Silisyum dioksit, camın ana yapısal bileşenidir. Camın yüksek mukavemete ve iyi kimyasal kararlılığa sahip olmasına yardımcı olur. Bu yüzden Kuvars kumu, cam endüstrisindeki en önemli endüstriyel hammaddedir.. Düz cam, konteyner camı, ultra şeffaf cam, fotovoltaik cam, kuvars cam ve daha birçok cam türünde kullanılır.
İstatistiklere göre, Çin'in 2023 yılındaki düz cam üretimi 969,418 milyon ağırlık kutusu, kuvars kumu tüketimi ise yaklaşık 32,47 milyon ton olarak gerçekleşti.
Ayrıca 2023 yılında Çin, 24.783 milyon ton fotovoltaik rulo cam üretti. 1 ton fotovoltaik cam üretmek için yaklaşık 0,71 ton düşük demirli kuvars kumu gerektiğinden, toplam kuvars kumu tüketimi yaklaşık 17,6 milyon ton oldu.
Bu rakamlara göre, Çin'in 2023 yılında sadece düz cam ve fotovoltaik cam üretimi için 50 milyon tondan fazla kuvars kumuna ihtiyacı vardı.
Cam endüstrisinde kuvars kumu için kalite gereksinimleri esas olarak üç şeye odaklanır: kimyasal bileşim, kararlılık ve parçacık boyutu. Farklı cam türleri farklı kuvars kumu türlerine ihtiyaç duyar.
Başlıca cam ürün türleri arasında düz cam, konteyner camı, temperli cam, fotovoltaik cam ve elektronik cam yer almaktadır.
Şu anda Çin, düz cam ve temperli cam gibi normal cam ürünlerinde kullanılan kuvars için daha düşük gereksinimlere sahip. Bu tür kuvarslar, kuvars kumtaşı ve kuvarsit gibi büyük ve kolay çıkarılabilen kaynaklardan elde edilebiliyor.
Fotovoltaik cam gibi düşük demir içerikli, ultra şeffaf camlar için kuvars kumunun biraz daha yüksek kalitede olması gerekir. Bu, yüksek kaliteli kuvars kumtaşı, damarlı kuvars, kuvarsit veya doğal kuvars kumundan elde edilebilir.
Kuvars cam üretimi için yüksek saflıkta kuvars kumu gereklidir.
1. Düz Cam
Çin, 1988'den beri 35 yıldır aralıksız olarak dünyanın en büyük düz cam üreticisi konumunda. Diğer ülkeler henüz bu seviyeye ulaşamadı.
2024 yılında, Çin'deki büyük işletmelerin düz cam üretiminin 1 milyar ağırlık kutusuna ulaşması ve bir önceki yıla göre 2,91 milyon ton artış göstermesi bekleniyor.
Düz cam, cam işleme süreçlerinde kullanılan temel malzemedir. Genellikle orijinal veya şeffaf cam olarak da bilinen yaygın düz camı ifade eder. En yaygın kullanılan cam türüdür.
Düz cam ürünleri arasında telli cam, desenli cam, cam tuğlalar, ısı yalıtımlı cam ve diğerleri bulunur.
Farklı düz cam ürünleri farklı kuvars kumu gereksinimlerine sahiptir. Düz camda kullanılan kuvars kumu, kimyasal bileşimine ve parçacık boyutuna bağlı olarak iki sınıfa ayrılır:
Sınıf I: daha düşük alüminyum oksit (Al₂O₃) içeriği
Sınıf II: daha yüksek alüminyum oksit içeriği
Endüstri standardı JC/T 529-2000 “Düz Cam İçin Silika Hammaddeleri”, düz camda kullanılan kuvars kumunun kimyasal bileşimi, parçacık boyutu ve diğer özelliklerine ilişkin gereksinimleri belirler.
Düz Cam Üretimi İçin Kuvars Kumunun Kimyasal Bileşimi ve Nem İçeriği Gereksinimleri
| Kuvars Kum Sınıfı | w(SiO₂)/% | w(Al₂O₃)/% | w(Fe₂O₃)/% | w(H₂O)/% |
|---|---|---|---|---|
| Sınıf I | ||||
| Üstün Kalite | ≥98,50 | ≤0,50 | ≤0,05 | |
| ≥98.00 | ≤1.20 | |||
| Birinci Sınıf | ≥98,50 | ≤0,70 | ≤0,10 | |
| ≥97,50 | ≤1.20 | ≤5.00 | ||
| İkinci Sınıf | ≥98.00 | ≤0,70 | ≤0,15 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Üçüncü Sınıf | ≥98.00 | ≤0,70 | ≤0,20 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| II. Sınıf | ||||
| Birinci Sınıf | ≥92.00 | ≤4,00 | ≤0,20 | |
| İkinci Sınıf | ≥90,50 | ≤4,50 | ≤0,30 |
Düz Cam Üretimi İçin Kuvars Kumunun Kimyasal Bileşiminde Gerekli Dalgalanma Değerleri
| Kuvars Kumu Kalitesi | Kimyasal Bileşimin Dalgalanma Değeri % | ||
| SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | |
| Sınıf I | |||
| Üstün Kalite | ±0,20 | ±0,10 | ±0,01 |
| Birinci Sınıf | ±0,30 | ±0,15 | – |
| İkinci Sınıf | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Üçüncü Sınıf | ±0,30 | ±0,20 | – |
| II. Sınıf | |||
| Birinci Sınıf | ±0,30 | ±0,20 | – |
| İkinci Sınıf | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Kuvars Kumu Kalitesi | Parçacık Boyutu Bileşimi / % | |||
| +1 mm | +710 µm | +500 µm | -100 µm (-125 µm) | |
| Sınıf I | ||||
| Üstün Kalite | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| Birinci Sınıf | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤10.0 (5.0) |
| İkinci Sınıf | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20.0 (8.0) |
| Üçüncü Sınıf | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20.0 (8.0) |
| II. Sınıf | ||||
| Birinci Sınıf | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| İkinci Sınıf | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
NotParantez içindeki değerler, doğal silika kum ürünleri için gereken değerlerdir.
2. Günlük Bardak
Günlük kullanımda olan cam eşyalar arasında şişeler, kaplar, laboratuvar cam eşyaları ve ilaç üretiminde kullanılan cam eşyalar bulunur. Bunlar ambalajlama amacıyla kullanılır. yiyecek, Örneğin, içecek, bira ve ilaç endüstrilerinde kullanılan cam eşyalar arasında bira şişeleri, içme bardakları, cam süs eşyaları ve ilaç şişeleri yer almaktadır.
İlaç sektöründe kullanılan borosilikat cam, ısıya ve kimyasal korozyona karşı dayanıklı olmalıdır.
Kuvars kumu yaklaşık 1730℃ gibi yüksek bir sıcaklıkta erir. Kuvarsın parçacık boyutu, camın nasıl oluşacağını etkiler.
Gerçek üretimde, kuvars tanelerinin geniş yüzey alanına sahip, köşeli olması gerekir; bu da karıştırma sırasında malzemelerin ayrışmasını önlemeye yardımcı olur. İdeal parçacık boyutu aralığı 60-140 mesh'tir.
Endüstri standardı DZ/T 0207-2002 “Cam Silika Hammaddelerinin Jeolojik Araştırmasına İlişkin Şartnameler”, konteyner camında kullanılan kuvars kumu için kalite gereksinimlerini özetlemektedir.
Konteyner Camı İçin Kuvars Kumunun Kalite Gereksinimleri
| Gösterge | 1. Sınıf | 2. Sınıf | 3. Sınıf |
|---|---|---|---|
| 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 | — | — |
| Not: | Laboratuvar cam eşyaları (kristal cam hariç) | Genel amaçlı kap camı ve renksiz cam | Yaygın şişe ve kavanoz camı |
3. Fotovoltaik Cam
Fotovoltaik cam, ultra beyaz cam levhaların derinlemesine işlenmesiyle üretilir.
Ultra beyaz cam, düşük demirli veya yüksek şeffaflıklı cam olarak da bilinen, çok yüksek ışık geçirgenliğine (≥ 91,5%), düşük demir içeriğine (tipik olarak 100–150 ppm) ve son derece berrak bir görünüme sahip yeni bir cam türüdür.
Fotovoltaik camın mümkün olduğunca çok ışık geçirmesi gerektiğinden, Çok düşük demir içeriğine sahip kuvars kumu gerektirir.. Kumdaki demir, cama leke bırakabilir ve ışık geçirgenliğini azaltabilir.
Endüstri standardı JC/T 2314-2015 “Fotovoltaik Cam için Silikon Hammaddeleri”, bu tip camda kullanılan kuvars kumu için katı kalite gereksinimleri belirlemektedir.
| Parametre | 1. Sınıf | 2. Sınıf |
|---|---|---|
| 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 elek kalıntısı/% | – | 0 |
| 0,6 mm elek kalıntısı/% | ≤1,5 | ≤1,5 |
| 0,1 mm alt boyut/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
| Emilen nem/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
Kuvars kumunun saflığı esas olarak silikon dioksit (SiO₂) içeriğiyle ölçülür. Fotovoltaik cam için gerekli SiO₂ içeriği en az ,99% (4N seviyesi olarak adlandırılır) olup, bazı üst düzey ürünler ,998% (4N8 seviyesi) gerektirmektedir.
Bu değer, genellikle SiO₂ ≥ 99.5% gerektiren normal cama göre çok daha yüksektir, çünkü en ufak safsızlıklar bile camın ışık geçirgenliğini düşürebilir ve güneş panellerinin verimliliğini azaltabilir.
Bazı temel gereksinimler:
• Demir (Fe): Fe₂O₃, demirin renk ve şeffaflığı etkilemesi nedeniyle kritik bir göstergedir.
JC/T 2314-2015 standardı Fe₂O₃'ün ≤ 100 ppm olmasını gerektirir, ancak birçok üretici bunu 50 ppm'nin altında tutar.
Ultra beyaz cam için Fe₂O₃ miktarı ≤ 0,015% (150 ppm) olmalıdır ve yüksek kaliteli ürünler genellikle ≤ 80 ppm gerektirir.
• Titanyum (Ti): TiO₂ ≤ 300 ppm. Çok fazla titanyum camı sarartabilir ve ışığı engelleyebilir.
• Alüminyum (Al) ve Kalsiyum (Ca): Al₂O₃ ≤ 100 ppm, CaO ≤ 0,1%. Yüksek miktarlar yüksek sıcaklıklarda kristal oluşumuna neden olabilir veya camın erime şeklini etkileyebilir.
• Alkali metaller (K, Na): Yüzeyde alkali birikimini ve iletkenlik sorunlarını önlemek için K₂O + Na₂O toplamı ≤ 2,5 μg/g olmalıdır.
• İz elementler: B ≤ 5 μg/g, Mn ≤ 1 μg/g. Krom ve nikel gibi ağır minerallerin, kusurları önlemek veya elektriksel performansı etkilememek için ≤ 5 ppm olması gerekir.
Kuvars kumunun parçacık boyutu da önemlidir. Camın ne kadar eşit şekilde eridiğini ve ne kadar ışık geçirebileceğini etkiler.
Fotovoltaik cam için kullanılan kuvars kumunun parçacık boyutu 70–350 μm arasında olmalı ve kumun en az 1'i bu aralıkta yer almalıdır. Parçacıklar çok küçükse (<100 μm), çok erken erirler ve ısı transferini azaltırlar.
Parçacıklar çok büyükse (>300 μm), tamamen erimeyebilir ve camda kabarcık veya taş oluşmasına neden olabilir.
Fotovoltaik cam için kuvars kumunun tipik sınıflandırma gereksinimleri:
• 0,1–0,25 mm (100–250 μm): 5%–20%
• 0,25–0,5 mm (250–500 μm): 20%–35%
4. Elektronik Cam
Elektronik cam, ekran altlık camı, yüksek mukavemetli kaplama camı ve ultra ince dokunmatik ekran camını içerir. Örnekler arasında cep telefonu kapakları, dokunmatik ekranlar ve tablet ekranları yer alır. Günümüzde dokunmatik ekran kaplama camlarının çoğu yüksek alümina silikat camdan üretilmektedir.
Örneğin, TFT-LCD (İnce Film Transistörlü Sıvı Kristal Ekran) altlıklarında kullanılan cam, alkali metal oksitler içermemelidir. Kimyasal kararlılığı sağlamak ve zararlı safsızlıkları önlemek için, kuvars ham maddesi, Fe, K ve Na seviyelerini kontrol etmek amacıyla zenginleştirme ve saflaştırma işlemlerinden geçmelidir.
Kaisheng Quartz Materials (Huangshan Co., Ltd.) tarafından yayınlanan Q/245400 KS02-2020 şirket standardı, TFT-LCD cam alt tabakalarında kullanılan yüksek saflıktaki kuvars tozunun parçacık boyutu ve kimyasal bileşimi için özel gereksinimler belirlemektedir.
Tablo 1: Parçacık Boyutu Dağılımı Gereksinimleri (Elek Analizi)
| Parametre | +150μm (+100 mesh) | -150μm~+106μm (-100~+140 mesh) | -75μm~+45μm (-200~+325 mesh) | -45μm~+20μm (-325~+635 mesh) | -20μm (-635 mesh) |
| Standart | 0 | ≤2.5% | ≥70% | 22-30% | 0 |
Tablo 2: Lazer Parçacık Boyutu Analizi Gereksinimleri
| Parametre | D₁₀ (μm) | D₅₀ (μm) | D₉₀ (μm) |
| Standart | 30-35 | 56-62 | 88-98 |
Tablo 3: Kimyasal Bileşim Özellikleri
| Parametre | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | Na₂O+K₂O | SO₃ | TiO₂ | Cr+Ni+Co+Mn |
| Limit/% | ≥99.8 | ≤0,05 | ≤0,01 | ≤0,02 | ≤0,03 | ≤0,002 | ≤0,001 |
| Parametre | CaO | Cl | MgO | Cu | F | Zr | Niyet Mektubu |
| Limit/% | ≤0,02 | ≤0,001 | ≤0,003 | ≤0,001 | ≤0,001 | ≤0,001 | <0.1 |
5. Kuvars Cam
Kuvars camı, cam malzemelerin "en değerli mücevheri" olarak kabul edilir.
Tamamen SiO₂'den üretilmiştir ve mükemmel mekanik, termal, optik ve elektriksel özelliklere sahiptir.
Kuvars camı, yarı iletkenlerde, optik cihazlarda, fiber optikte, güneş enerjisinde ve daha birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır.
UV, görünür ve kızılötesi dalga boylarında (160–4500 nm) mükemmel ışık geçirgenliğine sahip olması, onu endüstriyel aydınlatma için önemli kılmaktadır.
Optik aletlerde kuvars camı, spektrometrelerde, kızılötesi kameralarda, prizmalarda ve merceklerde kullanılır.
Genellikle 800-1000°C arasındaki çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir.
Optik kuvars camı, gözlem pencereleri, mesafe ölçerler ve büyük teleskoplar gibi yüksek sıcaklık fotoğrafçılık ekipmanlarında da kullanılır.
Kuvars camı, yüksek saflıkta kuvars kumunun elektrikli eritme veya gaz arıtma yöntemleriyle işlenmesiyle üretilir.
Kuvars Malzeme Üretim Süreçlerinin Karşılaştırılması
| Malzeme | Doğal Kristal/Kuvars Kumu | Doğal Kristal/Kuvars Kumu | Silikon Tetraklorür | Silikon Tetraklorür |
| İşlem | Elektrik Füzyonu: Ark veya vakum basınç dirençli ısıtma | Gaz Alevi Füzyonu: Oksijen-hidrojen aleviyle eritme | MCVD: Oksijen-hidrojen alevinde hidroliz | PCVD: Hidrojen içermeyen plazma alevinde yüksek sıcaklıkta oksidasyon |
| Özellikler | – OH içeriği: 150 ppm – Tüm içerik: 30-100 ppm – Alkali metaller: 5-10 ppm | – OH içeriği: 180-250 ppm – Alüminyum içeriği: <20 ppm – Alkali metaller: <5 ppm | – OH içeriği: >1000 ppm – H içeriği: >100 ppm – Metal safsızlıkları: <1 ppm | – OH içeriği: <5 ppm – Safsızlıklar: <1 ppm – Azot içeriği: <200 ppm – İletim aralığı: 0,18-3,5 μm |
| Avantajlar | Alevle eritmeye göre daha düşük OH içeriği Diğer yöntemlere göre 50-100°C daha yüksek yumuşama noktası | – Yüksek termal verimlilik – Düşük malzeme kaybı – Az sayıda kabarcık – Daha iyi UV geçirgenliği – Üstün kristalleşme direnci – Daha uzun ömür – Daha düşük üretim maliyeti | – Ultra düşük safsızlıklar – Mükemmel optik homojenlik – UV geçirgenliği – Radyasyon direnci | – Saflık: >99.9999% – Son derece düşük OH içeriği -Üstün optik homojenlik |
| Dezavantajlar | Daha yüksek metal içeriği | Daha yüksek OH içeriği Elektrikli füzyon ürünlerine göre daha düşük yumuşama noktası. | Aşırı OH içeriği Yüksek hammadde maliyeti | Yüksek hammadde ve üretim maliyetleri |
Örneğin, Sibelco'nun (eski adıyla Unimin) yüksek saflıktaki kuvars kumu ürünleri (IOTA6, IOTASTD ve IOTACG serileri gibi), otomotiv ksenon lambaları, halojen lambalar, yüksek yoğunluklu deşarj lambaları ve ultra yüksek performanslı lambalar gibi aydınlatma ekipmanlarının üretiminde kullanılan temel malzemelerdir.
Kuvars Cam Üretiminde Kuvars Kumu İçin Gerekli Safsızlık Elementleri
| Endüstriyel Uygulama | Köken | Başlıca Safsızlık Elementleri ve Miktarı (ppm) | |||||||
| Al | Fe | Ti | Ca | B | K | Na | Li | ||
| Elektrikli Işık Kaynağı | Çin | Toplam: 50-100 ppm | |||||||
| Kimya Sanayii | Çek | 42 | 3 | 3 | 8 | – | 18 | 5 | – |
| Yarıiletken | Çin | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4 | 1.8 |
| Yarıiletken (Yüksek Kalite) | Amerika | 15 | 0.3 | – | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| Rusya | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.6 | – | |
| Fiber Optik Tüpler | Brezilya | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.4 | – |
| Optik Lensler | Amerika | 8 | 0.05 | – | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
