معجزه ای به نام سیلیس رسوبی (Precipitated Silica)
سیلیس، ماده‌ای نامرئی اما بسیار موثر است. احتمالا اسم “ماسه سیلیسی” را شنیده‌اید. اما سیلیس رسوبی چیست و چه کاربردهایی دارد؟ چگونه تولید می‌شود؟ اجازه دهید ابتدا کمی دانش خود را در این زمینه افزایش دهیم.
فرمول شیمیایی سیلیس، SiO2 است، که در دنیای آکادمیک به عنوان دی‌اکسید سیلیسیم (Silicon Dioxide) شناخته می‌شود. در صنعت، سیلیس به دو شکل معدنی و سنتزی وجود دارد. سیلیس معدنی از معادنی که به آن “معدن کوارتز” نیز گفته می‌شود، استخراج می‌شود. کوارتز، یکی از ساختارهای بلوری سیلیس است که به صورت طبیعی در معادن با خلوص بالا یافت می‌شود. پس از خرد کردن سنگ کوارتز، ماسه سیلیسی سفیدرنگ و جذاب به دست می‌آید که در صنایع مختلفی همچون شیشه‌سازی، ریخته‌گری، صنایع نسوز و ساختمان سازی به طور گسترده مصرف می‌شود. ویژگی اصلی این ماسه، سختی بسیار بالای آن است. سیلیس با سختی موهس 7 یکی از مواد سخت است و به دلیل خلوص بالا، استحکام و مقاومت حرارتی بسیار خوبی دارد. همچنین مقاومت به خوردگی بسیار بالایی دارد. شیشه نیز یکی دیگر از اشکال سیلیس است که به صورت ساختارهای نامنظم یا آمورف وجود دارد. سیلیس در حالت آمورف شفاف می‌شود و خاصیت نامرئی پیدا می‌کند. در واقع، اختراع شیشه که همان به هم ریختن ساختار منظم سیلیس است، یکی از بزرگترین اختراعات بشر محسوب می‌شود. تصور کنید دنیای بدون وجود شیشه چه خواهد بود.
در دهه ۲۰ میلادی، اختراع مهمتری در مورد سیلیس رخ داد و آن تولید سیلیس رسوبی بود. شرکت‌های آلمانی روشی صنعتی را گسترش دادند که می‌توانستند سیلیس را از طریق رسوب دادن (Precipitation) سیلیس از داخل محلول سدیم سیلکات (Sodium Silicate) تولید کنند. این پودر، علاوه بر سختی و خواص مکانیکی و شیمیایی بالای سیلیس، دارای اندازه ذرات ریز و یکدست و مهم‌تر از همه، سطح ویژه بسیار بالایی است. سطح ویژه بالای سیلیس رسوبی (Precipitated Silica) به دلیل ایجاد خلل و فرج در طی فرآیند رسوب دهی است. سطح ویژه بالا از این لحاظ اهمیت دارد که سطح فعال بیشتری را ایجاد می‌کند. این ویژگی در صنعت لاستیک سازی در دهه ۵۰ و ۶۰ میلادی خود را نشان داد. تولیدکنندگان تایر به جای کربن بلک (دوده) از سیلیس رسوبی برای افزایش مقاومت به سایش تایرها استفاده کردند و نتایج بسیار خوبی گرفتند. اوایل به آن کربن بلک سفید (white carbon black) میگفتند و بعدها اصطلاح سیلیس رسوبی شهرت پیدا کرد. امروزه، سیلیس رسوبی بخش جدایی ناپذیر صنعت تایرسازی به شمار می‌رود.
امروزه، سیلیس رسوبی به دلیل خلوص بالا و همچنین سطح ویژه بالا، کاربردهای متعددی در صنایع مختلف پیدا کرده است. قابلیت توزیع‌پذیری این پودر با مواد مختلف و خواص ویژه‌ای که می‌تواند داشته باشد، باعث شده تا سریعا در صنایع گوناگونی همچون پلاستیک، رنگ، مواد شیمیایی، داروسازی، آرایشی و بهداشتی مورد استفاده قرار گیرد. در ادامه، کاربردهای امروزی این ماده را به صورت مفصل توضیح خواهم داد.
سیلیس رسوبی، اصطلاحی است که در ایران ناشناخته است، اما این محصول به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. به دلیل واردات از کشورهای مختلف، به ویژه آلمان، اسم های تجاری متنوعی برای این ماده در ایران رایج شده است. در صنعت تایرسازی، برند “اولتراسیل” (Ultrasil) که توسط شرکت اوانیک تولید می‌شود، بسیار شناخته شده است. حتی گریدهای چینی و هندی نیز با همین نام “اولتراسیل” در ایران معرفی می‌شوند. همچنین، نوع دیگری از سیلیس به نام “فیومد سیلیکا” (fumed silica) در جهان شناخته شده است که با برند معروف “اروزیل” (Aerosil) از شرکت اوانیک در ایران بسیار شناخته شده است. گریدهای چینی و هندی نیز در ایران با نام “اروزیل” جا افتاده اند.
از سال 1400، شرکت رایان پودر در ایران توانسته است با بهره‌گیری از دانش فنی متخصصان دانشگاه شریف و دانشگاه کالیفرنیا، فرایند تولید سیلیس رسوبی را با برند “رایاسیل” (Rayasil) به صورت صنعتی بومی‌سازی کند و این محصول ارزشمند را در سطح گسترده در دسترس صنعتگران قرار دهد.
در جدول زیر برخی از کاربردهای سیلیس رسوبی در صنایع و کاربردهای مختلف را ملاحظه می فرمایید:
صنعت | کاربرد | ویژگی |
شیمیایی | ضد کف پودری | تبدیل مایع به پودر (liquid carrier) |
پودر پلاستیک | – افزایش جریان پذیری پودر – کاهش شارژ الکترواستاتیکی – ضد کلوخگی گرانول ها پلی استایرن | |
پودر اطفاء حریق | بهبود جریان پذیری و پایداری ذخیره سازی | |
سایر مواد پودری | بهبود جریان پذیری و ضدکلوخگی و پایداری ذخیره سازی | |
لاستیک و تایر | لاستیک سیلیکونی انواع قطعات لاستیکی از جمله رولرها و تسمه ها | – قوام دهنده – ضد سایش |
پلاستیک | پلی اتیلن | – جاذب مادون قرمز (IR) – آنتی بلاک – حفره ساز در سپراتورهای باتری |
پلی پروپیلن | -آنتی بلاک | |
پلی استر (PET) | آنتی بلاک | |
پی وی سی | – آنتی بلاک – افزایش سختی و مقاومت به سایش در کف پوش ها – استابیلایزر | |
پلی استایرن | عامل حباب زا | |
پلی کلروپن | افزودنی چسب | |
ترموپلاستیک | افزایش مقاومت به سایش و حرارت در زیره کفش | |
عایق پلی سولفید | عامل فعال | |
پلی استر اشباع نشده | کنترل تیکسوتروپی و ویسکوزیته | |
رنگ و رزین | رنگ و پوشش | – جایگزینی تیتان تا 50 درصد – مات کننده – قوام دهنده – کنترل ویسکوزیته |
جوهر پرینت | افزایش تیکسوتروپی بهبود کیفیت چاپ | |
کاغذ | کاغذ های دکوراتیو | مکمل تیتان |
چاپ جوهر افشان | – افزایش رزولوشن – افزایش جذب | |
کاغذ حرارتی | – عایق حرارتی – افزایش رزولوشن | |
کشاورزی | سم های وتابل (wettable) و حلال در آب | – حامل مواد فعال – بهبود گرانول پذیری – حامل مواد حساس به اسید – بهبود آسیاب پذیری – کنترل رهاسازی – پایدارکنندگی مواد فعال |
آرایشی بهداشتی | انواع کرم ها کرم پودر ها رنگدانه ها خمیردندان | – ساینده – قوام دهنده – غلظت دهنده – مات کننده – جاذب – ضد کلوخه |
خوراک | ویتامین E-acetate | تبدیل مایع به پودر |
کلین کلراید | تبدیل مایع به پودر | |
پریمیکس ویتامین | ضدکلوخه | |
سایر افزودنی های مایع | تبدیل مایع به پودر | |
غذای ماهی | افزایش چربی در خوراک | |
جایگزین شیر | ضد کلوخه افزایش جریان پذیری | |
پودر Whey | ضد کلوخه افزایش جریان پذیری | |
پودر اوره و سایر مواد معدنی | ضد کلوخه افزایش جریان پذیری | |
غذا | پودر قوه و کرم | ضد کلوخه افزایش جریان پذیری |
نمک و شکر | ضد کلوخه افزایش جریان پذیری | |
ادویه ها و سایر مواد غذایی پودری | ضد کلوخه افزایش جریان پذیری |
ویژگی های فنی سیلیس رسوبی
سیلیس رسوبی، به دلیل اینکه توسط انسان تولید می‌شود، می‌تواند با ویژگی‌های متفاوتی تولید گردد. ترکیب خاصی از این ویژگی‌ها، شخصیت منحصربه‌فرد سیلیس رسوبی را شکل داده و باعث می‌شود هر کدام بتوانند در کاربردها و محصولات مختلف، اثربخشی متفاوتی از خود نشان دهند. مهم‌ترین این ویژگی‌ها که در شرایط تولید قابل کنترل هستند، عبارتند از:
– توزیع اندازه ذرات (Particle size distribution)
o سیلیس رسوبی از ذرات بسیار ریزی در حد میکرونی تشکیل شده است و هر چه این ذرات توزیع یکنواخت‌تری داشته باشند، خواص نزدیک‌تری به یکدیگر پیدا می‌کنند. با انجام آنالیز اندازه ذرات (Particle Size Distribution) با دستگاه‌های پیشرفته، می‌توان توزیع اندازه ذرات را به صورت نموداری که معمولاً به شکل توزیع نرمال و زنگوله‌ای است، به دست آورد. این نمودار سه عدد مربوط به اندازه ذرات میانگین (d50)، کمینه (d10) و بیشینه (d90) را ارائه می‌دهد که معمولاً بین 1 تا 100 میکرون (μm) قرار دارند. در کاربردهای مختلف، ترکیب بهینه‌ای از این اعداد، بالاترین اثربخشی را ایجاد می‌کند.
– سطح ویژه (Surface Area)
o میزان خلل و فرجی که در سطح ذرات سیلیس رسوبی به وجود میاید با کنترل شرایط تولید قابل تغییر می باشد. برای اندازه گیری سطح ویژه از آنالیز BET استفاده می شود که عددی رو به عنوان اندازه سطح ویژه با واحد مترمربع بر گرم (m2/g) ارایه می شود. هرچه سطح ویژه بالاتر می رود یک پودر با حجم بالاتر (چگالی پایین تر) بوجود می آید که در بعضی کاربردها موثر تر می باشد ولی در برخی از کاربردها سطح ویژه پایین تر مورد نیاز است. در برخی صنایع یک سطح ویژه متوسط مورد نظر می باشد. بازه سطح ویژه سیلیس رسوبی بسیار گسترده است چیزی بین 30 تا 900 می تواند باشد.
– جذب روغن (Oil Absorbtion)
o یکی از خواص اصلی سیلیس رسوبی قابلیت جذب مایعات می باشد که معمولا با آزمایشی به نام جذب روغن با یک روش استاندارد بین المللی (ISO 19246) با روغن DOA اندازه گیری شده و به صورت واحد میلی گرم روغن در صد گرم سیلیس رسوبی (g/100g) بیان می شود. در کاربردهای مختلف از جذب روغن بالا بهره می برد و در برخی دیگر از جذب روغن های پایین. این اعداد معمولا بین 50 تا 500 می باشند.
– آبدوستی/آبگریزی (Hydrophilic/Hydrophobic)
o سیلیس رسوبی به خودی خود، دارای سطح آبدوست بوده و با مولکول‌های ناقطبی مانند آب به خوبی ارتباط برقرار می‌کند. اگرچه در برخی کاربردها که مولکول‌های قطبی وجود دارند، این ویژگی مورد علاقه نیست. با انجام اصلاح سطحی (Surface Treatment) بر روی سیلیس رسوبی با مولکول‌های ارگانیک که عمدتاً بر پایه سیلان (Silane) هستند، می‌توان باعث ایجاد خاصیت آبگریزی در این مواد شد. این موضوع باعث بهبود توزیع‌پذیری این مواد، به ویژه در صنعت لاستیک می‌گردد.
– حجم حفرات (Pore Volume):
o علاوه بر اندازه سطح ویژه که یک ویژگی مهم سیلیس رسوبی است، حجم حفرات نیز در برخی کاربردها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تست آنالیز BET علاوه بر عدد سطح ویژه یک پارامتر مهم دیگر به اسم حجم حفرات (Pore Volume) را نیز گزارش می دهد که باعث می شود پودرهایی با سطح ویژه یکسان ولی حجم حفرات مختلف را از همدیگر متمایز کرد. در برخی کاربردها حجم حفرات اهمیت بسیاری دارند. به طور معمول ذرات با حجم حفرات بزرگتر قابلیت ترکیب پذیری بهتری با مواد پایه بوجود می آورند زیرا که مواد دیگر میتوانند براحتی در حفرات نفوذ پیدا کرده و یکدستی بیشتری برای سیلیس رسوبی در ساختار آنها بوجود می آورد. این معیار که با مترمکعب بر گرم سیلیس رسوبی (cm3/g) گزارش می شود در دیتاشیت بسیاری از شرکت ها ارائه نمی شود و معمولا توسط گروه تحقیق و توسعه شرکت های مصرف کننده بررسی می شود.
– شکل ظاهری (Physical Form):
o به دلیل اینکه سیلیس رسوبی یک پودر با سطح ویژه نسبتاً بالا است، گرد و غبار زیادی در هنگام انتقال و استفاده ایجاد می‌کند که می‌تواند باعث دشوار شدن استفاده از آنها شود. به همین دلیل، با گرانول کردن این مواد به صورت ذرات درشت‌تر می‌توان از این مشکل جلوگیری کرد. نکته اساسی گرانول شدن این است که پس از انتقال، با ایجاد گرد و غبار بسیار کمتر، به راحتی با نیروی بسیار کمی از هم جدا شده و به ابعاد پودری خود بازمی‌گردند. برخی شرکت‌های تولیدکننده سیلیس رسوبی، هر دو شکل پودری (Powder) و گرانول (Granule) را به مشتریان خود ارائه می‌دهند.
برای دریافت فایل اطلاعات فنی RAYASIL 222 روی لینک زیر کلیک نمایید.
