石英砂深度提纯路上的“拦路虎”——气液包裹体知多少!液氨棉是什么面料?

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石英玻璃因具有优越的物理、化学性能,越来越多的被广泛作为光电源、光通讯、航天、军工等领域的尖端材料。随着高科技的不断发展,对石英玻璃原料——石英砂的纯度要求越来越高。然而石英砂中通常含有大量结构组成性杂质,比如气液包裹体和杂质离子,这些结构组成性杂质是形成石英玻璃气泡、杂质缺陷的主要因素。但是,现有工艺技术难以根本消除此类缺陷。因此,气液包裹

石英砂深度提纯路上的“拦路虎”——气液包裹体知多少!液氨棉是什么面料?

石英玻璃因具有优越的物理、化学性能,越来越多的被广泛作为光电源、光通讯、航天、军工等领域的尖端材料。随着高科技的不断发展,对石英玻璃原料——石英砂的纯度要求越来越高。然而石英砂中通常含有大量结构组成性杂质,比如气液包裹体和杂质离子,这些结构组成性杂质是形成石英玻璃气泡、杂质缺陷的主要因素。但是,现有工艺技术难以根本消除此类缺陷。因此,气液包裹体和羟基水(OH)-的去除是实现提纯石英矿石代替水晶制备高端石英玻璃原料的关键与难点之一。

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石英砂中的气液包裹体是什么

石英矿在生长过程中,部分液体和气体在石英晶体内部被包裹起来,称其为气液包裹体,一般气液包裹体都是由气相和液相所组成的二相体,主要包含有H2O、CO2、H2、O2N2、CH4、CO等。在包裹体中的液相占整体的比例称为填充度。通常填充度大于60%被称为液体包裹体,填充度小于60%为气液包裹体。

用国产石英矿替代水晶生产石英玻璃中,气液包裹体含量的多少,直接影响着其性质的优越程度。石英砂中流体杂质主要是以流体包裹体为主,包括了石英表面所吸附的气体和以分子或离子状态溶解在石英结构中的气体杂质。

在流体包裹体杂质中,羟基的水分子含量占最主要的部分。根据水的存在形式可以分为两大类,一类是吸附水,以游离的状态吸附于石英砂表面。这类水可以通过升温干燥的方式去除。另一类是结构水,即石英晶体结构当中的羟基,这一类水去除的难度较大。

石英中的水含量会影响石英玻璃的透明度,水和其他气体共同作用会降低石英玻璃的软化温度、粘度、扩散系数、机械性能、分相和析晶性能等。

天然石英中另一类含量比较大的流体杂质是含碳化合物,即CO2、CO、CxHy、CxHyOH等。CO2主要源自富含CO2的包裹体;高温状态下,CO的析出大都是含炭物质与SiO2相互作用而产生的,同时会产生水。

石英砂中流体杂质的存在形式及主要成分

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如何去除石英砂中的气液包裹体

机械破碎法

石英晶体中的气液包裹体大小一般在1~50μm之间。从理论上只要石英矿石被破碎足够细,就会除去石英矿石中大部分气液包裹体。在一般情况下,石英矿石中较大的气液包裹体都会在机械破碎中除去。但是由于各类产品对原料石英砂的粒径有一定的要求,所以这种方法对于较大的气液包裹体有一定的效果,但是对于那些较小的气液包裹体基本无效,且无法剔除金属杂质。

高温氯化脱气法

将石英砂加热到1000-1200℃并在高温的条件下通入Cl2和HCl气体,这种方法是利用在高温条件下Cl2和杂质离子发生反应,反应生成的气态盐类可以从石英晶体微裂纹处排出从而达到提纯的效果,这种方法对石英中的羟基有一定去除效果。美国尤尼明公司在2006年利用高温氯化脱气法制备的高纯石英砂对气液包裹体的去除效果明显,其IOTA系列高纯石英砂在全球处于领先水平。

酸碱差异腐蚀法

酸碱差异腐蚀法是通过石英晶体与金属杂质和气液包裹体在酸和碱的腐蚀下有着不同的腐蚀速率,从而使其去除金属杂质和气液包裹。但是,当反应达到一定程度时部分的杂质就不再受酸碱差异的影响,导致石英晶体中的气液包裹体不能被彻底的去除。这也说明酸碱差异腐蚀对金属杂质和气液包裹体有效果,但作用也有一定限度。

热或冷爆裂法

冷或热爆裂法是通过加热石英晶体,使其处于高温的条件下,则石英晶体与其中的气液包裹体界面将会产生极大的压力差。这个压力差将会使石英晶体内的气液包裹体炸裂,从而使石英晶体内的气液包裹体达到去除的效果。

微波法

利用微波选择性加热特性去除石英矿中气液包裹体。俄罗斯科研人员的研究表明:石英矿在微波场的作用下加热到500℃时,矿物中的气液包裹体个数从9159个降低到992个,去除效果十分明显。然而这只是简单的对实验结果进行分析,并没有进一步探究微波场作用石英的机理及石英在微波场中的热裂行为。

小结

地壳中石英矿的储量相当丰富,如果能够采用有效工艺手段将石英高度除杂、提纯,制备成高纯石英砂,那么其对石英玻璃行业发展的推动作用是空前的。但是,目前最为关键的难题是石英中的结构性杂质的去除,尤其是气液包裹体的去除。

气液包裹体含量对石英玻璃的质量好坏及透明度的高低至关重要,如何选择原料矿和如何有效地去除石英砂中气液包裹体是制备高纯石英玻璃原料的关键。现有的研究结果表明去除气液包裹体的各种技术手段都有一定的局限性。因此,最有效的手段就是探寻含结构性杂质较少(尤其是气液包裹体)的石英矿,作为石英玻璃的矿源,并进一步探寻新的去除气液包裹体工艺技术。

参考来源:

肖嘉凯:替代水晶砂之国产石英砂中ppm级杂质剔除的研究

刘泰荣:酸浸辅助微波场去除石英砂中气液包裹体的研究

李静:微波和酸蚀作用去除石英砂中气液包裹体及机理研究

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