二酸化ケイ素はガラスの主要な構成成分であり、ガラスの高い強度と優れた化学的安定性に貢献しています。そのため、 石英砂はガラス産業において最も重要な工業原料である。板ガラス、容器ガラス、高透明ガラス、太陽光発電ガラス、石英ガラスなどに使用されています。
統計によると、2023年の中国の板ガラス生産量は9億6,941万8千重量箱、石英砂消費量は約3,247万トンでした。
また、2023年には、中国の太陽光発電用ロールガラス生産量は2,478万3千トンでした。太陽光発電用ガラス1トンを製造するには、約0.71トンの低鉄石英砂が必要となるため、石英砂の総消費量は約1,760万トンとなります。
これらの数字に基づくと、中国は2023年に板ガラスと太陽光発電ガラス用だけで5,000万トン以上の石英砂を必要としたことになる。
ガラス業界における石英砂の品質要件は、主に化学組成、安定性、粒子サイズの3つに重点が置かれています。ガラスの種類によって、必要な石英砂の種類も異なります。
主なガラス製品の種類には、板ガラス、容器ガラス、強化ガラス、太陽光発電ガラス、電子ガラスなどがあります。
現在、中国では板ガラスや強化ガラスといった一般的なガラス製品に使用される石英に対する要件が緩和されています。これらの種類の石英は、石英砂岩や珪岩といった、採掘が容易で大きな資源から産出されます。
太陽光発電用ガラスのような低鉄・超高透明ガラスの場合、石英砂はより高品質なものが必要です。これは、高級石英砂岩、鉱脈石英、珪岩、または天然石英砂から製造できます。
石英ガラスには高純度の石英砂が必要です。
1. 板ガラス
中国は1988年以来、35年連続で世界最大の板ガラス生産国であり、他国はまだ追いついていません。
2024年、中国の主要企業による板ガラス生産量は10億重量箱に達し、前年より2.9%増加すると予想されています。
板ガラスは、ガラス加工のベースとなる材料です。通常は、一般的な板ガラス（原板ガラス、透明ガラスとも呼ばれます）を指します。最も広く使用されているガラスの種類です。
板ガラス製品には、網入りガラス、模様付きガラス、ガラスブロック、断熱ガラスなどが含まれます。
板ガラス製品の種類によって、必要な石英砂の量は異なります。板ガラスに使用される石英砂は、化学組成と粒子サイズに基づいて、以下の2つのグレードに分けられます。
クラスI：酸化アルミニウム（Al₂O₃）含有量が低い
クラスII：酸化アルミニウム含有量が高い
業界標準 JC/T 529-2000「板ガラス用シリカ原料」は、板ガラスに使用される石英砂の化学組成、粒子サイズ、およびその他の特性に関する要件を定めています。
板ガラス用石英砂の化学組成と水分含有量要件
| 石英 砂のグレード | w(SiO₂)/% | w(Al₂O₃)/% | w(Fe₂O₃)/% | w(H₂O)/% |
|---|---|---|---|---|
| クラスI | ||||
| プレミアムグレード | ≥98.50 | ≤0.50 | ≤0.05 | |
| ≥98.00 | ≤1.20 | |||
| 1年生 | ≥98.50 | ≤0.70 | ≤0.10 | |
| ≥97.50 | ≤1.20 | ≤5.00 | ||
| 2年生 | ≥98.00 | ≤0.70 | ≤0.15 | |
| ≥96.50 | ≤1.50 | |||
| 3年生 | ≥98.00 | ≤0.70 | ≤0.20 | |
| ≥96.50 | ≤1.50 | |||
| クラスII | ||||
| 1年生 | ≥92.00 | ≤4.00 | ≤0.20 | |
| 2年生 | ≥90.50 | ≤4.50 | ≤0.30 |
板ガラス用石英砂の化学組成の変動値要件
| クォーツサンドグレード | 化学組成の変動値 % | ||
| SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | |
| クラスI | |||
| プレミアムグレード | ±0.20 | ±0.10 | ±0.01 |
| 1年生 | ±0.30 | ±0.15 | – |
| 2年生 | ±0.30 | ±0.20 | – |
| 3年生 | ±0.30 | ±0.20 | – |
| クラスII | |||
| 1年生 | ±0.30 | ±0.20 | – |
| 2年生 | ±0.30 | ±0.20 | – |
| クォーツサンドグレード | 粒度組成 / % | |||
| +1mm | +710 µm | +500 µm | -100µm(-125µm) | |
| クラスI | ||||
| プレミアムグレード | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| 1年生 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤10.0 (5.0) |
| 2年生 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20.0 (8.0) |
| 3年生 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20.0 (8.0) |
| クラスII | ||||
| 1年生 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| 2年生 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
注記：括弧内の値は天然珪砂製品の要件です。
2. デイリーグラス
日常的に使用されるガラスには、ボトル、容器、実験用ガラス器具、医薬品用ガラスなどが含まれます。これらは包装に使用されます。 食べ物、飲料、醸造、製薬業界向け（ビール瓶、コップ、ガラス装飾品、薬瓶など）
医薬品用ホウケイ酸ガラスは、熱と化学腐食に耐える必要があります。
石英砂は約1730℃の高温で融解します。石英の粒子の大きさはガラスの形成に影響を与えます。
実際の生産においては、石英粒子は角張っていて表面積が大きいことが求められます。これにより、混合中の材料の分離を防ぐことができます。理想的な粒子径は60～140メッシュです。
業界標準 DZ/T 0207-2002「ガラスシリカ原材料の地質探査仕様」には、容器ガラスに使用される石英砂の品質要件が概説されています。
容器ガラス用石英砂の品質要件
| インジケータ | グレード1 | グレード2 | 3年生 |
|---|---|---|---|
| w(SiO₂)/% | >99 | >96 | 90歳以上 |
| w(Al₂O₃)/% | <1.0 | <2.0 | <4.0 |
| w(Fe₂O₃)/% | <0.05 | <0.10 | <0.35 |
| w(Cr₂O₃)/% | <0.001 | — | — |
| 注記： | 実験用ガラス器具（クリスタルガラスを除く） | 一般容器ガラスおよび無色ガラス | 一般的なボトルや瓶のガラス |
3. 太陽光発電ガラス
太陽光発電ガラスは、高度な加工を施した超白色ガラスシートから作られています。
超白ガラスは、低鉄ガラスまたは高透明ガラスとも呼ばれ、光透過率が非常に高く (91.5% 以上)、鉄含有量が低く (通常 100～150 ppm)、外観が非常に透明な新しいタイプのガラスです。
太陽光発電ガラスはできるだけ多くの光を取り込む必要があるため、 鉄含有量が非常に少ない石英砂が必要です砂に含まれる鉄分はガラスにシミを残し、光の透過率を低下させる可能性があります。
業界標準 JC/T 2314-2015「太陽光発電ガラス用シリコン原料」では、このタイプのガラスに使用される石英砂に対して厳しい品質要件を定めています。
| パラメータ | グレード1 | グレード2 |
|---|---|---|
| SiO₂/% | ≥99.5 | ≥99.0 |
| Al₂O₃/% | ≤0.20 | ≤0.50 |
| TiO₂/(mg/kg) | ≤10 | ≤20 |
| Fe₂O₃/(mg/kg) | ≤60 | ≤80 |
| Cr₂O₃/(mg/kg) | ≤2 | ≤5 |
| 1.0 mmふるい残渣/% | – | 0 |
| 0.6mmふるい残渣/% | ≤1.5 | ≤1.5 |
| 0.1 mmアンダーサイズ/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
| 吸着水分/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
石英砂の純度は主に二酸化ケイ素 (SiO₂) の含有量によって測定されます。 太陽光発電ガラスの場合、要求されるSiO₂含有量は少なくとも99.99%（4Nレベルと呼ばれる）であり、一部の高級製品では99.998%（4N8レベル）も要求されます。
これは通常のガラスよりもはるかに高い数値です。通常のガラスでは通常、SiO₂ ≥ 99.5% が必要です。これは、わずかな不純物でもガラスの光透過率が低下し、ソーラーパネルの効率が低下する可能性があるためです。
主な要件:
• 鉄（Fe）： 鉄は色と透明度に影響を与えるため、Fe₂O₃ は重要な指標です。
JC/T 2314-2015 規格では Fe₂O₃ ≤ 100 ppm が求められていますが、多くのメーカーは 50 ppm 未満で制御しています。
超白ガラスの場合、Fe₂O₃ は ≤ 0.015% (150 ppm) である必要があり、高級製品では ≤ 80 ppm が求められることが多いです。
• チタン（Ti）： TiO₂ ≤ 300 ppm。チタンが多すぎるとガラスが黄色くなり、光を遮る可能性があります。
• アルミニウム（Al）とカルシウム（Ca）： Al₂O₃ ≤ 100 ppm、CaO ≤ 0.1%。含有量が多いと、高温で結晶形成を引き起こしたり、ガラスの溶解に影響を与える可能性があります。
• アルカリ金属（K、Na）： 表面のアルカリ蓄積と導電性の問題を防ぐには、K₂O + Na₂O の合計が 2.5 μg/g 以下である必要があります。
• 微量元素: B ≤ 5 μg/g、Mn ≤ 1 μg/g。CrやNiなどの重鉱物は、欠陥の発生や電気性能への影響を防ぐため、5 ppm以下に抑える必要があります。
石英砂の粒子の大きさも重要です。ガラスがどれだけ均一に溶けるか、そしてどれだけの光を透過できるかに影響します。
太陽光発電ガラス用の石英砂の粒径は 70 ～ 350 μm で、少なくとも 90% の砂がこの範囲内に収まる必要があります。 粒子が小さすぎる場合（<100 μm）、早く溶けてしまい、熱伝達が低下します。
粒子が大きすぎる場合（300 μm超）、完全に溶けず、ガラスに泡や石が入ることがあります。
太陽光発電ガラス用石英砂の一般的な分類要件：
• 0.1～0.25 mm (100～250 μm): 5%～20%
• 0.25～0.5 mm (250～500 μm): 20%～35%
4. 電子ガラス
電子部品用ガラスには、ディスプレイ基板用ガラス、高強度カバーガラス、超薄型タッチスクリーン用ガラスが含まれます。例としては、携帯電話のカバー、タッチスクリーン、タブレットのディスプレイなどが挙げられます。現在、タッチスクリーン用カバーガラスのほとんどは、高アルミナケイ酸塩ガラスで作られています。
例えば、TFT-LCD（薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ）基板に使用されるガラスには、アルカリ金属酸化物が含まれていてはなりません。化学的安定性を確保し、有害な不純物の混入を防ぐため、石英原料は選鉱・精製工程を経て、Fe、K、Naの含有量を管理する必要があります。
凱盛石英材料（黄山有限公司）の社内規格 Q/245400 KS02-2020 は、TFT-LCD ガラス基板に使用される高純度石英粉末の粒子サイズと化学組成に関する具体的な要件を規定しています。
表1：粒度分布要件（ふるい分析）
| パラメータ | +150μm（+100メッシュ） | -150μm～+106μm（-100～+140メッシュ） | -75μm～+45μm（-200～+325メッシュ） | -45μm～+20μm（-325～+635メッシュ） | -20μm（-635メッシュ） |
| 標準 | 0 | ≤2.5% | ≥70% | 22-30% | 0 |
表2: レーザー粒子サイズ分析の要件
| パラメータ | D₁₀（μm） | D₅₀（μm） | D₉₀（μm） |
| 標準 | 30-35 | 56-62 | 88-98 |
表3：化学組成仕様
| パラメータ | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | Na₂O+K₂O | SO₃ | 二酸化チタン | Cr+Ni+Co+Mn |
| リミット/% | ≥99.8 | ≤0.05 | ≤0.01 | ≤0.02 | ≤0.03 | ≤0.002 | ≤0.001 |
| パラメータ | 酸化カルシウム | 塩素 | 酸化マグネシウム | 銅 | F | Zr | LOI |
| リミット/% | ≤0.02 | ≤0.001 | ≤0.003 | ≤0.001 | ≤0.001 | ≤0.001 | <0.1 |
5. 石英ガラス
石英ガラスはガラス材料の「最高峰」と考えられています。
完全に SiO₂ から作られており、優れた機械的、熱的、光学的、電気的特性を備えています。
石英ガラスは、半導体、光学機器、光ファイバー、太陽エネルギーなどに広く使用されています。
紫外線、可視光線、赤外線の波長 (160～4500 nm) にわたって優れた光透過率を備えているため、産業用照明に重要です。
光学機器では、石英ガラスは分光計、赤外線カメラ、プリズム、レンズなどに使用されます。
通常 800 ～ 1000°C の非常に高い温度に耐えることができます。
光学石英ガラスは、観測窓、距離計、大型望遠鏡などの高温写真撮影機器にも使用されています。
石英ガラスは、高純度の石英砂を電気溶解法またはガス精製法で加工して作られます。
石英材料製造プロセスの比較
| 材料 | 天然水晶/クォーツサンド | 天然水晶/クォーツサンド | 四塩化ケイ素 | 四塩化ケイ素 |
| プロセス | 電気溶融：アークまたは真空圧力抵抗加熱 | ガス炎溶融：酸素水素炎溶融 | MCVD: 酸素水素炎中での加水分解 | PCVD：水素フリープラズマ炎による高温酸化 |
| プロパティ | – OH含有量：150ppm – Al含有量: 30～100ppm – アルカリ金属: 5～10ppm | – OH含有量：180～250ppm – アルミニウム含有量: <20ppm – アルカリ金属: <5ppm | – OH含有量: >1000ppm – 水素含有量: >100ppm – 金属不純物：<1ppm | – OH含有量: <5ppm – 不純物: <1ppm – 窒素含有量: <200ppm – 伝送範囲: 0.18～3.5μm |
| 利点 | 炎溶融よりも低いOH含有量 他の方法よりも50～100℃高い軟化点 | – 高い熱効率 – 材料損失が少ない – 泡が少ない – 優れた紫外線透過率 – 優れた結晶化耐性 – 寿命が延びる – 生産コストの低減 | – 極めて低い不純物 – 優れた光学的均一性 – 紫外線透過率 – 放射線耐性 | – 純度: >99.9999% – 極めて低いOH含有量 -優れた光学的均一性 |
| デメリット | 金属含有量が多い | OH含有量が高い 電気融着製品よりも軟化点が低い | 過剰なOH含有量 原材料費の高騰 | 原材料費と生産コストが高い |
たとえば、Sibelco（旧Unimin）の高純度石英砂製品（IOTA6、IOTASTD、IOTACGシリーズなど）は、自動車用キセノンランプ、ハロゲンランプ、高輝度放電ランプ、超高性能ランプなどの照明器具の製造に欠かせない材料です。
石英ガラス製造における石英砂の不純物元素要件
| 産業用途 | 起源 | 主な不純物元素と含有量（ppm） | |||||||
| アル | 鉄 | ティ | カルシウム | B | K | ナ | 李 | ||
| 電気光源 | 中国 | 合計: 50～100 ppm | |||||||
| 化学産業 | チェコ語 | 42 | 3 | 3 | 8 | – | 18 | 5 | – |
| 半導体 | 中国 | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4 | 1.8 |
| 半導体（高級） | アメリカ合衆国 | 15 | 0.3 | – | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| ロシア | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.6 | – | |
| 光ファイバーチューブ | ブラジル | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.4 | – |
| 光学レンズ | アメリカ合衆国 | 8 | 0.05 | – | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
