中国粉体网讯 合成SiO2和天然高纯石英砂在应用当中有什么差异?合成SiO2未来会替代天然砂吗?
以上问题的答案,对于业内大多数人而言并不是很清晰,中国粉体网小编近期就这个问题求教于各路专家,希望能逐渐揭示这一问题的本质。
首先,解答这一问题的关键点之一在于:高纯石英砂的概念。
高纯石英砂到底是什么?由中华人民共和国自然资源部中国地质调查局主管、中国地质图书馆主办的科普类期刊《自然资源科普与文化》(2024年第3期)上,明确给出了高纯石英的定义:
“高纯石英(high-purity quartz),又称高纯石英砂。它是二氧化硅纯度大于99.9%(3N)的石英砂系列产品总称,其本质是一种石英晶体原材料,它以天然石英矿为原料,经提纯加工而获得,具有极高二氧化硅纯度及一定粒度。”
而给出这一定义的正是矿物材料学的奠基之作《矿物材料学原理》一书的作者汪灵教授。在这一定义中,高纯石英的三大特征包含其内。
高纯石英特征之一:纯度
高纯石英产品的第一个特征,即最显著特征是它们的SiO2纯度高。实际上,石英的工业应用与SiO2的纯度有着密切的关系。据汪灵教授介绍,在我国实际生产中,高纯石英砂通常按用途分为拉管料、打砣料和坩埚料三大类系列产品,并根据二氧化硅纯度或13种痕量杂质元素总量等技术指标进一步分为不同等级。
其中,拉管料、打砣料可分为一级品、二级品和三级品3个等级,分别相当于高纯石英高端、中高端和中端产品,其主要技术指标通常要求二氧化硅纯度(或杂质元素总量)分别为纯度99.997%(总杂质≤30×10-6)、纯度99.995%(总杂质≤50×10-6)、纯度99.993%(总杂质≤70×10-6)。
而这里的高端、中高端、中端产品,按照汪灵教授的划分方法,其SiO2纯度及杂质元素总量分别如下:
(来源:汪灵教授)
高纯石英特征之二:粒度
高纯石英产品第二个重要特征是它们的粒度要求,即加工的产品是砂,是具有一定粒度的产品。
高纯石英砂(图源:专注石英科技创新58年的菲利华)
粒度作为高纯石英一个重要指标,其粒度范围一般是40~150目,具体粒度应根据工业应用确定。汪灵教授指出,高纯石英主要产品不是“超细粉”,更不是“纳米”颗粒。即使是用作加工包括球形硅微粉在内的各种超细的硅微粉原料,也是先提纯加工成具有一定粒度的石英砂,然后进行超细粉碎和分级加工。
高纯石英砂产品主要粒度范围与工业应用特点
(来源:汪灵教授)
高纯石英特征之三:物相
高纯石英产品第三个重要特征是它们的物相为晶相,即它们都是结晶度非常高的石英单矿物晶体。鉴于高纯石英高端产品(SiO2纯度大于4N8)的制造难度,有人提出采用合成方法制备非晶态SiO2粉体进行替代的技术路线。汪灵教授认为,即使SiO2粉体的纯度能达标,但其粒度、密度和硬度等也难以达到与高纯石英及其加工产品(如球形硅微粉)一致的质量要求,因而并不具有高纯石英及其加工产品相应的使用效能(如流动性和机械强度等)。
合成二氧化硅粉体(图源:日本三菱化学)
采用人工合成方法制备的纯度更高的石英玻璃,虽然适用于光纤制造,但在石英坩埚等其它工业应用领域中,不仅没有价格优势,并且由于采用SiCl4为原料和氢气为燃料,在制备工艺中会产生羟基等杂质,限制了它在一些领域的应用。
因此,汪灵教授认为:从粒度特征、物相特征和使用效能上讲,人工合成的非晶态SiO2粉体和石英玻璃都不属于高纯石英。
参考来源:
[1]汪灵教授:高纯石英及其原料特点,2023 第七届全国石英大会
[2]汪灵教授等:纯净胜瑾瑜 贵若冠上珠——解读高纯石英,自然资源科普与文化
(中国粉体网编辑整理/平安)
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