سیلیکون و مینرال های آن (3)

شیشه

تعریف و انواع: از لحاظ فیزیکی، شیشه های استاندارد، یک ماده ی آمورف، سخت، ترد و شفاف هستند. از لحاظ شیمیایی، این ماده مخلوطی از سیلیکات های سدیم، کلسیم و منیزیم است. ز نقطه نظرشیمیایی، شیشه ممکن است به انواع زیر طبقه بندی شود:
شیشه های سودالایم معمولی: این شیشه ها در واقع شیشه های معمولی بی رنگ است که دارای ترکیب شیمیایی سدیم- کلسیم سیلیکات است.
شیشه ی Jana: این شیشه در واقع یک شیشه ی پتاسیم- آهکی است. این شیشه، سخت است و به عنوان شیشه های آزمایشکاهی، استفاده می شود.
شیشه های کریستال سربی یا فلینتی: این شیشه ها، شیشه های سرب- پتاسیمی است. اکسید سرب در این شیشه ها، به عنوان فلاکس عمل می کنند. این شیشه ها، دارای درخشش زیبایی است. به دلیل این درخشش، برلیان های تولید شده از این شیشه، برای اهداف زینتی و تولید ظروف شیشه ای، استفاده می شود. در زمان های قدیم، به دلیل ضریب شکست بالای این شیشه، از ان در تولید انواع لنزهای عینک، استفاده می شده است.
شیشه های بروسیلیکاتی: این نوع شیشه، با جایگزینی سدیم کربنات با بوریک اسید، و جایگزینی آهک با آلومینا، تولید می شود. این نوع شیشه دارای ضریب انبساط حرارتی پاینی است. در نتیجه، برخلاف سایر انواع شیشه ها، شیشه های بروسیلیکاتی تحت شوک های حرارتی، نمی شکنند. از این رو، از این شیشه در تولید انواع خاصی از ظروف آشپزخانه، تیوب های لیزری و انواع دیگر تیوب ها، استفاده می شود. این شیشه امروزه به صورت حباب های میکرویی تولید شده است و از آن در تولید پرکننده، مواد آب بندی و پوشش، استفاده می شود. علت این استفاده، مقاومت به حرارت، خنثی بودن و استحکام بالا می باشد.
شیشه های نوری: شیشه های با خلوص بالا، بی رنگ و شفاف که از سیلیس با خلوص بالا و یا کوارتز کریستالی تولید شده است، برای ساخت لنزهای با کیفیت بالایی استفاده می شود که در تلسکوپ ها و میکروسکوپ ها، کاربرد دارند.
شیشه های فوتوکرومات یا فوتوکرومیک: این شیشه ها در واقع شیشه های بروسیلیکاتی حاوی باریم هستند که یک ویژگی خاص دارند. این شیشه ها بعد از برخورد نور به آن، تیره می شود. این ماده با افزودن کلرید نقره و یا لیتیم یا سدیم و باریم به ماده ی اولیه ی تولید شیشه ی بروسیلیکاتی، تولید می شوند. کلرید نقره و فلز قلیایی می تواند همچنین با سایر مواد مانند آلومینا و نیوبیوم اکسید، جایگزین شود. یک چنین شیشه هایی همچنین می توانند با اعمال پوشش های آلی نیز تولید شود.
شیشه های فیبر نوری: فیبر نوری، یک توسعه ی اخیر در زمینه ی ارتباطات می باشد. در فیبر نوری، نور به جای انرژی الکترومغناطیسی یا امواج رادیویی یا میکروویو، برای انتقال اطلاعات، استفاده می شود. الیاف نوری از اصل شکست داخل متوالی یک باریکه ی لیزری، در داخل یک فیبر نوری با ضخامت کمتر از یک موی سر، استفاده می کند. نور به دلیل وقوع شکست متوالی، در داخل این الیاف، عبور می کند. برای تولید این شیشه، تتراکلرید سیلکون با اکسیژن واکنش داده می شود و موجب تشکیل دی اکسید سیلکون می شود.
این سیلیس سپس برای تولید الیاف شیشه، مصرف می شود. در واقع پوسته ی این شیشه ها، دارای ضریب شکست کمتری است. در واقع برای افزایش ضریب شکست، ژرمانیم و برای کاهش آن از بور یا فلئور به شیشه های سیلیسی خالص، وارد می شود.
برای تولید این شیشه های رنگی، عوامل رنگی به شیشه افزوده می شود. عوامل مختلف مورد استفاده، عبارتند از: کبالت (آبی- ارغوانی)، اکسید کروم (سبز)، کروم (زرد)، اورانیوم (رنگ زرد قناری)، منگنز (بنفش)، فرواکسید (آبی کم رنگ تا سبز زیتونی)، فریک اکسید (زرد)، سرب (زرد کم رنگ)، اکسید نقره (زرد)، زغال چوب (زرد)، سلنیت ها و سلنات ها (صورتی کم رنگ و زرد مایل به صورتی)، تلوریوم (صورتی کم رنگ)، نیکل (بنفش در شیشه های پتاسیم- سرب و قهوه ای در شیشه های سودالایم) و مس (آبی طاووسی تا سبز).
پشم شیشه: پشم شیشه حاوی الیاف بسیار نازک از جنس شیشه می باشد که به صورت موازی با بافت، آرایش یافته اند. برای تولید پشم شیشه، شیشه ی مذاب ابتدا به صورت فیبر کشیده می شود و سپس به صورت بافته های نمدی در می آید. این الیاف با کمک بایندر به هم متصل می شود. بافته های فیبری، تا دمای 200 درجه حرارت داده می شود تا بدین صورت، رزین موجود در داخل آن، تحت عملیات پلیمریزاسیون قرار گیرد و یک ساختار بافتی پیوسته، تشکیل شود. این ساختار پشم شیشه نامیده می شود. این ساختار بسیار سبک است و در برابر خوردگی و نفوذ آب، مقاوم می باشد. از این ماده در عایق کاری حرارتی و صوتی، استفاده می شود. ترکیب نمونه وار شیشه ی مورد استفاده در این کاربرد، عبارتست از: 5 % اکسید بور، 16 % اکسید سدیم، 8 % اکسید کلسیم، 3.5 % آلومینا، 3 % اکسید منیزیم و 64.5 % سیلیس می باشد.
در طی دهه ی 1800، شیشه اولین بار به صورت به صورت نخ در آمد. در سال 1825، این فرایند با استفاده از یک سیلندر توخالی، اصلاح شد. در این فرایند، شیشه ی مذاب در داخل یک سیلندر توخالی ریسیده شد و بعد از خنک سازی، الیاف تشکیل می شوند. امروزه، شیشه ها تحت فرایندهای مختلفی مانند نورد، پرس، دمش، ریخته گری، کشش، تاب و فرایند لمینیت قرار داده می شوند و منجر به تولید محصولات مختلف می شوند:
شیشه ی پنجره یا صفحات شیشه ای: این نوع شیشه، با نورد و پرس شیشه ی نیمه مذاب، تولید می شود. این نوع از شیشه ها، به عنوان شیشه ی پنجره یا یا صفحات شیشه ای، استفاده می شوند.
پنل های مسطح و یا شیشه های فلوت: شیشه ی فلوت در واقع شیشه ای است که دارای سطحی صاف و بدون عیب می باشد. برای تولید این شیشه، مذاب شیشه در دمای 1100 درجه، بر روی سطح بستری از قلع مذاب، ریخته می شود. با عبور از این حمام قلع، یک پنل مسطح یا فلوت از شیشه، تشکیل می شود. مذاب قلع به دلیل شرینکیج پایین در حین سرد شدن، و وزن مخصوص بالا، به شیشه نمی چسبد و بدین صورت، یک سطح مسطح از شیشه تشکیل می شود. تکنولوژی فلوت، برای تولید شیشه های ضخیم و با اندازه ی بزرگ، مناسب می باشند.
شیشه ی ایمنی: این محصولات شیشه ای در اتومبیل سازی، استفاده می شوند. شیشه ی فلوت بوسیله ی ایجاد لایه ای پلیمری در میان دو لایه ی شیشه ای، به شیشه ی ایمنی تبدیل می شوند.
شیشه ی مظروف: این شیشه ها از طریق ریخته گری یا دمش به شیشه ی مذاب، تولید می شوند. بطری ها، شیشه های مظروف و سایر انواع شیشه، مثال های متداول از این نوع شیشه ها می باشد.
شیشه های مورد استفاده در معماری: طراحی های مختلف با چسباندن و پیچش صفحات شیشه ای تولید می شود.
الیاف شیشه ای: این الیاف، در واقع شیشه ای است که به صورت فیبر در می آید. در واقع این فیبرها با کشش مذاب شیشه، تولید می شوند. این شیشه ها در برابر حرارت و آتش گرفتن، مقاومند. پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه (FRP) بسیار محکم هستند و در برابر نور خورشید نیز مقاومند. از این پلاستیک ه، در مبلمان، ماشین و بدنه ی قایق، اجزای واگن های قطار و بسیاری اجزا، استفاده می شود.
میکروبالن های شیشه ای توخالی: این میکروبال ها، در واقع کره های کوچک هستند که از شیشه های بروسیلیکاتی، تهیه شده اند. این مواد در صنایعی همچون صنعت دیرگداز، کف پوش، سیمان چاه نفت، لقمه ترمز، آب بندها و ... کاربرد دارند.

فرایند تولید

ضرورتاً فرایند تولید شیشه، شامل ذوب شدن یک مخلوط از 47 % سیلیس، 14 % سدیم کربنات، 12 % دولومیت، 3.5 % آهک، 2.5 % کک و بقیه نیز شیشه ی خرده شده، می باشد. این ذوب شدن در دمای 1400 تا 1500 درجه انجام می شود و سپس مذاب حاصله، تا دمای 800 الی 900 درجه سرد می شوند. بعد از اولین خنثی سازی مواد رنگی موجود در این مخلوط، که با افزودن دی اکسید منگنز، آرسنیک و 〖Sb〗_2 O_3 و ... انجام می شود، رنگ ها و اشکال مختلفی از شیشه تولید می شود. عملکرد کک، در واقع ترکیب شدن با اکسیژن و مهیا نمودن حرارت مورد نیاز برای فرایند می باشد. به هر حال، آهک تمایل به تشکیل کریستال دارد و افزودن منیزیا کمک می کند تا بدین صورت، میزان اکسید کلسیم و اکسید منیزیم، کاهش یابد. سدیم کربنات که دارای دمای ذوب پایین است، موجب شکسته شدن شیشه می شود و بدین صورت، کوارتز در داخل سدیم کربنات مذاب، حل می شود. یک میزان اندک سدیم سولفات و فلدسپار، ممکن است به شارژ اولیه اضافه شود تا بدین صورت، ترکیب شیشه ی نهایی و همچنین فرایند، تنظیم شود.
ویژگی ها: در مورد ماسه ی سیلیسی، میزان سیلیس موجود و میزان آهن، جزء معیارهای اصلی می باشد، در حالی که آلومینا، دی اکسید تیتانیوم، اکسید منگنز، اکسید مس و اکسید کروم، جزء ناخالصی های مضر تلقی می شود.
اول از همه، ماسه ی سیلیسی نسبت به کوارتز ترجیح داده می شود زیرا کوارتز با سختی بیشتری آسیاب می شود و از این رو، هزینه ی آسیاب کاری آن بالاست. به عبارت دیگر، ماسه ی سیلیسی به سهولت بیشتری آسیاب کاری می شود و همچنین پودر این ماده در طبیعت یافت می شود. به هر حال، مسئله ی اقتصادی، در درجه ی اول می باشد. میزان سیلیس موجود در این ماسه ها، مهم می باشد زیرا در واقع سیلیس است که موجب تشکیل شیشه می شود.
مهم ترین و مضرترین ناخالصی موجود در این ماده، اکسید آهن است. این ماده موجب رنگی شدن شیشه می شود. هم آلومینا و هم اکسید تیتانیوم، دارای نقطه ی ذوب بالایی هستند و از این رو، نیازمند حرارت بیشتری برای ذوب آن می باشد.
اکسید فلزاتی همچون منگنز اکسید، اکسید مس، اکسید کروم و ... نیز دارای اثرات رنگی هستند و از این رو، نامطلوب می باشند.

سرامیک ها و لعاب ها

واژه ی سرامیک، از واژه ی یونانی کراموس مشتق شده است. این واژه به معنای رس پخت شده و فیوزد می باشد. اما در استفاده های مدرن، برخی مواد غیر آلی با رس مخلوط می شود و به اشکال مختلف در می آید. بعد از شکل دهی، قطعه ی تولیدی، پخت می شود. محصولات اولیه ی رسی، معمولاً تنها از رس ساخته می شدند و میزان تخلخل آنها بالاست. این تخلخل موجب می شود تا سرامیک، ترد شود. برای تولید محصولات سرامیکی جدید که علاوه بر سختی، دارای مقاومت به حرارت و مواد شیمیایی هستند، باید افزودنی های بیشتری به این رس اضافه شود.
اصل مورد استفاده در فرایند تولید، در واقع، عبارتست از مخلوط کردن سیلیس یا ماسه ی کوارتزی با فلدسپار، یک نوع رس و مقدار ماده ی فلاکس می باشد. این مخلوط با 30-40 % آب مخلوط می شود و سایش می یابد و بعد از شکل دهی، در دمایی در حدود 1200 تا 1500 درجه، پخت می شود. محصولات سرامیکی مختلف می توانند با استفاده از انواع مختلف رس، تولید شوند. بر روی این بدنه ها، لعاب زنی نیز انجام می شود. هدف از لعاب زنی، ایجاد یک سطح مسطح بر روی بدنه ی سرامیکی است. این لعاب موجب پر شدن عیوب سطحی مانند حفرات و حباب ها و موارد دیگر می شود. لعاب ممکن است به صورت خام و یا به صورت فریت شده، اعمال شود. لعاب خام، حاوی مواد نامحلولی است که به همان صورت خام، اعمال می شوند و سپس پخت می شوند؛ در حالی که لعاب های فریت شده، پیش از اعمال بر روی بدنه، حرارت داده می شوند و بعد از ذوب شدن، در آب سرد می شوند. ماده ی حاصله پس از آسیاب کاری و مخلوط شدن با آب، برای اهداف لعاب کاری، مصرف می شود. بدنه های خام قالب گیری شده، در داخل لعاب فرو برده می شوند و سپس عملیات پخت بر روی آنها انجام می شود. این فرایند در دمای 1400 درجه ی سانتیگراد، انجام می شود. رنگ و طراحی در صورت نیاز، بر روی این بدنه ها، اعمال می شود.
با توجه به ویژگی های مربوط به کوارتز یا ماسه ی سیلیسی مورد استفاده در تولید سرامیک ها، سیلیس باید تا حد ممکنه خالص باشد. این میزان خالص بودن باید حداقل 99 % باشد. اکسید آهن مضرترین ناخالصی موجود در این ماده می باشد. زیرا این ماده موجب رنگی شدن بدنه و بروز لک های قرمز در بدنه ها می شود. حد ماکزیمم این ماده عموماً کمتر از 0.1 % می باشد. آلومینا همچنین یک ماده ی ناخالصی نامطلوب می باشد. این ماده نیز موجب می شود تا دمای ذوب بالا رود و همچنین کنترل ترکیب نیز با مشکل مواجه شود. با توجه به ویژگی های کوارتز مورد استفاده در لعاب سازی، ترکیب شیمیایی این ماده مشابه چیزی است که برای محصولات سرامیکی گفتیم، اما از آنجایی که کوارتز یک ماده ی اولیه ی غالب محسوب می شود، پایداری حرارتی آن و مقاومت آن در برابر ترک خوردن های ناشی از حرارت، جزء معیارهای مهم تلقی می شود. در میان انواع مختلف کوارتز، فلینت، به سهولت به کریستوبالیت پایدار تبدیل می شود و از این رو، استفاده از فلینت ترجیح داده می شود.

لعاب های فلزی

پوشش های لعاب فلزی، از زمان های گذشته متداول بوده اند اما امروزه، انواع مختلفی از آلیاژهای پیشرفته مانند فولادهای ضد زنگ، موجب شده اند تا این لعاب ها، منسوخ شوند. از لحاظ شیمیایی، لعاب های فلزی، مخلوطی از سیلیکات ها، بورات ها و فلئوریدهای برخی از عناصر، مانند سدیم، پتاسیم و ... هستند. این پوشش ها در واقع لعاب های ایجاد شده بر روی سطح فلزی هستند که موجب محافظت این سطوح در برابر دماهای بالا و خوردگی می شوند. برای آماده سازی این لعاب ها، بوراکس (Na_2 B_4 O_7.10H_2 O)، کوارتز، فلوریت، کربنات سدیم، سدیم نیترات، اکسیدهای کبالت، منیزیم و نیکل و یک ماده ی اپک کننده (مانند اکسید قلع، سیلیکات تیتانیم و آنتیموآن تری اکسید) با هم مخلوط می شوند. در این مخلوط، بوراکس (23-34 %)، کوارتز (5-20 %) و فلدسپار (28-52 %) از جمله مواد اصلی هستند. این مخلوط آسیاب کاری می شود، ذوب شده و در آب کوئنچ می شود تا توده ی شیشه ای تشکیل شود. این توده ی شیشه ای، با رس و پودر کوارتز، مخلوط می شود و به صورت دوغاب، مورد استفاده قرار می گیرد. این دوغاب بر روی اشیای فلزی پوشش داده می شود و سپس در دمای 900 درجه ی سانتیگراد، عملیات پخت بر روی نمونه ها انجام می شود. معمولاً دو یا سه لایه از این پوشش ها، بر روی فلز اعمال می شود. اثرات رنگی نیز می تواند با استفاده از اکسیدهای فلزی (مانند اکسید آهن، کروم، کبالت، اورانیوم و ...) بر روی بدنه های ایجاد شود.
با توجه به ویژگی های کوارتز، سیلیس مورد استفاده در این کاربرد، تا حد ممکنه باید خالص باشد. اکسید آهن مضرترین ناخالصی مورد استفاده در این کاربرد است. پوشش های فلزی از زمان های قدیم مورد استفاده قرار می گرفته است و امروزه نیز از این مواد برای پوشش دهی آلیاژهایی مانند فولاد و ... استفاده می شود.
مواد مورد استفاده در لیزرها
محیط انتقال اولیه ی نور لیزر، می تواند یک کریستال جامد و یا یک گاز و یا یک بخار مانند آرگون باشد. در نوع بخار، لیزر می تواند با تخلیه ی درخشان و یا تخلیه ی قوس، عمل کند. در لیزرهای تخلیه ی درخشان، جریان عملیاتی، در حد چند میلی آمپر است و حرارت ایجاد شده، زیاد نیست. از این رو، یک تیوب تولید شده از شیشه ی بروسیلیکاتی، مورد استفاده قرار می گیرد؛ اما در مورد تخلیه ی لیزر، جریان در گستره ی 20-50 آمپر است و این نیاز وجود دارد که تیوب، در برابر شوک حرارتی مقاوم باشد. در این حالت، نیاز است تا مایع سرد کننده ای مانند آب، سیستم را خنک کند. برای تولید این تیوب ها، بهتر از از شیشه های کوارتز فیوزد، استفاده کرد. نقطه ی ذوب این ماده و قابلیت تحمل این ماده در برابر شوک حرارتی، موجب می شود تا از این ماده در این کاربرد، استفاده شود.

حباب های کوارتزی

یک حباب الکتریکی شامل یک فلز تنگستنی است که از میان آن، جریان عبور می کند و افزایش دما در این حالت، موجب درخشش آن می شود. سیمی به صورت کویلی شکل، در داخل این حباب قرار داده می شود و هوای داخل این حباب، خارج می شود. اما در حباب های هالوژن، فیلمات تنگستن یدید، به جای فلز تنگستن مورد استفاده قرار می گیرد. این یدید می تواند در برابر شدت حرارت، مقاومت کند. به هر حال، بخارات یدید می تواند موجب بروز خوردگی در شیشه شود و از این رو، این فیلمان ها، در حباب کوارتز خنثی استفاده می شوند.

سیلان ها

سیلان یک سیلیکون تتراهیدرید است. این ماده حتی در دماهای پایین نیز به صورت گازی است (این ماده در دمای -185℃ ذوب می شود و در دمای -112℃ می جوشد). این ماده در دمای 420 درجه ی سانتیگراد، به سیلیکون و هیدروژن تبدیل می شود. این ویژگی موجب می شود تا این ماده در موارد زیر مفید باشد: 1) به عنوان یک عامل کوپلینگ در الیاف شیشه ای که در زمینه ی پلیمری مصرف می شوند. 2) برای رسوب دهی تبخیری سیلیکون بر روی ویفرهای سیلیکونی و 3) برای ایجاد آب بندهای سیلیکونی
سیلان ها با عمل آوری اولیه ی پودر سیلیکون با هیدروکلریک اسید در دمای 300 درجه ی سانتیگراد و تولید تری کلروسیالان، بدست می آید. این ماده سپس بر روی بستر رزینی جوشانده می شود تا بدین صورت، سیلان و سیلیکون تتراکلرید، تولید شود.
منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.