O dióxido de silício é o principal componente estrutural do vidro. Ele contribui para que o vidro tenha alta resistência e boa estabilidade química. É por isso que A areia de quartzo é a matéria-prima industrial mais importante na indústria do vidro. É usado em vidro plano, vidro de recipiente, vidro ultratransparente, vidro fotovoltaico, vidro de quartzo e muito mais.
Segundo estatísticas, a produção de vidro plano da China em 2023 foi de 969,418 milhões de caixas. O consumo de areia de quartzo foi de cerca de 32,47 milhões de toneladas.
Também em 2023, a China produziu 24,783 milhões de toneladas de vidro laminado fotovoltaico. São necessárias cerca de 0,71 toneladas de areia de quartzo com baixo teor de ferro para produzir 1 tonelada de vidro fotovoltaico, portanto, o consumo total de areia de quartzo foi de cerca de 17,6 milhões de toneladas.
Com base nesses números, a China precisou de mais de 50 milhões de toneladas de areia de quartzo apenas para vidro plano e vidro fotovoltaico em 2023.
Os requisitos de qualidade da areia de quartzo na indústria vidreira se concentram principalmente em três aspectos: composição química, estabilidade e tamanho das partículas. Diferentes tipos de vidro requerem diferentes tipos de areia de quartzo.
Os principais tipos de produtos de vidro incluem vidro plano, vidro para recipientes, vidro temperado, vidro fotovoltaico e vidro eletrônico.
Atualmente, a China tem requisitos mais baixos para o quartzo usado em produtos de vidro comuns, como vidro plano e temperado. Esses tipos de quartzo podem vir de fontes grandes e fáceis de minerar, como arenito de quartzo e quartzito.
Para vidros ultratransparentes e com baixo teor de ferro, como o vidro fotovoltaico, a areia de quartzo precisa ser de qualidade ligeiramente superior. Ela pode ser produzida a partir de arenito de quartzo de alta qualidade, quartzo venoso, quartzito ou areia de quartzo natural.
O vidro de quartzo precisa de areia de quartzo de alta pureza.
1. Vidro plano
Desde 1988, a China é a maior produtora mundial de vidro plano há 35 anos consecutivos. Outros países ainda não alcançaram o mesmo nível.
Em 2024, a produção de vidro plano das principais empresas da China deverá atingir 1 bilhão de caixas de peso, um aumento de 2,9% em relação ao ano anterior.
O vidro plano é o material básico utilizado no processamento posterior do vidro. Geralmente se refere ao vidro plano comum, também conhecido como vidro original ou transparente. É o tipo de vidro mais utilizado.
Produtos de vidro plano incluem vidro aramado, vidro estampado, tijolos de vidro, vidro isolante e outros.
Diferentes produtos de vidro plano têm diferentes requisitos de areia de quartzo. Com base na composição química e no tamanho das partículas, a areia de quartzo usada em vidro plano é dividida em dois tipos:
Classe I: menor teor de óxido de alumínio (Al₂O₃)
Classe II: maior teor de óxido de alumínio
O padrão industrial JC/T 529-2000 “Matérias-primas de sílica para vidro plano” define requisitos para a composição química, tamanho de partícula e outras propriedades da areia de quartzo usada em vidro plano.
Composição química e requisitos de teor de umidade da areia de quartzo para vidro plano
| Quartzo Grau de areia | w(SiO₂)/% | w(Al₂O₃)/% | w(Fe₂O₃)/% | w(H₂O)/% |
|---|---|---|---|---|
| Classe I | ||||
| Grau Premium | ≥98,50 | ≤0,50 | ≤0,05 | |
| ≥98,00 | ≤1,20 | |||
| Primeira série | ≥98,50 | ≤0,70 | ≤0,10 | |
| ≥97,50 | ≤1,20 | ≤5,00 | ||
| Segunda série | ≥98,00 | ≤0,70 | ≤0,15 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Terceira série | ≥98,00 | ≤0,70 | ≤0,20 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Classe II | ||||
| Primeira série | ≥92,00 | ≤4,00 | ≤0,20 | |
| Segunda série | ≥90,50 | ≤4,50 | ≤0,30 |
Requisitos de valor de flutuação da composição química em areia de quartzo para vidro plano
| Grau de areia de quartzo | Valor de flutuação da composição química % | ||
| SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | |
| Classe I | |||
| Grau Premium | ±0,20 | ±0,10 | ±0,01 |
| Primeira série | ±0,30 | ±0,15 | – |
| Segunda série | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Terceira série | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Classe II | |||
| Primeira série | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Segunda série | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Grau de areia de quartzo | Composição do tamanho das partículas / % | |||
| +1 mm | +710 µm | +500 µm | -100 µm (-125 µm) | |
| Classe I | ||||
| Grau Premium | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
| Primeira série | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤10,0 (5,0) |
| Segunda série | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤20,0 (8,0) |
| Terceira série | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤20,0 (8,0) |
| Classe II | ||||
| Primeira série | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
| Segunda série | ≤0(0) | ≤0,5(0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
Observação:Os valores entre parênteses são os requisitos para produtos de areia de sílica natural.
2. Copo Diário
O vidro de uso diário inclui garrafas, recipientes, vidraria de laboratório e vidro farmacêutico. Estes são usados para embalagens em comida, indústrias de bebidas, cervejarias e farmacêuticas — por exemplo, garrafas de cerveja, copos, decorações de vidro e frascos de remédios.
O vidro borossilicato farmacêutico deve resistir ao calor e à corrosão química.
A areia de quartzo derrete a uma temperatura elevada de cerca de 1730°C. O tamanho das partículas de quartzo afeta a formação do vidro.
Na produção real, os grãos de quartzo devem ser angulares e ter uma grande área de superfície, o que ajuda a evitar a separação dos materiais durante a mistura. A faixa ideal de tamanho de partícula é de 60 a 140 mesh.
A norma industrial DZ/T 0207-2002 “Especificações para Exploração Geológica de Matérias-Primas de Sílica de Vidro” descreve os requisitos de qualidade para areia de quartzo usada em recipientes de vidro.
Requisitos de qualidade da areia de quartzo para recipientes de vidro
| Indicador | Grau 1 | Grau 2 | 3ª série |
|---|---|---|---|
| w(SiO₂)/% | >99 | >96 | >90 |
| w(Al₂O₃)/% | <1,0 | <2,0 | <4,0 |
| w(Fe₂O₃)/% | <0,05 | <0,10 | <0,35 |
| w(Cr₂O₃)/% | <0,001 | — | — |
| Observação: | Vidraria de laboratório (exceto cristal) | Vidro para recipientes em geral e vidro incolor | Vidro comum para garrafas e jarras |
3. Vidro Fotovoltaico
O vidro fotovoltaico é feito de folhas de vidro ultra-branco por meio de processamento profundo.
O vidro ultrabranco, também conhecido como vidro com baixo teor de ferro ou alta transparência, é um novo tipo de vidro com transmitância de luz muito alta (≥ 91,5%), baixo teor de ferro (normalmente 100–150 ppm) e uma aparência extremamente clara.
Como o vidro fotovoltaico deve deixar entrar o máximo de luz possível, requer areia de quartzo com teor de ferro muito baixo. O ferro na areia pode manchar o vidro e reduzir a transmissão de luz.
O padrão industrial JC/T 2314-2015 “Matérias-primas de silício para vidro fotovoltaico” estabelece requisitos de qualidade rigorosos para areia de quartzo usada neste tipo de vidro.
| Parâmetro | Grau 1 | Grau 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 |
| Resíduo de peneira de 1,0 mm/% | – | 0 |
| Resíduo de peneira de 0,6 mm/% | ≤1,5 | ≤1,5 |
| 0,1 mm menor que o tamanho original/% | ≤5,0 | ≤5,0 |
| Umidade adsorvida/% | ≤5,0 | ≤5,0 |
A pureza da areia de quartzo é medida principalmente pelo seu teor de dióxido de silício (SiO₂). Para vidro fotovoltaico, o teor de SiO₂ necessário é de pelo menos 99,99% (chamado de nível 4N), e alguns produtos de ponta exigem até 99,998% (nível 4N8).
Isso é muito maior do que o vidro comum, que geralmente precisa de SiO₂ ≥ 99,5%, porque mesmo pequenas impurezas podem diminuir a transmitância de luz do vidro e reduzir a eficiência dos painéis solares.
Alguns requisitos principais:
• Ferro (Fe): Fe₂O₃ é um indicador crítico, pois o ferro afeta a cor e a transparência.
A norma JC/T 2314-2015 exige Fe₂O₃ ≤ 100 ppm, mas muitos fabricantes controlam abaixo de 50 ppm.
Para vidro ultrabranco, Fe₂O₃ deve ser ≤ 0,015% (150 ppm), e produtos de alta qualidade geralmente requerem ≤ 80 ppm.
• Titânio (Ti): TiO₂ ≤ 300 ppm. O excesso de titânio pode amarelar o vidro e bloquear a luz.
• Alumínio (Al) e Cálcio (Ca): Al₂O₃ ≤ 100 ppm, CaO ≤ 0,1%. Quantidades elevadas podem causar a formação de cristais em altas temperaturas ou afetar a fusão do vidro.
• Metais alcalinos (K, Na): O total de K₂O + Na₂O deve ser ≤ 2,5 μg/g para evitar acúmulo de álcali na superfície e problemas de condutividade.
• Oligoelementos: B ≤ 5 μg/g, Mn ≤ 1 μg/g. Minerais pesados como Cr e Ni devem ter ≤ 5 ppm para evitar defeitos ou afetar o desempenho elétrico.
O tamanho das partículas da areia de quartzo também importa. Ele afeta a uniformidade da fusão do vidro e a quantidade de luz que ele consegue atravessar.
A areia de quartzo para vidro fotovoltaico deve ter um tamanho de partícula entre 70–350 μm, e pelo menos 90% da areia deve estar dentro dessa faixa. Se as partículas forem muito pequenas (<100 μm), elas derretem muito cedo e reduzem a transferência de calor.
Se as partículas forem muito grandes (>300 μm), elas podem não derreter completamente e causar bolhas ou pedras no vidro.
Requisitos típicos de classificação para areia de quartzo para vidro fotovoltaico:
• 0,1–0,25 mm (100–250 μm): 5%–20%
• 0,25–0,5 mm (250–500 μm): 20%–35%
4. Vidro Eletrônico
O vidro eletrônico inclui o vidro de substrato de tela, o vidro de cobertura de alta resistência e o vidro ultrafino para telas sensíveis ao toque. Exemplos incluem capas para celulares, telas sensíveis ao toque e telas de tablets. A maioria dos vidros de cobertura para telas sensíveis ao toque hoje em dia é feita de vidro de silicato de alta alumina.
Por exemplo, o vidro utilizado em substratos TFT-LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) não deve conter óxidos de metais alcalinos. Para garantir a estabilidade química e evitar impurezas nocivas, a matéria-prima de quartzo deve passar por beneficiamento e purificação para controlar os níveis de Fe, K e Na.
O padrão da empresa Q/245400 KS02-2020 da Kaisheng Quartz Materials (Huangshan Co., Ltd.) fornece requisitos específicos para o tamanho de partícula e composição química do pó de quartzo de alta pureza usado em substratos de vidro TFT-LCD.
Tabela 1: Requisitos de distribuição de tamanho de partículas (análise granulométrica)
| Parâmetro | +150μm (+100 malhas) | -150μm~+106μm (-100~+140 malhas) | -75μm~+45μm (-200~+325 malhas) | -45μm~+20μm (malha de -325~+635) | -20μm (malha -635) |
| Padrão | 0 | ≤2,5% | ≥70% | 22-30% | 0 |
Tabela 2: Requisitos para análise do tamanho de partículas a laser
| Parâmetro | D₁₀ (μm) | D₅₀ (μm) | D₉₀ (μm) |
| Padrão | 30-35 | 56-62 | 88-98 |
Tabela 3: Especificações da Composição Química
| Parâmetro | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | Na₂O+K₂O | SO₃ | TiO₂ | Cr+Ni+Co+Mn |
| Limite/% | ≥99,8 | ≤0,05 | ≤0,01 | ≤0,02 | ≤0,03 | ≤0,002 | ≤0,001 |
| Parâmetro | CaO | Cl | MgO | Cu | F | Zr | Carta de Inquérito |
| Limite/% | ≤0,02 | ≤0,001 | ≤0,003 | ≤0,001 | ≤0,001 | ≤0,001 | <0,1 |
5. Vidro de quartzo
O vidro de quartzo é considerado a “joia da coroa” dos materiais de vidro.
É feito inteiramente de SiO₂ e tem excelentes propriedades mecânicas, térmicas, ópticas e elétricas.
O vidro de quartzo é amplamente utilizado em semicondutores, dispositivos ópticos, fibras ópticas, energia solar e muito mais.
Possui excelente transmissão de luz nos comprimentos de onda UV, visível e infravermelho (160–4500 nm), o que o torna importante para iluminação industrial.
Em instrumentos ópticos, o vidro de quartzo é usado em espectrômetros, câmeras infravermelhas, prismas e lentes.
Ele pode suportar temperaturas muito altas, normalmente entre 800–1000°C.
O vidro óptico de quartzo também é usado em equipamentos fotográficos de alta temperatura, como janelas de observação, telêmetros e grandes telescópios.
O vidro de quartzo é feito usando areia de quartzo de alta pureza, processada por meio de métodos de fusão elétrica ou refino a gás.
Comparação de processos de produção de materiais de quartzo
| Material | Areia de cristal/quartzo natural | Areia de cristal/quartzo natural | Tetracloreto de silício | Tetracloreto de silício |
| Processo | Fusão elétrica: aquecimento por resistência à pressão a arco ou a vácuo | Fusão de chama de gás: fusão por chama de oxi-hidrogênio | MCVD: Hidrólise em chama de oxi-hidrogênio | PCVD: Oxidação de alta temperatura em chama de plasma sem hidrogênio |
| Propriedades | – Conteúdo de OH: 150 ppm – Conteúdo de IA: 30-100 ppm – Metais alcalinos: 5-10 ppm | – Teor de OH: 180-250 ppm – Teor de Al: <20ppm – Metais alcalinos: <5ppm | – Conteúdo de OH: >1000ppm – Teor de H: >100ppm – Impurezas metálicas: <1ppm | – Conteúdo de OH: <5ppm – Impurezas: <1ppm – Teor de N: <200ppm – Faixa de transmissão: 0,18-3,5μm |
| Vantagens | Menor teor de OH do que a fusão por chama Ponto de amolecimento 50-100°C mais alto do que outros métodos | – Alta eficiência térmica – Baixa perda de material – Poucas bolhas – Melhor transmissão UV – Resistência superior à cristalização – Maior vida útil – Menor custo de produção | – Impurezas ultrabaixas – Excelente homogeneidade óptica – Transmissão UV – Resistência à radiação | – Pureza: >99,9999% – Conteúdo de OH extremamente baixo -Excelente homogeneidade óptica |
| Desvantagens | Maior teor de metal | Maior teor de OH Ponto de amolecimento mais baixo do que os produtos de fusão elétrica | Conteúdo excessivo de OH Alto custo de matéria-prima | Altos custos de matéria-prima e produção |
Por exemplo, produtos de areia de quartzo de alta pureza da Sibelco (antiga Unimin) — como as séries IOTA6, IOTASTD e IOTACG — são materiais essenciais para a fabricação de equipamentos de iluminação, como lâmpadas automotivas de xenônio, lâmpadas halógenas, lâmpadas de descarga de alta intensidade e lâmpadas de ultra-alto desempenho.
Requisitos de elementos de impureza para areia de quartzo na fabricação de vidro de quartzo
| Aplicação industrial | Origem | Principais elementos e conteúdo de impurezas (ppm) | |||||||
| Al | Fé | Ti | Ca | B | K | N / D | Li | ||
| Fonte de luz elétrica | China | Total: 50-100 ppm | |||||||
| Indústria química | tcheco | 42 | 3 | 3 | 8 | – | 18 | 5 | – |
| Semicondutor | China | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4 | 1.8 |
| Semicondutor (Alto grau) | EUA | 15 | 0.3 | – | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| Rússia | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.6 | – | |
| Tubos de fibra óptica | Brasil | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.4 | – |
| Lentes Ópticas | EUA | 8 | 0.05 | – | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
