Mo-Sci Blog

kwarts, gesmolten kwarts, kwartsglas, silica, gesmolten silica… de lijst met termen die worden gebruikt om verschillende materialen op basis van silica te beschrijven is lang, verwarrend en vaak verkeerd begrepen. In dit artikel bekijken we de unieke eigenschappen van kwarts en gesmolten siliciumdioxide (en een paar verwante materialen) van dichtbij en verhelderen we de verwarring rond deze termen.

kwarts vs. Silica

het eerste belangrijke dat men moet weten over kwarts en gesmolten silica is dat beide hoofdzakelijk uit hetzelfde ingrediënt bestaan: silica, ook wel siliciumdioxide genoemd. Silica heeft de chemische formule SiO2 en is het primaire bestanddeel van de meeste soorten glas. De belangrijkste vorm waarin silica in de natuur voorkomt is het mineraal kwarts: een hard, transparant kristallijn materiaal dat een aanzienlijk deel van de aardkorst uitmaakt. Terwijl kwarts hoofdzakelijk uit silica bestaat, bevat het ook van nature voorkomende onzuiverheden in verschillende verhoudingen, afhankelijk van zijn geologische oorsprong.

silica is een specifieke chemische verbinding, siliciumdioxide, met de chemische formule SiO2. Aan de andere kant is kwarts een natuurlijk voorkomend kristallijn mineraal, dat voornamelijk uit silica bestaat, maar enkele onzuiverheden bevat.

kristallijne en amorfe vaste stoffen

om de verschillen tussen verschillende materialen op basis van silica volledig te begrijpen, moeten we eerst de fundamentele verschillen tussen kristallijne vaste stoffen en amorfe vaste stoffen bekijken.

het onderscheid komt neer op de indeling van atomen in vaste stoffen. In een kristallijne vaste stof, zijn de samenstellende atomen gerangschikt in regelmatige, zich herhalende patronen bekend als kristalroosters. Kwarts is een voorbeeld van een kristallijn materiaal op basis van silica: silicium-en zuurstofatomen zijn gerangschikt in een goed gedefinieerde geordende structuur.

in een amorf vaste stof hebben de atomen echter geen langeafstandsvolgorde. De schijnbaar willekeurige rangschikking van moleculen in een amorfe vaste stof lijkt op die van een vloeistof, behalve dat ze zijn gefixeerd op hun plaats en niet bewegen. De meeste materialen die we zien als “glas” zijn amorfe vaste stoffen: in feite kan elk materiaal met een amorfe atomaire structuur worden omschreven als “glazig”.

of atomen ordelijk geordend of willekeurig georiënteerd zijn, kan de eigenschappen van een materiaal diepgaand beïnvloeden. Een van de meest opvallende voorbeelden is het glasovergangseffect van amorfe vaste stoffen. Buiten de wereld van silica of andere oxide-gebaseerde materialen, wanordelijke “glazige” metalen worden vaak gebruikt voor hun ongewone mechanische eigenschappen in vergelijking met conventionele metalen.1

materialen op basis van siliciumdioxide-zoals kwarts – kunnen worden gekarakteriseerd zowel in termen van hun chemische samenstelling als of ze kristallijn of amorf zijn.

Defining Silica-Based Materials

nu we enkele belangrijke fundamentals hebben bekeken, kunnen we de verschillen definiëren tussen kwarts, gesmolten silica en andere materialen op basis van silica.

kwarts

zoals eerder vermeld is kwarts de belangrijkste vorm waarin silica in de natuur voorkomt. Kwarts is een kristallijne vaste stof; dus, terwijl het kan lijken op glas, zowel in termen van het uiterlijk en de chemische make-up, het heeft zeer verschillende eigenschappen van glas.

industriële toepassingen van kwarts (dat wil zeggen het kristallijne mineraal) zijn beperkt, maar omvatten kwartskristaloscillatoren in elektronische systemen – meestal in Polshorloges.

misschien verwarrend, “synthetisch kwarts” kan worden vervaardigd voor industriële kwartstoepassingen. Dit zou misschien beter worden aangeduid als kristallijn silica, maar wordt vaak gewoon aangeduid als “kwarts.”

gesmolten siliciumdioxide en gesmolten kwarts

hier verwijst het woord “gesmolten” naar een verwerkingsstap: gesmolten siliciumdioxide is nominaal zuiver siliciumdioxide dat is gesmolten en gekoeld tot een glasachtige, amorfe vaste stof. Gesmolten silica lijkt op andere glazen in vele opzichten; maar het bevat geen additieven. Gesmolten silica is een speciaal materiaal met een aantal hoogwaardige toepassingen.

de termen “gesmolten siliciumdioxide” en “gesmolten kwarts” worden vaak door elkaar gebruikt. Nauwkeuriger,” gesmolten kwarts ” verwijst naar een amorfe vaste stof gevormd door het smelten van natuurlijk voorkomend kwarts. Dus, terwijl gesmolten silica ogenschijnlijk zuiver SiO2 is, bevat gesmolten kwarts onzuiverheden afhankelijk van het gebruikte kwarts.

Silicaglas en kwartsglas

deze termen worden gewoonlijk gebruikt in een meer algemene zin en kunnen gewoonlijk als onderling verwisselbaar worden beschouwd. Beide termen kunnen verwijzen naar gesmolten siliciumdioxide of gesmolten kwarts.

toepassingen van gesmolten siliciumdioxide

terwijl gesmolten siliciumdioxide chemisch vergelijkbaar is met kwarts, geeft de amorfe structuur het een aantal verschillende en zeer wenselijke thermische, mechanische en elektrische eigenschappen.

glazen bevatten gewoonlijk additieven zoals alkali, aardalkaline of andere oxiden om de temperatuur van de glasverwerking (smelting) te verlagen en de chemische en fysische eigenschappen te verbeteren – maar gesmolten siliciumdioxide is zeer zuiver. Bijgevolg heeft het hogere werktemperaturen, maar biedt andere kenmerken dan andere glazen.

gesmolten siliciumdioxide heeft een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt, wat betekent dat het niet uitzet of veel samentrekt wanneer het wordt verwarmd of gekoeld. Hierdoor is gesmolten silica zeer goed bestand tegen thermische schokken en kan het bestand zijn tegen zeer snelle verwarming of koeling zonder scheuren. De thermische eigenschappen van gesmolten silica maken het zeer waardevol voor hoge-temperatuur industriële componenten zoals smeltkroezen, trays, en boten voor staalproductie en glasfabricage.2

gesmolten siliciumdioxide is transparant tot een zeer breed spectrum van licht, variërend van diep ultraviolet tot ver-infrarood. Dit maakt het een belangrijke component in optische vezels, evenals in een reeks van lenzen, spiegels, en andere UV – of IR-verzendende optica.3,4

gesmolten siliciumdioxide is ook extreem chemisch inert en bestand tegen de meeste zuren (met uitzondering van fluorwaterstofzuur). Deze chemische inertheid verleent gesmolten kiezelzuur aan biomedische toepassingen, die vaak de vorm van poreus kiezelzuur aannemen.

door de combinatie van thermische stabiliteit, transparantie en sterkte is gesmolten siliciumdioxide een sterke kandidaat voor nieuwe en zich ontwikkelende toepassingen zoals fotolithografiesubstraten, geëtste microgolfcircuits en als beschermende laag in halfgeleiderelementen.

Custom Glass Solutions van Mo-Sci

Mo-Sci ontwikkelt en produceert een reeks hoogwaardige glazen voor technische toepassingen. Neem vandaag nog contact op met een lid van ons team om meer te weten te komen over onze gesmolten silica en poreuze silica producten, of om een aangepaste glastoepassing te bespreken.

referenties en verdere informatie

1. glazig metaal op rivaal staal: Nature News. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. selectie van vuurvaste materialen voor de Staalfabricage. (John Wiley & Sons, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. A. & Yaacob, M. H. Koolstof nanobuisjes en Grafeenoxide toepassingen in Optochemische sensoren. in synthese, technologie en toepassingen van koolstof nanomaterialen 223-246 (Elsevier, 2019). doi: 10.1016 / B978-0-12-815757-2.00010-3.
4. Wang, S., Zhou, C., Zhang, Y. & Ru, H. Deep-etched high-density fused-silica transmission roosters met een hoog rendement bij een golflengte van 1550 nm. Appl. Kiezen. 45, 2567 (2006).