اکسید سیلیسیم ( سیلیس )

سیلیس چیست ؟

یک جامد کریستالی در دماهای معمولی بوده که اکسید سیلیسیم خالص به رنگ سفید و چگالی آن 2.2 گرم بر سانتی متر مکعب است. این ترکیب از یک اتم سیلیسیم و دو اتم اکسیژن تشکیل شده است.

اتم ها با پیوند محکمی با یکدیگر اتصال دارند و در برابر بسیاری از مواد شیمیایی خشن مقاوم هستند. در طبیعت، شکل ماسه یا بلورهای کوارتز را به خود گرفته و در مقایسه با بیشتر مواد معدنی نسبتاً سخت می باشد .

اکسید سیلیسیوم در برابر حرارت بسیار مقاوم و نقطه ذوب آن 1650 درجه سانتیگراد (3000 درجه فارنهایت) است.

اشکال متفاوتی از اکسید سیلیسیوم موجود است که همه آنها ترکیب یکسانی دارند اما بسته به نحوه چیدمان ذرات ممکن است نام متفاوتی داشته باشند. به طور کلی، دو گروه سیلیس وجود دارد: سیلیس کریستالی و سیلیس آمورف (بی شکل).

اکسید سیلیسیم بیشتر در ماسه یافت می شود، سیلیس دارای سه گونه اصلی کریستالی است: کوارتز ، تریدیمیت و کریستوبالیت . گرد و غبار ذرات ریز سیلیس که از سنگ کوارتزایجاد می شود ، در طولانی مدت می تواند باعث صدمه رساندن به ریه شود.

سیلیس دارای فرمول شیمیایی SiO2 یا اکسید سیلیسیم است. اشکال زیادی از این نوع محصول وجود دارد.

تمام اشکال اکسید سیلیسیوم یا SiO2 از نظر ترکیب شیمیایی یکسان هستند، اما چیدمان اتمی مختلفی دارند. سیلیس با سایر عناصر فلزی و اکسیدها ترکیب شده تا سیلیکات ها تشکیل شوند.

خواص و ویژگی های اکسید سیلیسیم کدام اند ؟

ژل سیلیکا یک شبکه سه بعدی منسجم، جامد و پیوسته از ذرات کروی بسیار ریز سیلیس کلوئیدی است.

خواص فیزیکی

اکسید سیلیسیم پودر شفاف مایل به خاکستری و بی بو است. در تماس با پوست و چشم تحریک کننده بوده و استنشاق آن باعث تحریک دستگاه تنفسی می شود.

غیر قابل احتراق

سیلیس یک اکسید فلزی گروه IV که از مقاومت خوبی در برابر سایش، عایق الکتریکی و پایداری حرارتی بالا برخوردار است. به غیر از هیدروژن فلوراید (HF) در تمام اسیدها نامحلول است.

خواص شیمیایی

بدلیل قطبیت صفر مولکول اکسید سیلیسیم ، چندان واکنش پذیر نیست. اتم Si دو پیوند دوگانه با اکسیژن تشکیل می دهد، بنابراین یک مولکول بسیار پایدار است. علاوه بر این، حاوی قدرت دی الکتریک بالایی است، که به عنوان عایق و نیمه هادی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.

• به راحتی روی مواد مختلف نشانده شده و با حرارت روی ویفرهای سیلیکون رشد می کند.
• این ماده در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مورد استفاده حین اچ کردن مواد دیگر مقاوم است، در حالی که میتواند به طور انتخابی با برخی مواد شیمیایی اچ شود. سیلیس به عنوان ماده مسدود کننده در نفوذ بسیاری از ناخالصی های نامطلوب استفاده می شود.
• فصل مشترک اکسید سیلیسیم دارای عیوب مکانیکی و الکتریکی نسبتاً کمی است، اگرچه با فناوری های جدیدتر حتی به نواقص جزئی هم رسیدگی می شود.
• اکسید سیلیسیم از استحکام دی الکتریک بالا و فاصله باند گپ نسبتاً گسترده ای برخوردار است که این ماده را به یک عایق عالی تبدیل می کند.
• سیلیس از پایداری دمایی تا 1600 درجه سانتیگراد برخوردار است و آن را به عنوان یک ماده مفید برای ادغام فرآیند و دستگاه تبدیل می کند.

انواع مختلف سیلیس کدامند ؟

گرچه بلورهای ماسه و کوارتز متفاوت به نظر می رسند، در نظر اول هر دو از اکسید سیلیسیم ساخته شده اند. چیدمان شیمیایی این گونه ها دقیقاً یکسان و خاصیت آنها معمولاً مشابه، اما در شرایط مختلفی شکل گرفتند.

ذرات شن بسیار کوچک اما سخت و چقرمه هستند. برخی از کریستال های کوارتز ظاهر شیری و سفید دارند. کوارتز شیری بسیار فراوان، بنابراین یافتن سنگ های بزرگ از این نوع کوارتز معمول است.

ناخالصی های معدنی باعث تغییر رنگ کوارتزها به بنفش، صورتی روشن یا سایر رنگ ها شده، در نتیجه سنگ های قیمتی یا نیمه قیمتی مانند آمتیست ، سیترین ، کوارتز سرخ و کوارتز دودی حاصل می شود.

اکسید سیلیسیم همچنین در اشکال مختلفی از جمله: گلوله ها، قطعات، پودر، اهداف پاششی ، قرص و نانوپودر موجود است.

سیلیس ذوب شده

سیلیس ذوب شده، سیلیس با درجه خلوص بالا (که حدود 99.4-99.9٪ SiO2 است) توسط روش های قوس کربن، قوس پلاسما، اکستروژن مداوم با گاز و یا ذوب الکترود کربنی تولید می شود.

این محصول در درجه اول در صنعت الکترونیک (حدود 70٪ کل بازار) که دارای خواص دی الکتریک و عایقی مناسب می باشد ، استفاده می شود. همچنین به عنوان ماده دیرگداز یا در ریخته گری دقیق مورد استفاده قرار می گیرد.

شن و ماسه

انواع مختلفی از ماسه ها وجود دارد که کاربردهای متفاوتی دارند. کانی اصلی در همه آنها کوارتز است. برای تولید درجه مطلوب شن و ماسه، بسته به ماهیت کاربرد با روش های مختلفی تولید می شوند.

ماسه سرامیکی

شن و ماسه درجه سرامیکی ریزتر از 75میکرومتر و دارای مقادیر سیلیس بالاتر از 97.5٪، ناخالصی ها شامل <0.55٪ Al2O3 و <0.2 Fe2O3 هستند. در تولید لعاب و مواد سرامیکی استفاده می شود.

شن و ماسه ریخته گری

شن و ماسه ریخته گری در اندازه ذرات کمتر از 75میکرومتر تولید می شود. این ماده حاوی سیلیس 98٪ و میزانی از منیزیم (MgO) و آهک (CaO) می باشد.

همچنین برای تولید مواد نسوز و دیرگداز از این شن و ماسه ها با درجه خلوص کمتر به میزان SiO2 > 95 درصد مورد استفاده قرار میگیرد .

شن و ماسه گدازش

شن و ماسه گدازش برای ساخت آهن و فولاد > 90٪ SiO2 است.

مصالح ساختمانی

ماسه سنگ جامد کاملاً انعطاف پذیر است که از آن در صنعت ساخت و ساز استفاده می شود.

ماسه سنگ خرد و درجه بندی شده و برای استفاده به عنوان یک سنگدانه متراکم و یا به صورت جایگزین برای زیبا سازی نما به صورت تخته سنگ برای ساخت (سنگ ابعادی) برش داده می شود.

استفاده از مصالح سیلیکا متراکم تاکنون بیشترین کاربرد در صنعت ساخت و ساز را دارد.

تولید شیشه

از سیلیکا به عنوان ماده اولیه خام برای تولید شیشه استفاده شده که در آن مخلوط آهک و کربنات کلسیم برای تولید شیشه در مصارف خانگی از جمله پنجره، بطری، کوزه، لامپ و شیشه بشقاب است.

از طرف دیگر اکسید سیلیسیم را با اکسید بور و کربنات کلسیم مخلوط کرده تا شیشه مقاوم در برابر شوک حرارتی برای پخت و پز مانند پیرکس تولید شود.

سیلیس ذوب شده با درجه خلوص بالا به تنهایی برای تولید شیشه هایی که از مقاومت حرارتی بالا و مقاوم در برابر شوک حرارتی برخوردار هستند ، مانند پنجره شاتل ناسا استفاده می شود.

ریخته گری دقیق

سیلیکا ذوبی در دوغاب ریخته گری نسوز مورد استفاده قرار می گیرد، در این روش دوغاب را به دورن یک ماکت مومی می ریزند تا آن را پوشش دهد. گچ های نسوز پخته شده و فلز مذاب در قالب ریخته می شود.

سرانجام، پوسته سیلیس ذوب شده جدا می شود . این مرحله از جدایش نسبت به سایر مواد دیرگداز مانند زیرکونیا و آلومینوسیلیکات ها راحت تر است.

مواد پرکننده

دانه بندی اکسید سیلیسیم در توزیع اندازه ذارت مشخص ، کاربرد آن را به عنوان مواد پرکننده برای تولید محصولات حجیم و بالکی آسان کرده است . سیلیکا معمولاً به عنوان پرکننده در رنگ ها، پلاستیک ها، لاستیک، چسب ها، بتونه و درزگیرها استفاده می شود.

سیلیس فوم

سیلیس فوم یا میکروسیلیس محصول جانبی تولید فلز سیلیکون یا آلیاژهای فروسیلیس است. یکی از مفیدترین کاربردهای این فوم در بتن است. به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی، یک پوزولان بسیار واکنش پذیر است.

بتون های حاوی فوم سیلیس مقاومت بسیار بالایی داشته و بسیار بادوام هستند. سیلیس فوم از اکسید سیلیسیم آمورف تشکیل شده است. هر ذره فوم به اندازه 0.01 اندازه ذرات بتون است.
این فوم همچنین به عنوان ماده پرکننده در بتن های دیرگداز استفاده شده، که وظیفه بهبود تراکم ذرات محصول با افزایش استحکام و کاهش تخلخل را دارد .

کاربرد سیلیکا در کجاهاست ؟

سیلیس یک ماده سرامیکی نسبتاً گسترده است که هم به عنوان پیشرو در ساخت سایر محصولات سرامیکی و هم به عنوان یک ماده منحصر به فرد استفاده می شود.

اکسید سیلیسیم به روش های مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد . یکی از رایج ترین کاربردها ساخت شیشه است که به اکسید سیلیسیم تحت فشار حرارت بالایی وارد می شود.

همچنین برای استفاده در خمیر دندان استفاده می شود. به دلیل سختی ، به شستشوی پلاک روی دندان ها کمک می کند. همچنین ماده اصلی در ساخت سیمان بوده و از آن به عنوان سموم ضد آفات استفاده می شود.

ژل سیلیکا یک ماده افزودنی و شیرین کننده مواد غذایی است ، که به جذب آب کمک می کند.

سیلیس در صنایع شیمیایی، الکترونیکی و دارویی کاربردهای بسیاری دارد. در صنایع شیمیایی، در تولید چسب و درزگیرها ، جاذب، سرامیک، چینی، ضد چسب، مهارکننده های خوردگی، رنگ و مواد افزودنی رنگ استفاده می شود.

همچنین برای تولید مواد شیمیایی کشاورزی به کار می رود. در صنایع دارویی به عنوان افزودنی مواد غذایی و داروها برای جذب آب شناخته می شود. سیلیس مؤلفه اصلی فیبرهای نوری برای ارتباطات است. اکسید سیلیسیم از طریق واکنش زیر به عنوان ماده متشکله در بدست آوردن شیشه و سیلیکون استفاده می شود:

SiO2 + 2 C → Si + 2 CO

سیلیس در مواد دیرگداز

سیلیس دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار کم، نقطه ذوب نسبتاً بالا و مقاوم در برابر خزش است که این ماده به عنوان یک دیرگداز مناسب برگزیده می شود.

از این ماده می توان در محیط های اسیدی استفاده کرد یا به عنوان ماده اولیه برای سنتز سایر فرآورده های دیرگداز استفاده شود. با توجه به اینکه سیلیکا در اکثر اسیدها نامحلول است، از آن به عنوان ماده دیرگداز در محیط های اسیدی استفاده می شود.

سیلیس به عنوان یک ماده دیرگداز اسیدی طبقه بندی می شود زیرا در واکنش با بازها در دمای بالا رفتاری مانند اسید از خود نشان می دهد. بیشتر کاربردهای این ماده در صنعت شیشه است.

سیلیکا در شیشه های دیرگداز

اکسید سیلیسیم ماده مهمی برای استفاده به عنوان نسوز در تولید شیشه است. معمولاً در مواد شیشه های دیرگداز دو نوع سیلیس استفاده می شود. اولین نوع سیلیس کریستالی می باشد که از کوارتز خالص بلوری تشکیل شده است.

این ماده ابتدا خرد ، درجه بندی و سپس پرس شده تا به آجر تبدیل می شود. پس از گرم شدن تا دمای زیاد، کوارتز به تریدیمیت و کرستوبالیت تبدیل می شود.

در آجرها فاز تریدیمیت نسبت به همه اشکال کریستالی سیلیکا به عنوان مطلوب ترین فاز بوده ، زیرا دارای انبساط حرارتی ملایم، قابل پیش بینی و کم تا 600 درجه سانتی گراد است.

بالاتر از این دما، انبساط حرارتی عملا صفر می باشد . آجرهای ساخته شده از این نوع، بدلیل مقاومت بالا در برابر خزش و استحکام مکانیکی مناسب در دمای کار، در تاج مذاب کوره شیشه استفاده می شوند.

همچنین در کوره های شیشه که در تماس مستقیم با مواد دیرگداز است، از اکسید سیلیسیوم ذوب شده به دلیل مقاومت خوب در برابر شوک حرارتی استفاده شده و هیچ گونه خطر آلودگی شیشه وجود ندارد.

اکسید سیلیسیم در صنعت الکترونیک

تابلوهای مدار

سیلیس ذوب شده خواص دی الکتریک و عایق بسیار خوبی است. به همین دلایل به عنوان ماده پرکننده خنثی با انبساط حرارتی کم در رزین های اپوکسی مدارهای الکترونیکی استفاده می شود.

نیمه هادی ها

رسانایی الکتریکی نیمه هادی ها به اندازه فلزات نیست. با این وجود، خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند که آنها را مفید می کند. خواص الکتریکی اکسید سیلیسم نسبت به وجود ناخالصی ها فوق العاده حساس می باشد.

سیلیکون یک نیمه هادی ذاتی است، به این معنی که رفتار الکتریکی این ماده مبتنی بر ساختار الکترونیکی ذاتی آن است. نیمه هادی های سیلیکون در مدارهای مجتمع استفاده می شوند.

پیزوالکتریک ها

پیزوالکتریک خاصیتی از ماده است که قطبیت در آن القا شده و با استفاده از نیروی خارجی یک میدان الکتریکی در یک نمونه ایجاد می شود. معکوس کردن جهت نیروی خارجی (یعنی کشش به فشار) جهت میدان الکتریکی را معکوس می کند.

بدلیل ساختار بلوری پیچیده و تقارن کم، اکسید سیلیسم این خاصیت را دارد. مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز در مبدل هایی مانند گرامافون، ژنراتورهای مافوق صوت ، زنگ، آژیر، کرنش سنج و اشتعال در اجاق ها استفاده می شود.

تولید سیلیکون

سیلیکون بیشتر به عنوان فروآلیاژ یا فروسیلیسیم یا منگنز سیلیکون تولید می شود که به طور انحصاری در ساخت فولاد مورد استفاده قرار می گیرد. سیلیکون، به عنوان فروآلیاژ، مهمترین عامل اکسید زدائی در ساخت فولاد است.

سیلیکون نیمه هادی عمدتاً با واکنش پودر فلز خام با مخلوط هیدروژن و کلرید هیدروژن گازی در بستر سیال تولید می شود. محصول اصلی SiHCl3 به صورت کسری تقطیر و توسط هیدروژن احیا و سپس در یک فیلامنت که در حدود 1150 درجه سانتیگراد گرم شده ، رسوب داده می شود.

اکسید سیلیسیم چگونه تولید می‌شود ؟

سیلیکا تقریباً در همه جای دنیا یافت شده، زیرا رایج ترین ماده معدنی پوسته است. در سطح زمین، در مناطق سنگی یا کوهستانی رواج دارد. همچنین در بیابان ها و سواحل در سراسر جهان به صورت ماسه وجود دارد.

سیلیس به طور گسترده در طبیعت وجود دارد. آژانس مواد سمی و دفاتر ثبت بیماری ها (ATSDR) ایده ای درباره فراوانی این ترکیب ارائه داده است. اکسید سیلیسیم را بیشتر با نام رایج آن که کوارتز بوده و حدود 12٪ پوسته زمین را تشکیل داده ، می شناسند.

با این حال، این ماده به طور طبیعی در همه چیز از آب و گیاهان گرفته تا حیوانات وجود دارد. در شن و ماسه ی سیلیسی سواحل زیادی را در بر گرفته و مواد بیشتر سنگ های روی زمین را تشکیل می دهد.

در حقیقت، مواد معدنی حاوی سیلیس یا خود سیلیس بیش از 95٪ پوسته زمین را تشکیل می دهند. همچنین اکسید سیلیسیم در گیاهان متعددی که مورد مصرف روزانه است، مانند:

• سبزیجات تیره و برگدار
• برخی از غلات و دانه ها، مانند جو دوسر و برنج قهوه ای
• سبزیجات مانند چغندر و فلفل دلمه ای
• یونجه

اکسید سیلیسیم همچنین به طور طبیعی در بدن انسان وجود دارد، اگرچه هنوز نقش دقیق آن مشخص نیست.

ترکیب سیلیس تا حد زیادی در طبیعت یافت می شود. این ماده اصلی مواد معدنی مانند کوارتز، تریدیمیت، آمتیست، کریستوبالیت، شن و ماسه آگاتور است. همچنین در ترکیب بسیاری از گیاهان موجود و در نتیجه می تواند توسط گیاهخواران هضم شود.