O dióxido de silício (SiO₂) forma a estrutura principal do vidro, proporcionando alta resistência mecânica e excelente estabilidade química. Por isso, a areia de quartzo é a matéria-prima mineral industrial mais importante na indústria vidreira. Ela serve como ingrediente principal em tudo, desde vidro plano e vidro para embalagens até vidro ultratransparente, vidro fotovoltaico e até mesmo vidro de quartzo.
Para os fabricantes de vidro, a qualidade da areia de quartzo determina diretamente a qualidade do produto final. A indústria avalia a areia de quartzo principalmente através de três perspectivas críticas:
– Composição química – Níveis de pureza e impurezas, especialmente de ferro e alumina.
– Consistência e estabilidade – Qualidade uniforme de lote para lote.
– Distribuição do tamanho das partículas – o tamanho e a forma corretos dos grãos para uma fusão eficiente e homogênea.
No entanto, nem todo vidro é criado da mesma forma, e cada tipo de produto de vidro exige uma granulometria diferente de areia de quartzo. Vamos explorar como esses requisitos se distribuem entre as principais categorias de vidro.
1. Classificação da areia de quartzo para a indústria vidreira
A norma industrial chinesa define o sistema de classificação e os métodos de teste para areia de quartzo processada utilizada em todos os tipos de fabricação de vidro. Essa norma continua a servir como referência fundamental para fornecedores e fabricantes de vidro, auxiliando-os na seleção da granulometria de areia adequada à aplicação pretendida.
| Nota | Nome | SiO₂ ≥ (%) | Fe₂O₃ (ppm) | Cr (ppm) | Al (ppm) | Ti (ppm) | Li (ppm) | Na (ppm) | K (ppm) | Perda na ignição ≤ (%) |
| 1 | Areia de quartzo ultrapura | 99.98 | 2 | 0.5 | 30 | 2 | 3 | 3 | 3 | 0.1 |
| 2 | Areia de quartzo de alta pureza | 99.98 | 4 | 0.5 | 70 | 3 | – | – | – | – |
| 3 | Areia de quartzo flutuante | 99.95 | 20 | 1.0 | – | 5 | – | – | – | – |
| 4 | Areia de quartzo lavada com ácido | 99.6 | 50 | 2.0 | – | 300 | – | – | – | – |
| 5 | Areia de quartzo cristalino | 99.0 | 200 | 2.0 | – | – | – | – | – | – |
| 6 | Areia de quartzo para vidro de laboratório | 99.0 | 300 | 2.0 | – | – | – | – | – | – |
| 7 | Areia de quartzo comum | 98.5 | 400 | 6.0 | – | – | – | – | – | – |
| 8 | Areia de quartzo geral | 98.5 | 600 | 6.0 | – | – | – | – | – | – |
| 9 | Areia de quartzo refratária | 97.0 | 2000 | – | – | – | – | – | – | – |
2. Vidro plano
O vidro plano abrange uma ampla gama de aplicações subsequentes, e as especificações da areia de quartzo podem variar de acordo. De forma geral, o setor de vidro plano categoriza a areia de quartzo em dois tipos com base na composição química e no tamanho dos grãos:
- Tipo I: Baixo teor de Al₂O₃
- Tipo II: Maior teor de Al₂O₃
A norma profissional JC/T 529-2000 “Matérias-primas siliciosas para vidro plano” estabelece requisitos detalhados para a composição química e a distribuição granulométrica. Os principais parâmetros são os seguintes.
Composição química e requisitos de umidade para areia de quartzo para vidro plano
| Areia de quartzo de alta qualidade | w(SiO₂) / % | w(Al₂O₃) / % | w(Fe₂O₃) / % | w(H₂O) / % |
| Classe I | ≤5,00 | |||
| Premium | ≥98,50 | ≤0,50 | ≤0,05 | |
| ≥98,00 | ≤1,20 | |||
| Primeiro ano | ≥98,50 | ≤0,70 | ≤0,10 | |
| ≥97,50 | ≤1,20 | |||
| Segundo ano | ≥98,00 | ≤0,70 | ≤0,15 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Terceiro ano | ≥98,00 | ≤0,70 | ≤0,20 | |
| ≥96,50 | ≤1,50 | |||
| Classe II | ||||
| Primeiro ano | ≥92,00 | ≤4,00 | ≤0,20 | |
| Segundo ano | ≥90,50 | ≤4,50 | ≤0,30 |
Variação admissível na composição química da areia de quartzo para vidro plano
| Areia de quartzo de alta qualidade | Variação de SiO₂ / % | Variação de Al₂O₃ / % | Variação de Fe₂O₃ / % |
| Classe I | |||
| Premium | ±0,20 | ±0,10 | ±0,01 |
| Primeiro ano | ±0,30 | ±0,15 | – |
| Segundo ano | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Terceiro ano | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Classe II | |||
| Primeiro ano | ±0,30 | ±0,20 | – |
| Segundo ano | ±0,30 | ±0,20 | – |
Requisitos de distribuição granulométrica para areia de quartzo para vidro plano
| Areia de quartzo de alta qualidade | +1 mm | +710 μm | +500 μm | –100 μm (–125 μm) |
| Classe I | ||||
| Premium | ≤0 (0) | ≤0,5 (0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 (5,0) |
| Primeiro ano | ≤0 (0) | ≤0,5 (0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤10,0 (5,0) |
| Segundo ano | ≤20,0 (8,0) | |||
| Terceiro ano | ||||
| Classe II | ||||
| Primeiro ano | ≤0 (0) | ≤0,5 (0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 |
| Segundo ano | ≤0 (0) | ≤0,5 (0,5) | ≤5,0 (5,0) | ≤5,0 |
Observação: Os valores entre parênteses indicam os requisitos para produtos de areia de sílica natural.
3. Recipientes e Vidro Doméstico
Os produtos de vidro para uso doméstico e para embalagens incluem garrafas e frascos, utensílios de mesa, vidraria de laboratório e vidro farmacêutico. Eles atendem às indústrias alimentícia, de bebidas, de bebidas alcoólicas e médica. A areia de quartzo representa uma grande proporção da mistura de lotes neste segmento.
Como a temperatura de fusão da areia de quartzo é de aproximadamente 1730 °C, o tamanho das partículas dos grãos de areia tem uma grande influência na formação do vidro e na eficiência da fusão. Na produção em larga escala, geralmente se preferem partículas de quartzo angulares, pois sua maior área superficial ajuda a evitar a segregação do lote. A faixa de tamanho de partícula ideal para essa aplicação é tipicamente de 60 a 140 mesh.
Para utensílios de mesa finos e vidro para instrumentos, a especificação de exploração geológica DZ/T 0207-2002 estabelece os requisitos de qualidade para matérias-primas siliciosas.
Requisitos de qualidade para areia de quartzo utilizada em vidraria de laboratório
| Item/Parâmetro | Primeiro ano | Segundo ano | Terceiro ano |
| Composição Química | |||
| w(SiO₂) / % | >99 | >96 | >90 |
| w(Al₂O₃) / % | <1,0 | <2,0 | <4,0 |
| w(Fe₂O₃) / % | <0,05 | <0,10 | <0,35 |
| w(Cr₂O₃) / % | <0,001 | – | – |
| Observações | Artigos de vidro (exceto cristal) | Vidro de laboratório geral, vidro incolor | Utilizado para vidro de garrafa comum. |
4. Vidro ultratransparente
O vidro ultratransparente é um material de alta qualidade conhecido por sua altíssima transmitância luminosa (≥91,5%), baixíssimo teor de ferro (tipicamente entre 100 e 150 ppm) e transparência cristalina. Também é chamado de vidro de baixo teor de ferro ou vidro de alta transparência.
A produção de vidro ultratransparente exige uma combinação rigorosa de matérias-primas, incluindo areia de quartzo, feldspato, dolomita, calcário, carbonato de sódio, hidróxido de alumínio, sal grosso, piroantimonato de sódio e trióxido de antimônio. Dentre esses componentes, o SiO₂ representa aproximadamente 71,0–73,01 TP/3T da mistura, e as impurezas nocivas – principalmente o ferro – são introduzidas quase que exclusivamente pela areia de quartzo. Portanto, a purificação da areia de quartzo concentra-se principalmente na remoção das impurezas de ferro.
Quando o teor de ferro ultrapassa um determinado limite, não só a transmissão de luz diminui significativamente, como os óxidos de ferro também absorvem a radiação térmica durante o processo de fusão. Isso cria um gradiente de temperatura acentuado entre as camadas superior e inferior do vidro fundido, dificultando a convecção e complicando bastante a fusão e o refino. Por essa razão, o teor de ferro da sílica como matéria-prima é o parâmetro de projeto mais crítico. Os requisitos típicos de ferro para areia de quartzo usada em vidro ultratransparente são:
– Fe₂O₃ ≤ 150 ppm
– Fe ≤ 80 ppm
Os materiais de quartzo natural utilizados incluem areia de quartzo natural, arenito de quartzo, quartzito e quartzo com veios.
Valores de controle para óxidos ativos e impurezas nocivas em matérias-primas para vidro ultrabranco (Unidade: wt%)
| Matéria-prima | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | CaO | MgO | Na₂CO₃ | TiO₂ | NaCl |
| Areia de quartzo | ≥98,5 ±0,3 | ≤1,0 ±0,q | ≤0,01 ±0,001 | ≤0,1 ±0,01 | ||||
| Feldspato | <70 ±0,6 | ≥15 ±0,25 | <0,15 ±0,05 | |||||
| Dolomite | ≥30 ±0,3 | ≥20 ±0,3 | ||||||
| Calcário | ≤0,018 | ≥52 | ||||||
| Longarina pesada | ≤0,001 | >99,0 ±0,1 | <0,3 | |||||
| Alumina | ≥63,5 ±0,1 | ≤0,001 | ||||||
| Sal de Glauber (Na₂SO₄) | Fe₂O₃ ≤0,001 | Na₂SO₄ ≥99 ±0,1 | ||||||
| Antimonato de sódio (Na₃SbO₄) | Fe₂O₃ ≤0,055% | Sb₂O₅ ≥64% | ||||||
| Trióxido de antimônio (Sb₂O₃) | ||||||||
Observações: O padrão utilizado é o padrão nacional de Sb₂O₃ de grau 0. O principal componente da matéria-prima é ≥99,5%. O tamanho médio das partículas é de 1,3–1,5 μm, o diâmetro médio é de 0,3–0,35 μm e o tamanho máximo das partículas é controlado em até 5 μm.
5. Vidro fotovoltaico (solar)
O vidro fotovoltaico é instalado como a camada mais externa dos módulos solares. Sua função é proteger as células solares e os eletrodos, bloqueando a umidade e os gases corrosivos, ao mesmo tempo que permite a passagem da máxima luz solar. Comparado ao vidro comum, o vidro fotovoltaico deve apresentar menor teor de ferro, maior transmitância luminosa, resistência a impactos, resistência à corrosão e estabilidade térmica.
Dois tipos de vidro atendem a essas demandas: vidro float ultratransparente e vidro laminado ultratransparente. O vidro laminado é a escolha mais comum para células solares de silício cristalino, enquanto o vidro float é mais utilizado em módulos solares de película fina.
Os íons de ferro na areia de quartzo podem facilmente causar descoloração, o que reduz a transmitância solar. Portanto, o vidro fotovoltaico requer areia de quartzo com alta pureza de sílica e níveis de impurezas muito baixos – especificamente areia de quartzo com baixo teor de ferro. A norma industrial JC/T 2314-2015 “Matérias-primas siliciosas para vidro fotovoltaico” define as especificações de qualidade relevantes.
Requisitos de qualidade para material de alumina-sílica
| Item/Parâmetro | Primeiro ano | Segundo ano |
| SiO₂ / % ≥ | 99.5 | 99.0 |
| Al₂O₃ / % ≤ | 0.20 | 0.50 |
| TiO₂ / mg/kg ≤ | 10 | 20 |
| Fe₂O₃ / mg/kg ≤ | 60 | 80 |
| Cr₂O₃ / mg/kg ≤ | 2 | 5 |
| Resíduo na peneira de 1,0 mm / % | 0 | 0 |
| Resíduo na peneira de 0,6 mm / % ≤ | 1.5 | 1.5 |
| Resíduo na peneira de 0,1 mm / % ≤ | 5.0 | 5.0 |
| Absorção de água / % ≤ | 5.0 | 5.0 |
6. Vidro de quartzo
O vidro de quartzo é a joia da coroa dos materiais vítreos. É um vidro de SiO₂ de componente único que possui propriedades mecânicas, térmicas, ópticas e elétricas excepcionais. Desempenha um papel insubstituível em semicondutores, dispositivos ópticos, comunicações ópticas e aplicações de energia solar.
Atualmente, a areia de quartzo de alta pureza substituiu o cristal natural como principal matéria-prima para a fusão do vidro de quartzo. Seja por fusão elétrica ou por fusão por chama, a areia de quartzo de alta pureza é o material inicial indispensável para a produção de tubos, barras e lingotes de vidro de quartzo.
Propriedades e características
| Não. | Propriedade | Características / Funcionalidades |
| ① | Boa transparência óptica | Transmitância extremamente alta nos espectros UV, visível e infravermelho: transmitância UV >80%; transmitância de luz visível >92% |
| ② | Resistência a altas temperaturas | Ponto de amolecimento: 1730 °C; Temperatura de uso prolongado: até 1100 °C; Temperatura de uso de curto prazo: até 1450 °C. |
| ③ | Resistência à corrosão | Resistente ao ácido fluorídrico e ao ácido fosfórico quente; praticamente não reage com outros ácidos. |
| ④ | Capacidade de alto vácuo | O vácuo pode atingir 10⁻⁶ Pa |
| ⑤ | Excelente isolamento elétrico | Resistividade: 1,8×10¹⁹ Ω·cm a 20 °C; 1,6×10¹⁶ Ω·cm a 800 °C |
| ⑥ | Baixa expansão térmica | Suporta variações extremas de temperatura; cerca de 1/20 da resistência do vidro comum. |
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Tabela 5-1: Requisitos de elementos de impureza da areia de quartzo para vidro de quartzo
| Aplicação Industrial | Origem | Al (ppm) | Fe (ppm) | Ti (ppm) | Cálcio (ppm) | B (ppm) | K (ppm) | Na (ppm) | Li (ppm) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fonte de luz elétrica | China | Total 50–100 ppm | 50–100 | 50–100 | 50–100 | 50–100 | 50–100 | 50–100 | 50–100 |
| Indústria química | Tcheco | 42 | 3.0 | 3.0 | 8.0 | / | 18.0 | 5.0 | / |
| Semicondutor | China | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4.0 | 1.8 |
| Semicondutor (de alta qualidade) | EUA | 15 | 0.3 | / | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| Semicondutor (de alta qualidade) | Rússia | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | / | 0.3 | 0.6 | / |
| Tubo de fibra óptica | Brasil | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | / | 0.3 | 0.4 | / |
| Lente óptica | EUA | 8 | 0.05 | / | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
Observação: Células em branco indicam que não há limite especificado ou que os dados não estão disponíveis.
Tabela 5-2: Requisitos de tamanho de partícula da areia de quartzo para vidro de quartzo
| Processo | Forno de resistência | Forno de fusão contínua doméstico | Forno de fusão contínua estrangeiro | Fusão por chama de oxihidrogênio | Plasma |
|---|---|---|---|---|---|
| Tamanho das partículas (malha) | 40–80 | 60–120 | 80–140 | 80–200 | 120–20 |
Como escolher a areia de quartzo certa para sua aplicação em vidro.
Desde o vidro plano padrão até as exigências rigorosas do vidro ultratransparente, fotovoltaico e de quartzo, a qualidade da areia de quartzo determina diretamente o desempenho, a eficiência e o custo do produto. Compreender os padrões exatos – que abrangem pureza química, teor de ferro e tamanho das partículas – é o primeiro passo para produzir vidro de qualidade superior.
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