سیلیکات زیرکونیوم چیست و چه کاربردهایی دارد؟

سیلیکات زیرکونیوم که همچنین به عنوان زیرکونیوم ارتوسیلیکات یا زیرکن نیز شناخته می شود  یک ترکیب شیمیایی  با فرمول شیمیایی (ZrSiO4) است.  سیلیکات زیرکونیوم معمولاً بی رنگ است ، اما ناخالصی ها باعث ایجاد رنگ های مختلف می شوند. این ترکیب در آب ، اسیدها ، قلیاها و آکوآ رجیا نامحلول است.

سیلیکات زیرکونیوم در طبیعت به عنوان زیرکون معدنی وجود دارد. زیرکن یک ماده معدنی متعلق به گروه نسوسیلیکات ها و یک کانی شفاف  یا مات است که در سیستم چهار ضلعی متبلور می شود. سیلیکات زیرکونیوم را می توان با ترکیب SiO2 و ZrO2 در کوره قوس الکتریکی یا با واکنش نمک زیرکونیوم با سیلیکات سدیم در محلول آبی تولید کرد. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

منشاء زمین شناسی سیلیکات زیرکونیوم

زیرکن در ذخایر ماسه معدنی باستانی یافت می شود. در شکل ماسه های کریستالی ، زیرکن معمولاً قهوه ای است ، اما همچنین می تواند از بی رنگ تا زرد-طلایی ، صورتی و قرمز تا آبی و سبز متفاوت باشد.

رسوبات ماسه های معدنی در امتداد خطوط ساحلی باستانی شکل می گیرد که در آن مواد معدنی سنگین تر در اثر موج و باد متمرکز شده اند. بیشتر شن و ماسه زیرکن در استرالیا و قاره آفریقا استخراج می شود و تولید سالانه جهانی آن سالانه بیش از یک میلیون تن است. استخراج ماسه های معدنی می تواند به دو روش استخراج خشک و استخراج مرطوب (لایروبی) انجام شود.

کاربرد اصلی ماسه زیرکن تبدیل آن به پودر ، مات کننده ، زیرکونیا ذوب شده ، مواد شیمیایی زیرکونیوم ، زیرکونیا شیمیایی و فلز زیرکونیوم است. ماسه زیرکن مستقیماً در کاربردهای ریخته گری و نسوز و سایر کاربردهای جزئی استفاده می شود.

سیلیکات زیرکونیوم چیست؟

سیلیکات زیرکونیوم یا زیرکن یک محصول مشترک از استخراج و پردازش ذخایر شن و ماسه سنگ معدنی سنگین است. زیرکن که عمدتاً در استرالیا و آفریقای جنوبی استخراج می شود ، می تواند به شکل ماسه درشت استفاده شود یا به صورت پودر ریز آسیاب شود. خواص آن باعث شده است که در بسیاری از محصولات روزمره ، از جمله کاشی و سرامیک و کاشت های پزشکی و همچنین کاربردهای صنعتی عمده استفاده می شود.

زیرکن را می توان با ذوب ماسه در دماهای بسیار بالا برای ایجاد زیرکونیا پردازش کرد تا زیرکونیا مذاب به وجود آید که به آن اکسید زیرکونیوم (ZrO2) نیز گفته می شود.

زیرکونیوم ، یکی دیگر از مشتقات زیرکن ، عنصر شیمیایی Zr در جدول تناوبی است که به شکل فلز خاکستری نقره ای وجود دارد. به عنوان هجدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین ، معمولاً در زیرکن معدنی به شکل سیلیکات و به ندرت در ماده معدنی بدلدیت به شکل اکسید وجود دارد. زیرکن دارای محتوای نظری ۶۷٪ زیرکونیا و ۳۲٪ سیلیس است و معمولاً می تواند درصد کمی از هفنیوم را در محدوده ۰.۲ تا ۴٪ داشته باشد.

انواع سیلیکات زیرکونیوم

پودر زیرکن با آسیاب ماسه زیرکون ، معمولاً در آسیاب های گلوله ای در حالت خشک یا دوغاب تولید می شود. در کاربردهای گوناگونی از جمله سرامیک ، پوشش قالب ریخته گری ، پوسته های سرامیکی برای ریخته گری سرمایه گذاری ، نسوز ، محصولات اصطکاکی ، الیاف عایق و شیشه استفاده می شود.

بسته به کاربرد ، مشخصات مختلفی برای اندازه ذرات وجود دارد ، معمولاً ۲۰۰ مش (۷۵ میکرومتر) و مش ۳۲۲۵ (۴۵ میکرومتر) . پودر زیرکون در کیسه های بزرگ یا کیسه های کاغذی بسته بندی می شود یا در تانکرها (به صورت پودر یا دوغاب/شل) تحویل داده می شود.

پودر زیرکن در صنایع لعاب سرامیک ، شیشه ، نسوز و پلاستیک استفاده می شود. افزودن مقدار کمی زیرکن می تواند به بهبود مقاومت مکانیکی شیشه و ایجاد مقاومت قلیایی در برابر الیاف شیشه مورد استفاده در بتن مسلح شیشه کمک کند. پودر زیرکن همچنین می تواند به عنوان یک ترکیب نسوز برای کوره های گلاست ، به عنوان یک ترکیب خوب در اشکال نسوز زیرکنی فشرده و به عنوان پرکننده رزین های اپوکسی استفاده شود. زیرکون آسیاب شده ، ” پودر زیرکون” ، همچنین در محصولات نسوز و اصطکاکی استفاده می شود.

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی سیلیکات زیرکونیوم

زیرکن بسیار پایدار است (نسوز ، سخت ، متراکم). مقادیر زیادی زیرکن در صنایع کاشی ، لوازم بهداشتی و ظروف (برای مات شدن لعاب ها) استفاده می شود. ماسه زیرکن (که برای تولید پودرهای سیلیکات زیرکونیوم آسیاب می شود) ، منبع اصلی تولید زیرکونیا ZrO2 است.

ذرات زیرکن مجزا زاویه دار  بسیار سخت و نسوز هستند و به طرز شگفت انگیزی  به راحتی در ذوب لعاب حل نمی شوند ، حتی اگر به اندازه ذرات بسیار کوچک آسیاب شود. ضریب شکست زیرکون بالا است (به ویژه در زیرکن میکرونیزه ، اندازه کمتر از ۵ میکرون). با وجود این ، برخی منابع زیرکن را به عنوان منبع SiO2 در لعاب ذکر کرده اند (به این معنی که تجزیه می شود).

این دیدگاه قابل قبول است زیرا مقادیر کوچک تر زیرکن لعاب ها را مات نمی کند ، در واقع آنها عمداً برای افزایش ضریب شکست برای تشویق شفافیت و براقیت زیاد اضافه شده اند. این بدان معناست که وقتی درصدها کم است ، حل می شود و هنگامی که بیشتر است ، مات می شود. جالب است که در درصدهای پایین آنقدر خوب حل می شود که گاهی به شفافیت لعاب ها اضافه می شود (زیرا ضریب شکست بالایی دارد).

کاربردهای سیلیکات زیرکونیوم

پختن لیزری  زیرکن به عنوان یک ماده سرامیکی که برای ریخته گری پوسته و هسته مورد استفاده قرار می گیرد ، جایگزین جذابی برای روش معمول و وقت گیر تولید این پوسته ها از موم است.

این ترکیب به دلیل ویژگی های برجسته ای که به عنوان دی الکتریک  دارد اخیراً مورد توجه قرار گرفته است. از نظر حرارتی با    Si پایدار است و مانع خوبی در برابر انتشار اکسیژن است. لایه های نازک این ترکیب با پاشش و رسوب لایه اتمی ALD رسوب کرده اند. بهینه سازی فرایند ALD برای رسوب فیلم های زیرکون با ترکیب پیش ساز ZrCl4 و TBOS نشان داده شد. سیلیکات زیرکونیوم (ZrSiO4) یکی از مهمترین ترکیباتی است که از ماسه های زیرکنیا به دست می آید. baddeleyite یک شکل طبیعی زیرکونیا (ZrO2) است.

زیرکن معمولاً در لعاب ها برای مات شدن (تبدیل لعاب شفاف به مات) استفاده می شود. فرم سیلیکات یا زیرکونیوم لعاب های مات ندارد (مانند اکسید زیرکونیوم خالص که در واقع دی اکسید زیرکونیوم است). مقدار دقیق مورد نیاز این ماده بین انواع مختلف لعاب متفاوت است. ۱۰-۱۲٪ طبیعی است ، اما ممکن است تا ۲۰٪ برای مات شدن برخی لعاب های شفاف مورد نیاز باشد. با رسیدن به نقطه اشباع ، تبلور شروع می شود و در دماهای پایین موثرتر است. اکسید قلع می تواند یک مات کننده موثرتر از زیرکن باشد.

بهتر است بدانید:

به عنوان یک مات کننده لعاب ، رنگ سفید تولید شده توسط سیلیکات زیرکونیوم اغلب به عنوان “کاسه توالت سفید” مشخص می شود. در مقابل ، اکسید قلع می تواند بیشتر رنگ آبی-سفید تولید کند ، اما در صورت وجود کروم در جو کوره ، قلع ممکن است تغییر رنگ دهد (به سمت صورتی). اگر سایه سفید بیش از حد  است ، می توان با جابجایی بخشی از بار مات کننده به قلع یا افزودن مقدار کمی رنگ (به عنوان مثال آبی ، قهوه ای ، خاکستری) آن را تقویت کرد.

انبساط کم زیرکن باعث کاهش برق در لعاب ها می شود. در یک لعاب بدون درخشش وجود زیرکن کافی می تواند انبساط حرارتی را به اندازه ای کاهش دهد که خطر خرد شدن وجود داشته باشد (ممکن است لازم باشد فرمول لعاب برای تطبیق تنظیم شود ، به عنوان مثال زیرکن بیشتر انبساط حرارتی لعاب را کاهش می دهد). بهتر است شیمی مواد زیرکون را از مشارکت در محاسبات شیمی لعاب حذف کرده و آن را صرفاً به عنوان یک افزودنی تلقی کنید (سپس تأثیر آن را بر روی خواص لعاب در سطح فیزیکی و نه شیمیایی در نظر بگیرید).

زیرکن ذوب لعاب را سفت می کند (کشش سطحی را افزایش می دهد) و این اغلب باید مورد توجه قرار گیرد (حتی اگر از نظر شیمیایی نشان داده شود که آن به اندازه کافی مایع است). لعاب های فاقد سیالیت مذاب می توانند با خزیدن ، تاول زدن و پینهولینگ مشکلاتی را تجربه کنند ، زیرا توانایی کمتری در درمان اختلالات دارند.

زیرکن به دلیل پایداری حرارتی بالا در ساخت انواع نسوزهای با تکنولوژی پیشرفته ، بدنه چینی ، روکش ها و مواد ، حتی دندان مصنوعی استفاده می شود. آلومینای کلسینه جایگزینی برای ساختن نسوزهای فوق العاده است ، اما دارای انبساط حرارتی بسیار بیشتر و هدایت حرارتی بیشتر است.

قیمت خرید و فروش سیلیکات زیرکونیوم

زیرکن به قدری گران شده است که تولیدکنندگان عمده آن را در نظر گرفته یا در حال حاضر محصولات خود را با مواد دیگر (مانند کائولن) رقیق می کنند. بنابراین اگر لعاب شما مانند گذشته مات نیست، طبیعی است. همچنین ، از دقت در پیش آزمایش مواد زیرکن استفاده کنید ، زیرا کیفیت آنها متفاوت است. به همین دلیل برخی از شرکت ها مواد خود را به عنوان “جایگزین زیرکونیوم”  وارد بازار می کنند.

مهمترین بازار تولید حجمی زیرکن صنعت سرامیک است. در این بخش ، کاربرد اصلی زیرکون به عنوان مات کننده (یا سفید کننده) بدن و سطح سرامیکی است. به عنوان یک پودر ریز  زیرکن را می توان مستقیماً در مخلوط سرامیک برای افزایش سفیدی کل بدنه سرامیکی استفاده کرد یا در موج ها برای تولید یک لایه سفید و مات که رنگ بدنه را پنهان می کند ، استفاده کرد.

از آن به عنوان ماده اولیه در لعاب های سرامیکی برای افزایش شفافیت استفاده می شود یا در ترکیبات که برای تولید لعاب های براق ، مات و سفید استفاده می شود. هنگام استفاده در لعاب های سطحی ، زیرکن مقاومت در برابر سایش و حمله شیمیایی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

ویژگی هایی که زیرکون را به یک مات کننده مناسب تبدیل می کند ضریب شکست بالای آن است. دانه های زیرکن آسیاب شده نور مرئی را پراکنده می کند و باعث می شود سرامیک سفید ، براق و مات به نظر برسد. انواع مختلفی از مات کننده های زیرکن وجود دارد که شامل ۱۰ میکرومتر ، ۵ میکرومتر و ۱ میکرومتر محصولات با D50 از ۲ میکرومتر تا ۱ میکرومتر است.