپار وارد مذاب می شود، مضر می باشد و به عنوان یک جزء مضر در فلدسپار، مطرح می شود. اکسید آهن نیز موجب ایجاد خاصیت رنگی در ماده می شود و این ماده نیز مضر است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee