石英材料在国民经济诸多领域都有广泛的应用,不论是建筑、玻璃、陶瓷,还是在半导体、电子通讯等方面都有难以取代的用途。
但在不同的应用领域对石英材料的要求非常不同,纯度、粒度、颗粒形状、表面活性等性能对石英的应用影响较大,其中纯度是整个石英材料应用的最初的分类标准,本文盘点了各个用途对SiO₂和Fe2O3的纯度要求,以供大家做个参考。

不同石英产品对于纯度的要求
第一
玻璃工业
玻璃行业是石英除建筑用砂外最大的应用领域,每年应用在玻璃方面的石英原料大约有6000万吨左右。透明性、机械强度、化学稳定性等都是石英赋予玻璃最重要的性能。
在普通硅酸盐玻璃的组成中,SiO₂一般占65%~75%左右。现代浮法玻璃一般要求石英原料中SiO₂含量在96%以上,Al2O3含量在2%以下,Fe2O3在0.01%~0.1%之间,粒度在0.4mm左右,粒度在0.5mm以上及0.1mm以下的颗粒均不得超过5%。
特种玻璃、超白玻璃、精密光学玻璃等对石英原料的化学成分有更严格的要求,SiO₂的含量要在99%以上,Fe2O3的含量要低于0.05%~0.1%,Al2O3和TiO₂的含量分别要求在0.5~2.0%和0.05%以下。
不同国家和不同产业对玻璃中二氧化硅含量的要求不同,以下是各国对石英材料的要求指标。
世界主要国家对玻璃用石英原料的纯度要求
半导体工业所用的石英玻璃是高纯透明的,原料是极纯的二氧化硅,主要品种是大规格的石英玻璃钟罩,主要用于制造多晶硅炉的外罩。
第二
机械铸造工业
铸造业对石英砂的质量要求
在机械铸造行业中,石英砂具有熔点高的特点,冶炼过程中还有增温、脱硫、脱氧等作用。石英原料被广泛用作型砂、铸造模芯和铸造模具等工序,在国民经济中有非常重要的作用。石英砂在铸造行业的用量比较大,一般生产1吨铸件需要1吨型砂和粘土。
但是随着产业发展状况的不同,对石英原料的要求也有较大的不同。随着产业的高端化,对石英纯度的要求也有所增加。如铸造中比较先进的树脂砂工艺所需要的石英砂中SiO₂的含量要高于97%,粒度要在40~320目之间。在机械铸造行业所使用的石英砂大约占全球总产量的33%。

第三
陶瓷工业
在陶瓷工业中,石英可调节陶瓷坯体的可塑性和结合性,在烧成过程中与氧化铝一起形成陶瓷的骨架成分,是陶瓷强度的基本保障。同时,石英的存在可以抵消坯体收缩,提高陶瓷制品机械强度、透光度和白度。
陶瓷制品对石英砂的质量要求
石英还是陶瓷釉料中玻璃质的主要形成体,赋予了陶瓷釉面一系列良好的物理化学性能(如强度、光泽度、耐磨性、硬度和耐化学侵蚀等),另外增加釉料中SiO₂含量还能提高釉料的熔融温度与粘度。
熔融石英陶瓷,是以熔融石英或石英玻璃为原料,将原料经过粉碎、筛分、球磨、混料、注塑成型等工序,最后经过烧结制成的复合材料。熔融石英因为具有热膨胀系数小、热稳定性强、绝缘性能优异等性能,在诸多领域都有越来越多的应用。

半导体工业中,熔融石英陶瓷坩埚作为太阳能多晶硅铸锭用容器,需在1500℃以上的高温环境中长时间工作,对其纯度、强度、耐高温性能、尺寸精度等要求非常严格,相应的,对石英原料的纯度的要求也非常严格。其中,尤其是碱金属的含量(如K、Na等元素容易产生高温熔融相)需要严格的控制。
第四
其他产业
半导体工业
半导体工业用的石英制品主要是用作封装材料,与固化剂、环氧树脂及各种添加剂等复合使用,可以降低封装材料的成本。对石英原材料的要求也很高,需要二氧化硅的纯度达到99.9%以上,其中Fe的含量要在5ppm以下,总杂质含量不超过300ppm。这些产品过去主要依赖国外进口,近年来随着对石英材料的深入研究,生产石英材料的技术得到了大幅度的提升,目前,不仅可以满足国内市场需求,还大量出口到国外。

化工工业
石英砂在化工工业中的应用较普通玻璃、陶瓷、耐火材料等,对其质量有稍高的要求。一般常见于水玻璃、硅胶和泡花碱等产品中。以泡花碱为例,根据其用途不同可以分为固体和液体泡花碱,作为洗涤用品和纸箱粘合剂的液体泡花碱要求SiO₂的含量高于98%,Fe2O3的含量低于0.2%,粒度要求在0.2~2mm之间,而作为石油炼制催化剂的固体泡花碱则要求严格些,SiO₂的含量高于99%,Fe2O3的含量低于0.03%
工业填料
石英砂作为工业填料是其又一个重要的应用领域,受到了普遍的重视。主要用于有机高分子材料中,比如塑料及其塑料薄膜、橡胶、涂料、油漆和粘结剂等,以改善它们的物化特性或者提高某一方面的特性,例如加入石英砂后可以提高塑料的抗压和抗拉强度。一般对石英砂质量的要求比较高,SiO₂的含量达到99%以上,Fe2O3的含量要在0.05%以下,有时对石英砂质量的要求可以达到高纯石英的要求。

总结各行业中对于石英砂纯度要求:
普通硅酸盐玻璃:要求SiO₂一般占65%~75%左右,浮法玻璃一般要求石英原料中SiO₂含量在96%以上,Al2O3含量在2%以下,Fe2O3在0.01%~0.1%之间。
特种玻璃、超白玻璃、精密光学玻璃:要求SiO₂的含量要在99%以上,Fe2O3的含量要低于0.05%~0.1%,Al2O3和TiO₂的含量分别要求在0.5~2.0%和0.05%以下。
机械铸造:先进的铸造工艺所需要的石英砂中SiO₂的含量要高于97%,粒度要在40~320目之间。
陶瓷工业:建筑、卫生陶瓷要求SiO₂含量在98.5%以上,Fe2O3在0.02%以下,Al2O3在0.5%以下;无线电陶瓷要求SiO₂含量在98.5%以上,Fe2O3在0.05%以下,Al2O3在2.0%以下。
半导体:要求SiO₂含量99.9%以上,其中Fe的含量要在5ppm以下,总杂质含量不超过300ppm。
固体泡花碱:要求SiO₂的含量高于99%,Fe2O3的含量低于0.03%。
工业填料:要求SiO₂的含量达到99%以上,Fe2O3的含量要在0.05%以下,根据实际情况对石英砂质量的要求可以达到高纯石英的水准。
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