يُعدّ ثاني أكسيد السيليكون المكون الهيكلي الرئيسي للزجاج، إذ يُساعده على اكتساب قوة عالية وثبات كيميائي جيد. لهذا السبب، رمل الكوارتز هو المادة الخام الصناعية الأكثر أهمية في صناعة الزجاجيتم استخدامه في الزجاج المسطح، وزجاج الحاويات، والزجاج فائق الوضوح، والزجاج الكهروضوئي، وزجاج الكوارتز، وغيرها.
وفقًا للإحصاءات، بلغ إنتاج الزجاج المسطح في الصين 969.418 مليون صندوق وزن في عام 2023. وبلغ استهلاك رمل الكوارتز حوالي 32.47 مليون طن.
في عام ٢٠٢٣ أيضًا، أنتجت الصين ٢٤.٧٨٣ مليون طن من الزجاج الكهروضوئي المدلفن. يتطلب إنتاج طن واحد من الزجاج الكهروضوئي حوالي ٠.٧١ طن من رمل الكوارتز منخفض الحديد، وبذلك بلغ إجمالي استهلاك رمل الكوارتز حوالي ١٧.٦ مليون طن.
وبناء على هذه الأرقام، ستحتاج الصين إلى أكثر من 50 مليون طن من رمل الكوارتز لصناعة الزجاج المسطح والزجاج الكهروضوئي فقط في عام 2023.
تُركّز متطلبات جودة رمل الكوارتز في صناعة الزجاج بشكل رئيسي على ثلاثة عوامل: التركيب الكيميائي، والثبات، وحجم الجسيمات. وتختلف أنواع الزجاج التي تحتاج إلى أنواع مختلفة من رمل الكوارتز.
تشمل أنواع المنتجات الزجاجية الرئيسية الزجاج المسطح، وزجاج الحاويات، والزجاج المقسّى، والزجاج الكهروضوئي، والزجاج الإلكتروني.
حاليًا، تفرض الصين متطلبات أقل على الكوارتز المستخدم في منتجات الزجاج العادية، مثل الزجاج المسطح والمقسّى. يمكن الحصول على هذه الأنواع من الكوارتز من مصادر كبيرة وسهلة التعدين، مثل حجر الكوارتز الرملي والكوارتزيت.
بالنسبة للزجاج فائق النقاء وقليل الحديد، مثل الزجاج الكهروضوئي، يجب أن يكون رمل الكوارتز عالي الجودة. يمكن إنتاجه من حجر رمل الكوارتز عالي الجودة، أو الكوارتز العروقي، أو الكوارتزيت، أو رمل الكوارتز الطبيعي.
يحتاج زجاج الكوارتز إلى رمل الكوارتز عالي النقاء.
1. الزجاج المسطح
منذ عام ١٩٨٨، تصدّرت الصين قائمة مُنتجي الزجاج المسطح في العالم لمدة ٣٥ عامًا متتالية. ولم تلحق بها دول أخرى بعد.
من المتوقع أن يصل إنتاج الزجاج المسطح في الصين من قبل الشركات الكبرى إلى مليار صندوق وزن في عام 2024، بزيادة قدرها 2.9% عن العام السابق.
الزجاج المسطح هو المادة الأساسية المستخدمة في معالجة الزجاج. يُشير عادةً إلى الزجاج المسطح الشائع، المعروف أيضًا بالزجاج الأصلي أو الشفاف. وهو أكثر أنواع الزجاج استخدامًا.
تشمل منتجات الزجاج المسطح الزجاج السلكي، والزجاج المنقوش، والطوب الزجاجي، والزجاج المعزول، وغيرها.
تختلف متطلبات رمل الكوارتز باختلاف منتجات الزجاج المسطح. بناءً على التركيب الكيميائي وحجم الجسيمات، يُقسم رمل الكوارتز المستخدم في الزجاج المسطح إلى صنفين:
الفئة الأولى: محتوى أقل من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)
الفئة الثانية: محتوى أعلى من أكسيد الألومنيوم
تحدد المواصفة القياسية الصناعية JC/T 529-2000 "مواد السيليكا الخام للزجاج المسطح" المتطلبات الخاصة بالتركيب الكيميائي وحجم الجسيمات والخصائص الأخرى لرمل الكوارتز المستخدم في الزجاج المسطح.
التركيب الكيميائي ومتطلبات محتوى الرطوبة لرمل الكوارتز للزجاج المسطح
| كوارتز درجة الرمل | w(SiO₂)/% | w(Al₂O₃)/% | w(Fe₂O₃)/% | w(H₂O)/% |
|---|---|---|---|---|
| الصف الأول | ||||
| الدرجة الممتازة | ≥98.50 | ≤0.50 | ≤0.05 | |
| ≥98.00 | ≤1.20 | |||
| الصف الأول | ≥98.50 | ≤0.70 | ≤0.10 | |
| ≥97.50 | ≤1.20 | ≤5.00 | ||
| الصف الثاني | ≥98.00 | ≤0.70 | ≤0.15 | |
| ≥96.50 | ≤1.50 | |||
| الصف الثالث | ≥98.00 | ≤0.70 | ≤0.20 | |
| ≥96.50 | ≤1.50 | |||
| الصف الثاني | ||||
| الصف الأول | ≥92.00 | ≤4.00 | ≤0.20 | |
| الصف الثاني | ≥90.50 | ≤4.50 | ≤0.30 |
متطلبات قيمة التقلب للتركيب الكيميائي في رمل الكوارتز للزجاج المسطح
| درجة رمل الكوارتز | قيمة التقلب في التركيب الكيميائي % | ||
| ثاني أكسيد السيليكون | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | |
| الصف الأول | |||
| الدرجة الممتازة | ±0.20 | ±0.10 | ±0.01 |
| الصف الأول | ±0.30 | ±0.15 | – |
| الصف الثاني | ±0.30 | ±0.20 | – |
| الصف الثالث | ±0.30 | ±0.20 | – |
| الصف الثاني | |||
| الصف الأول | ±0.30 | ±0.20 | – |
| الصف الثاني | ±0.30 | ±0.20 | – |
| درجة رمل الكوارتز | تكوين حجم الجسيمات / % | |||
| +1 ملم | +710 ميكرومتر | +500 ميكرومتر | -100 ميكرومتر (-125 ميكرومتر) | |
| الصف الأول | ||||
| الدرجة الممتازة | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| الصف الأول | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤10.0 (5.0) |
| الصف الثاني | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20.0 (8.0) |
| الصف الثالث | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20.0 (8.0) |
| الصف الثاني | ||||
| الصف الأول | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| الصف الثاني | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
ملحوظة:القيم الموجودة بين قوسين هي متطلبات منتجات رمل السيليكا الطبيعي.
2. الزجاج اليومي
يشمل الزجاج المستخدم يوميًا الزجاجات والحاويات وأدوات المختبرات الزجاجية والزجاج الصيدلاني. تُستخدم هذه الزجاجات في التعبئة والتغليف. طعام، صناعات المشروبات والتخمير والأدوية—على سبيل المثال، زجاجات البيرة، وأكواب الشرب، وزخارف الزجاج، وزجاجات الأدوية.
يجب أن يكون زجاج البورسليكات الصيدلاني مقاومًا للحرارة والتآكل الكيميائي.
يذوب رمل الكوارتز عند درجة حرارة عالية تبلغ حوالي ١٧٣٠ درجة مئوية. يؤثر حجم جسيمات الكوارتز على كيفية تشكّل الزجاج.
في الإنتاج الفعلي، يجب أن تكون حبيبات الكوارتز زاوية وذات مساحة سطح كبيرة، مما يمنع انفصال المواد أثناء الخلط. يتراوح حجم الجسيمات المثالي بين 60 و140 شبكة.
يحدد معيار الصناعة DZ/T 0207-2002 "مواصفات الاستكشاف الجيولوجي لمواد خام السيليكا الزجاجية" متطلبات الجودة لرمل الكوارتز المستخدم في الزجاج المعبأ.
متطلبات جودة رمل الكوارتز للزجاج الحاويات
| مؤشر | الصف الأول | الصف الثاني | الصف الثالث |
|---|---|---|---|
| w(SiO₂)/% | >99 | >96 | >90 |
| w(Al₂O₃)/% | <1.0 | <2.0 | أقل من 4.0 |
| w(Fe₂O₃)/% | <0.05 | <0.10 | <0.35 |
| w(Cr₂O₃)/% | <0.001 | — | — |
| ملحوظة: | أدوات زجاجية للمختبرات (باستثناء زجاج الكريستال) | الزجاج العام للحاويات والزجاج عديم اللون | الزجاجات والبرطمانات الزجاجية الشائعة |
3. الزجاج الكهروضوئي
يتم تصنيع الزجاج الكهروضوئي من صفائح الزجاج الأبيض الفائق من خلال المعالجة العميقة.
الزجاج فائق البياض، المعروف أيضًا باسم الزجاج منخفض الحديد أو عالي الشفافية، هو نوع جديد من الزجاج يتمتع بنفاذية ضوء عالية جدًا (≥ 91.5%)، ومحتوى حديد منخفض (عادةً 100-150 جزء في المليون)، ومظهر واضح للغاية.
نظرًا لأن الزجاج الكهروضوئي يجب أن يسمح بدخول أكبر قدر ممكن من الضوء، يتطلب رمل الكوارتز مع محتوى منخفض جدًا من الحديديمكن أن يؤدي الحديد الموجود في الرمال إلى تلطيخ الزجاج وتقليل نفاذية الضوء.
تضع معايير الصناعة JC/T 2314-2015 "مواد السيليكون الخام للزجاج الكهروضوئي" متطلبات جودة صارمة لرمل الكوارتز المستخدم في هذا النوع من الزجاج.
| المعلمة | الصف الأول | الصف الثاني |
|---|---|---|
| SiO₂/% | ≥99.5 | ≥99.0 |
| Al₂O₃/% | ≤0.20 | ≤0.50 |
| TiO₂/(ملغ/كغ) | ≤10 | ≤20 |
| Fe₂O₃/(ملغ/كغ) | ≤60 | ≤80 |
| Cr₂O₃/(ملغ/كغ) | ≤2 | ≤5 |
| بقايا غربال 1.0 مم/% | – | 0 |
| بقايا غربال 0.6 مم/% | ≤1.5 | ≤1.5 |
| 0.1 مم أصغر من الحجم الطبيعي/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
| الرطوبة الممتصة/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
يتم قياس نقاء رمل الكوارتز بشكل أساسي من خلال محتواه من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂). بالنسبة للزجاج الكهروضوئي، فإن محتوى SiO₂ المطلوب هو 99.99% على الأقل (يسمى مستوى 4N)، وتتطلب بعض المنتجات الراقية 99.998% (مستوى 4N8).
وهذا أعلى بكثير من الزجاج العادي، الذي يحتاج عادة إلى SiO₂ ≥ 99.5%، لأن الشوائب الصغيرة جدًا يمكن أن تقلل من نفاذية الضوء في الزجاج وتقلل من كفاءة الألواح الشمسية.
بعض المتطلبات الرئيسية:
• الحديد (Fe): يعد Fe₂O₃ مؤشرًا بالغ الأهمية، حيث يؤثر الحديد على اللون والشفافية.
يتطلب معيار JC/T 2314-2015 أن تكون نسبة Fe₂O₃ ≤ 100 جزء في المليون، ولكن العديد من الشركات المصنعة تتحكم فيها عند أقل من 50 جزء في المليون.
بالنسبة للزجاج فائق البياض، يجب أن تكون نسبة Fe₂O₃ ≤ 0.015% (150 جزء في المليون)، وغالبًا ما تتطلب المنتجات عالية الجودة ≤ 80 جزء في المليون.
• التيتانيوم (Ti): ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) ≤ 300 جزء في المليون. قد يؤدي وجود كمية كبيرة من التيتانيوم إلى اصفرار الزجاج وحجب الضوء.
• الألومنيوم (Al) والكالسيوم (Ca): Al₂O₃ ≤ 100 جزء في المليون، CaO ≤ 0.1%. قد تُسبب الكميات الكبيرة تكوّن بلورات عند درجات حرارة عالية أو تؤثر على كيفية ذوبان الزجاج.
• المعادن القلوية (K، Na): يجب أن يكون إجمالي K₂O + Na₂O ≤ 2.5 ميكروجرام/جرام لمنع تراكم القلويات السطحية ومشاكل التوصيل.
• العناصر النزرة: ب ≤ ٥ ميكروغرام/غرام، منجنيز ≤ ١ ميكروغرام/غرام. يجب أن تكون المعادن الثقيلة مثل الكروم والنيكل أقل من ٥ أجزاء في المليون لتجنب العيوب أو التأثير على الأداء الكهربائي.
حجم جسيمات رمل الكوارتز مهم أيضًا، فهو يؤثر على مدى تساوي ذوبان الزجاج وكمية الضوء التي يمر عبره.
يجب أن يكون حجم جزيئات رمل الكوارتز المستخدم في الزجاج الكهروضوئي بين 70-350 ميكرومتر، ويجب أن يقع ما لا يقل عن 90% من الرمل ضمن هذا النطاق. إذا كانت الجسيمات صغيرة جدًا (<100 ميكرومتر)، فإنها تذوب مبكرًا جدًا وتقلل من انتقال الحرارة.
إذا كانت الجسيمات كبيرة جدًا (>300 ميكرومتر)، فقد لا تذوب تمامًا وتسبب فقاعات أو حصوات في الزجاج.
متطلبات التصنيف النموذجية لرمل الكوارتز للزجاج الكهروضوئي:
• 0.1–0.25 مم (100–250 ميكرومتر): 5%–20%
• 0.25–0.5 مم (250–500 ميكرومتر): 20%–35%
4. الزجاج الإلكتروني
يشمل الزجاج الإلكتروني زجاج العرض، وزجاج التغطية عالي المتانة، وزجاج شاشات اللمس فائق الرقة. ومن الأمثلة على ذلك أغطية الهواتف المحمولة، وشاشات اللمس، وشاشات الأجهزة اللوحية. يُصنع معظم زجاج أغطية شاشات اللمس اليوم من زجاج سيليكات عالي الألومينا.
على سبيل المثال، يجب ألا يحتوي الزجاج المستخدم في ركائز شاشات الكريستال السائل ذات الترانزستور الرقيق (TFT-LCD) على أكاسيد فلزات قلوية. ولضمان الاستقرار الكيميائي ومنع الشوائب الضارة، يجب أن تخضع مادة الكوارتز الخام لعملية التخصيب والتنقية للتحكم في مستويات الحديد والبوتاسيوم والصوديوم.
توفر معايير الشركة Q/245400 KS02-2020 من Kaisheng Quartz Materials (Huangshan Co., Ltd.) متطلبات محددة لحجم الجسيمات والتركيب الكيميائي لمسحوق الكوارتز عالي النقاء المستخدم في ركائز زجاج TFT-LCD.
الجدول 1: متطلبات توزيع حجم الجسيمات (تحليل المنخل)
| المعلمة | +150 ميكرومتر (+100 شبكة) | -150 ميكرومتر~+106 ميكرومتر (-100~+140 شبكة) | -75 ميكرومتر~+45 ميكرومتر (-200~+325 شبكة) | -45 ميكرومتر~+20 ميكرومتر (-325~+635 شبكة) | -20 ميكرومتر (-635 شبكة) |
| معيار | 0 | ≤2.5% | ≥70% | 22-30% | 0 |
الجدول 2: متطلبات تحليل حجم جسيمات الليزر
| المعلمة | D₁₀ (ميكرومتر) | D₅₀ (ميكرومتر) | D₉₀ (ميكرومتر) |
| معيار | 30-35 | 56-62 | 88-98 |
الجدول 3: مواصفات التركيب الكيميائي
| المعلمة | ثاني أكسيد السيليكون | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | Na₂O+K₂O | كبريتات الكبريت | ثاني أكسيد التيتانيوم | الكروم + النيكل + الكوبالت + المنغنيز |
| الحد/% | ≥99.8 | ≤0.05 | ≤0.01 | ≤0.02 | ≤0.03 | ≤0.002 | ≤0.001 |
| المعلمة | أكسيد الكالسيوم | الكلور | أكسيد الماغنيسيوم | النحاس | ف | زر | خطاب النوايا |
| الحد/% | ≤0.02 | ≤0.001 | ≤0.003 | ≤0.001 | ≤0.001 | ≤0.001 | <0.1 |
5. زجاج الكوارتز
يُعتبر زجاج الكوارتز "جوهرة التاج" للمواد الزجاجية.
إنه مصنوع بالكامل من SiO₂ وله خصائص ميكانيكية وحرارية وبصرية وكهربائية ممتازة.
يستخدم زجاج الكوارتز على نطاق واسع في أشباه الموصلات، والأجهزة البصرية، والألياف البصرية، والطاقة الشمسية، وأكثر من ذلك.
يتميز بقدرة ممتازة على نقل الضوء عبر أطوال الموجات فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء (160–4500 نانومتر)، مما يجعله مهمًا للإضاءة الصناعية.
في الأجهزة البصرية، يتم استخدام زجاج الكوارتز في أجهزة قياس الطيف، وكاميرات الأشعة تحت الحمراء، والمناشير، والعدسات.
يمكنها أن تتحمل درجات حرارة عالية جدًا، عادةً ما بين 800 إلى 1000 درجة مئوية.
ويستخدم زجاج الكوارتز البصري أيضًا في معدات التصوير الفوتوغرافي ذات درجات الحرارة العالية، مثل نوافذ المراقبة، وأجهزة تحديد المدى، والتلسكوبات الكبيرة.
يتم تصنيع زجاج الكوارتز باستخدام رمل الكوارتز عالي النقاء، والذي تتم معالجته من خلال طرق الصهر الكهربائي أو تكرير الغاز.
مقارنة بين عمليات إنتاج مادة الكوارتز
| مادة | رمل الكريستال/الكوارتز الطبيعي | رمل الكريستال/الكوارتز الطبيعي | رباعي كلوريد السيليكون | رباعي كلوريد السيليكون |
| عملية | الاندماج الكهربائي: التسخين بمقاومة الضغط القوسي أو الفراغي | اندماج لهب الغاز: ذوبان لهب الأكسجين والهيدروجين | MCVD: التحلل المائي في لهب الأكسجين والهيدروجين | PCVD: أكسدة عالية الحرارة في لهب البلازما الخالي من الهيدروجين |
| ملكيات | – محتوى الهيدروكسيل: 150 جزء في المليون – المحتوى: 30-100 جزء في المليون - المعادن القلوية: 5-10 جزء في المليون | – محتوى الهيدروكسيل: 180-250 جزء في المليون – محتوى الألومنيوم: <20 جزء في المليون - المعادن القلوية: <5 جزء في المليون | – محتوى الهيدروكسيل: >1000 جزء في المليون – محتوى الهيدروجين: >100 جزء في المليون - شوائب معدنية: <1 جزء في المليون | – محتوى الهيدروكسيل: <5 جزء في المليون - الشوائب: <1 جزء في المليون – محتوى النيتروجين: <200 جزء في المليون – نطاق النقل: 0.18-3.5 ميكرومتر |
| المزايا | محتوى OH أقل من اندماج اللهب نقطة تليين أعلى بمقدار 50-100 درجة مئوية من الطرق الأخرى | - كفاءة حرارية عالية - خسارة مادية منخفضة - فقاعات قليلة - انتقال أفضل للأشعة فوق البنفسجية - مقاومة فائقة للتبلور - عمر أطول - انخفاض تكلفة الإنتاج | - شوائب منخفضة للغاية - تجانس بصري ممتاز - انتقال الأشعة فوق البنفسجية - مقاومة الإشعاع | – النقاء: >99.9999% - محتوى OH منخفض للغاية -تجانس بصري متميز |
| العيوب | محتوى معدني أعلى | محتوى OH أعلى نقطة تليين أقل من منتجات الاندماج الكهربائي | محتوى OH زائد ارتفاع تكلفة المواد الخام | ارتفاع تكاليف المواد الخام والإنتاج |
على سبيل المثال، تعد منتجات رمل الكوارتز عالية النقاء من شركة Sibelco (المعروفة سابقًا باسم Unimin) - مثل سلسلة IOTA6 وIOTASTD وIOTACG - مواد أساسية لصنع معدات الإضاءة مثل مصابيح زينون السيارات ومصابيح الهالوجين ومصابيح التفريغ عالية الكثافة ومصابيح الأداء العالي للغاية.
متطلبات عنصر الشوائب في رمل الكوارتز في تصنيع زجاج الكوارتز
| التطبيقات الصناعية | أصل | عناصر الشوائب الرئيسية ومحتواها (جزء في المليون) | |||||||
| ال | الحديد | تي | كا | ب | ك | نا | لي | ||
| مصدر الضوء الكهربائي | الصين | المجموع: 50-100 جزء في المليون | |||||||
| الصناعة الكيميائية | التشيكية | 42 | 3 | 3 | 8 | – | 18 | 5 | – |
| أشباه الموصلات | الصين | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4 | 1.8 |
| أشباه الموصلات (عالية الجودة) | الولايات المتحدة الأمريكية | 15 | 0.3 | – | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| روسيا | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.6 | – | |
| أنابيب الألياف البصرية | البرازيل | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.4 | – |
| العدسات البصرية | الولايات المتحدة الأمريكية | 8 | 0.05 | – | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
