play_arrow درباره نانو سیلیکات کلسیم (CaSiO3)

نانو سیلیکات کلسیم یا نانو ولاستونیت (CaSiO₃)

نانو سیلیکات کلسیم یا نانو ولاستونیت در شکل خالص خود سفید رنگ است. ولاستونیت یک کانی مهم صنعتی و ارزشمند است که به رنگ های سفید، خاکستری و یا سبز کمرنگ تولید می شود. سیلیکات های کلسیم به ویژه نانو ولاستونیت در ساخت سرامیک های زیست فعال به کار می رود. ولاستونیت یک ماده معدنی متشکل از اکسید های کلسیم و سیلیکون می باشد.ولاستونیت در هنگام حل شدن در آب pH بالایی تولید می کند. دارای نقطه ذوب بالایی است و به عنوان پرکننده و تقویت کننده استفاده می شود که توانایی رقابت با میکا و تالک را دارد. ولاستونیت دارای چندین ویژگی فیزیکی است که آن را به یک کانی صنعتی پر کاربرد تبدیل می کند. ساختار کریستالی و خواص فیزیکی ولاستونیت در دمای بالا پایدار است و ولاستونیت را به عنوان جایگزینی برای آزبست در کاربرد های عایق حرارتی تبدیل می کند.

(ساختار مولکولی نانو پلی متا سیلیکات کلسیم)

(تصویر میکروسکوپی نانو پلی متا سیلیکات کلسیم)

واکنش پذیری ولاستونیت به شدت پایین است و تا حد زیادی بی اثر محسوب می شود. گرچه در اسید هیدروکلریک خیلی غلیظ حل می شود اما با سایر اجزای محصولات تولیدی در طول فرایند تولید و چه پس از آن واکنش نشان نمی دهد. مقدار مواد فرار(گاز) خارج شده در هنگام گرم شدن یک ماده تا دمای C° 1000 را Loss on Ignition یا افت آتش می گویند. افت آتش ولاستونیت تجاری بسیار پایین است و بین 5. 0 تا 2 درصد متغیر است. افت آتش پایین، باعث کاهش مشکلات گیر افتادن حباب گاز و پراکندگی گاز در حین پخت سرامیک می شود. همچنین هزینه و زمان پخت را کاهش می دهد.

هنگامی که نانو ولاستونیت با الیاف شیشه ترکیب شود؛ توان تقویتی، استحکام کششی، مقاومت خمشی و ضربه ای و دمای انحراف حرارتی آن را افزایش می دهد. امروزه جایگزین بالقوه برای خاک رس کلسینه شده است و بستر مواد معدنی مورد استفاده در ترموپلاستیک ها و رزین های مهندسی را فراهم می کند.

پودر نانو پلی متا سیلیکات کلسیم

ولاستونیت در مقایسه با تالک در برابر خراشیدگی و ضربه در سرما و دمای اتاق مقاومت بهتری از خود نشان داده است. به طور کلی ولاستونیت جایگزین رایج تری به جای تالک در الیاف شیشه ای به عنوان پرکننده است. خواص ولاستونیت باعث شده است که برای تقویت پلی اتیلن و کاربرد هایی مانند پانل و بدنه خودرو، دستگیره ی درها و لوازم خانگی مفید باشد. مقاومت در برابر خراش یکی دیگر از خواص مهم برای استفاده از ولاستونیت در خودرو سازی است.

امروزه بازارهای پیشروی ولاستونیت پلاستیک و سرامیک و پس از آن ها صنعت رنگ و جایگزین های آزبست هستند.

ویژگی های نانو سیلیکات کلسیم ( نانو ولاستونیت)

• ویژگی های ظاهری

• • رنگ: معمولاً سفید یا مایل به کرم است.
  • شکل ذرات: اغلب به‌صورت ذرات سوزنی یا صفحه‌ای دیده می‌شود.
  • اندازه ذرات: در مقیاس نانومتری (معمولاً کمتر از 100 نانومتر).
    
  • بافت: دارای ساختار متخلخل و سبک.
    
  • چگالی کم: باعث می‌شود در برخی کاربردها مانند عایق‌های حرارتی مفید باشد.
    
  • عدم حل‌شوندگی در آب: اما در محیط‌های اسیدی تا حدی قابلیت واکنش دارد.

تست دانه بندی توسط شرکت کالاک

• استحکام مکانیکی و سختی بالا

بهبود خواص مکانیکی مانند مقاومت سایشی و سختی در ترکیبات مختلف. افزایش استحکام و پایداری حرارتی در پلیمرها، سرامیک‌ها و سیمان.

• افزایش چسبندگی و پخش‌پذیری

بهبود چسبندگی و توزیع یکنواخت در ماتریس‌های مختلف (مانند پلیمرها و کامپوزیت‌ها). عملکرد بهتر به‌عنوان عامل تقویت‌کننده در لاستیک، پلاستیک و پوشش‌ها.

• خاصیت خودتمیزشوندگی و ضدباکتریایی

به دلیل وجود سیلیس فعال، نانو ولاستونیت می‌تواند در سطوح مختلف خاصیت خودتمیزشوندگی ایجاد کند. خواص ضدباکتریایی آن در کاربردهای پزشکی و تصفیه آب اهمیت دارد.

• افزایش پایداری حرارتی و مقاومت در برابر شعله

در دماهای بالا تجزیه نمی‌شود و به بهبود مقاومت حرارتی مواد کمک می‌کند. به‌عنوان افزودنی مقاوم در برابر شعله در صنایع پلاستیک و کامپوزیت استفاده می‌شود.

• بهبود ویژگی‌های زیست‌محیطی و کشاورزی

در اصلاح خاک به دلیل افزایش قابلیت جذب مواد مغذی و کاهش فرسایش خاک و در تولید کودهای نانویی برای بهبود رشد گیاهان و افزایش بازده محصولات کشاورزی

   

سنگ ولاستونیت

کاربرد های نانو سیلیکات کلسیم (ولاستونیت)

استفاده اولیه از ولاستونیت، به عنوان سنگ تزئینی بود. رفته رفته کاربرد هایی در زمین شناسی پیدا کرد. ولاستونیت همچنین در ساخت چسب و مواد نسوز کاربرد دارد.

• در تحقیقات دانشگاهی

مثال1: پروژه کارشناسی ارشد رشته مهندسی زیست مواد با عنوان کاربرد ولاستونیت به عنوان ماده جایگزین بافت استخوان
استفاده از ولاستونیت (Volastonite) در زمینه مهندسی بافت استخوان و تحقیقات مرتبط با آن رو به افزایش است. این ماده سرامیکی به دلیل ویژگی‌های زیستی، شباهت به اجزای غیرآلی استخوان، پایداری حرارتی، و فعالیت بیولوژیکی، به عنوان مواد جایگزین استخوان در مهندسی بافت استخوان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ویژگی‌های ولاستونیت شامل ناپایداری شیمیایی، عدم تأثیر سمی بر ارگانیسم ها، و خواص مکانیکی مثبت مانند استحکام خمشی و چقرمگی است که آنرا در علم زیست مواد منحصر به فرد و جذاب کرده است. این ماده به دلیل کاهش خوردگی و حفاظت از سطوح در محیط‌های زیست آلی، تحریک رشد بافت‌های سخت شده و رگ زایی، مورد استفاده در ترمیم استخوان و دیگر زمینه‌های پزشکی قرار می‌گیرد.
تحقیقات بر روی سنتز و تولید ولاستونیت مصنوعی به منظور افزایش کیفیت و جایگزینی مواد طبیعی، به ویژه در دهه 1970 آغاز شده است. بدلیل کاربردهای قابل توجه ولاستونیت توجه به توسعه روش‌های مصنوعی برای تهیه پودرهای ولاستونیت افزایش یافته است. شرکت کالاک با عرضه ولاستونیت با کیفیت به جامعه دانشگاهی و تحقیقاتی کشور و پیشبرد تحقیقات آنها کمک می نماید.

مثال2: پروژه پایان نامه ارشد رشته مهندسی عمران به عنوان افزودنی به سیمان ژئوپلیمری برای تثبیت خاک آلوده به فلزات سنگین 

مثال3: جهت ضد حریق کردن الیاف طبیعی (چوب)

مطالعات زیادی در سراسر جهان در مورد اثر نانو ولاستونیت بر چوب و محصولات کامپوزیت انجام شده است. خواص ضد حریق ولاستونیت زمانی که در چوب جامد و مواد کامپوزیت چوب استفاده می شود که خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت چوب پلاستیک با افزودن ولاستونیت بهبود یافته است. ولاستونیت پتانسیل بهبود خواص انتقال حرارت را دارد. افزایش نانو ولاستونیت باعث کاهش فضای خالی، رطوبت و افزایش چگالی کامپوزیت می شود. سیلیس موجود در نانو ولاستونیت یک ژل هیدرات سیلیکات کلسیم (Ca-Si-H) تشکیل می دهد که از نفوذ یون های کلر، سولفات ها و سایر مواد شیمیایی مضر به تخته ها جلوگیری می کند، دوام را افزایش می دهد، گرمای هیدراتاسیون، سرعت بخشیدن به گچ و استحکام مکانیکی را افزایش می دهد. با افزایش نانو ولاستونیت، پایداری ابعادی تخته گچی بهبود میابد. دلیل این مشاهدات می تواند به ویژگی آبگریز ولاستونیت مربوط باشد. نانو ولاستونیت به طور قابل توجهی خواص ضد حریق را در تخته گچی بهبود بخشید. رسانایی حرارتی بالای ولاستونیت باعث افزایش انتقال حرارت می شود که مقاومت در برابر آتش تخته های کامپوزیت را بهبود می بخشد. تخته های ساخته شده با 15 درصد باگاس و 10 درصد نانو ولاستونیت برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی تخته گچی توصیه می شود.

• پزشکی

ولاستونیت می تواند جایگزین جای خالی تومور های استخوانی غول پیکر شود. زمانی که تومور استخوانی را با استفاده از فرز پرسرعت و پرتو ی آرگون از استخوان جدا می کنند، جای خالی آن در استخوان را توسط ترکیبی از سیلیکات کلسیم و استخوان خود زاد و مواد دیگر پر می کنند. در دندان پزشکی برای ساخت سرامیک های زیست فعالی که در ساخت دندان و لمینیت به کار می رود نیز از نانو ولاستونیت استفاده می کنند.                                                                

• جایگزین آزبست

جایگزینی آزبست توسط ولاستونیت در تخته و پنل های عایق، رنگ، پلاستیک، کاشی های سقف و دستگاه های اصطکاک مانند ترمز و کلاچ از کاربرد های ولاستونیت است.

• پلیمر و کامپوزیت

باعث افزایش استحکام، مقاومت حرارتی و کاهش انقباض در تولید قطعات صنعتی و خودرویی می‌شود، زیرا دارای ساختار سوزنی و خاصیت تقویت‌کنندگی است.

• رنگ و پوشش‌ها

 بهبود چسبندگی، افزایش دوام و مقاومت در برابر خوردگی و سایش در رنگ‌های ساختمانی و صنعتی، به دلیل داشتن سطح فعال و پایداری شیمیایی بالا. به عنوان پر کننده و تقویت کننده استفاده می شود. همچنین سخت شدن و جذب کم روغن را در رنگ فراهم می کند.

• سرامیک و مصالح ساختمانی

در سرامیک، ولاستونیت تاب خوردگی و ترک خوردگی را در هنگام پخت کاهش می دهد و در نهایت منجر به استحکام بیشتر می شود. متاسیلیکات کلسیم در تولید سرامیک های متخلل نیز بکار گرفته می شود. در صنعت کاشی سازی در تولید لعاب کاشی، سرامیک وهمچنین لعاب چینی، ولاستونیت کاربرد دارد.

در تولید کاشی و سرامیک از سیلیکات کلسیم می توان به جای کربنات استفاده کرد. از مزایای آن: افزایش استحکام پخت، کاهش ضریب انبساط حرارتی، بهبود استحکام خام و خشک، و انقباض خشک ناچیز اشاره کرد. به عنوان مثال استفاده از ولاستونیت به جای کربنات در دمای 1020 درجه سانتی گراد انقباض پخت سرامیک را 0.3 درصد بهبود می بخشد.

• لاستیک و پلاستیک

 بهبود سختی، کاهش هزینه تولید و افزایش مقاومت سایشی در محصولات لاستیکی و پلاستیکی، زیرا ذرات ولاستونیت به عنوان پرکننده عمل کرده و استحکام را افزایش می‌دهند.

• مهندسی خاک و کشاورزی

افزایش حاصلخیزی خاک، کاهش فرسایش و بهبود جذب مواد مغذی توسط گیاهان، به دلیل تأمین کلسیم و سیلیکون که رشد گیاه را تقویت می‌کند.

• کاغذ و مقوا

بهبود کیفیت چاپ، کاهش جذب جوهر و افزایش استحکام و دوام کاغذ و مقوا، به دلیل ساختار ریزبلوری و افزایش سفیدی و نرمی سطح.

نقش ولاستونیت در کاهش آب‌ شستگی خاک

آب‌شستگی (Erosion) یکی از مشکلات اساسی در کشاورزی و مهندسی خاک است که باعث فرسایش و کاهش حاصلخیزی خاک می‌شود. ولاستونیت به‌عنوان یک ماده معدنی مفید می‌تواند در کاهش این پدیده نقش موثری ایفا کند.

مکانیزم‌های اثرگذاری ولاستونیت در کاهش آب‌شستگی

• افزایش استحکام ساختاری خاک

ولاستونیت دارای ذرات سوزنی‌شکل است که باعث بهبود چسبندگی و انسجام خاک می‌شود. این ویژگی باعث کاهش نفوذپذیری خاک و جلوگیری از شسته‌شدن ذرات ریز توسط آب می‌شود.

• افزایش ظرفیت نگه‌داشت آب در خاک

ذرات ولاستونیت به دلیل ترکیب سیلیکاتی خود می‌توانند به‌عنوان یک نگه‌دارنده رطوبت عمل کنند. این خاصیت مانع از جریان سریع آب سطحی شده و فرسایش خاک را کاهش می‌دهد.

• تثبیت pH و بهبود کیفیت خاک

ولاستونیت با دارا بودن کلسیم و سیلیس می‌تواند به اصلاح pH خاک‌های اسیدی کمک کند. افزایش تعادل مواد معدنی در خاک باعث رشد بهتر ریشه گیاهان شده و در نتیجه ساختار خاک را تقویت کرده و در برابر فرسایش مقاوم‌تر می‌کند.

• افزایش چسبندگی ذرات خاک و کاهش شسته‌شدن مواد مغذی

در خاک‌های سبک و ماسه‌ای، ولاستونیت می‌تواند به افزایش چسبندگی بین ذرات خاک کمک کند و از جابه‌جایی سریع مواد مغذی جلوگیری نماید. این موضوع از شسته‌شدن نیتروژن، فسفر و سایر مواد معدنی حیاتی خاک جلوگیری کرده و باعث پایداری بیشتر خاک می‌شود.

کاربردهای ولاستونیت برای کاهش آب‌ شستگی:

• در زمین‌های کشاورزی برای بهبود ساختار خاک و افزایش ماندگاری رطوبت
• در مهندسی عمران و جاده‌سازی برای تثبیت خاک در شیب‌ها و کاهش فرسایش ناشی از باران
• در محیط‌های مستعد فرسایش برای کاهش اثرات مخرب رواناب سطحی
• در مجموع، استفاده از ولاستونیت به‌عنوان یک اصلاح‌کننده خاک می‌تواند به افزایش پایداری خاک، کاهش فرسایش و حفظ منابع آبی و غذایی خاک کمک کند.

بررسی مشخصات ساختاری و ترکیب شیمیایی ولاستونیت، با سه روش تحلیلی مهم

1. آنالیز XRD (X-ray Diffraction - پراش پرتو ایکس) ولاستونیت

هدف: بررسی ساختار بلوری و فازهای معدنی موجود در نمونه ولاستونیت

نتایج:

پیک‌های پراش اصلی در زوایای ۲θ معمولاً در حدود ۲۹.۵°، ۳۲°، ۴۹° و ۵۸° ظاهر می‌شوند.

الگوی XRD نشان‌دهنده ساختار بلوری مونوکلینیک یا تری‌کلینیک بسته به نوع ولاستونیت است.

اگر ناخالصی‌هایی مانند کوارتز (SiO₂) یا کلسیت (CaCO₃) وجود داشته باشد، پیک‌های مربوط به آن‌ها نیز ظاهر می‌شوند.

تست آنالیز XRD توسط شرکت کالاک

2. آنالیز XRF (X-ray Fluorescence - فلورسانس پرتو ایکس) ولاستونیت

هدف: تعیین ترکیب شیمیایی نمونه و درصد عناصر موجود

نتایج (ترکیب شیمیایی در صد وزنی %):

عنصر	مقدار تقریبی (%)
SiO₂ (سیلیسیم دی‌اکسید)	۴۸ - ۵۲
CaO (کلسیم اکسید)	۴۴ - ۴۹
Fe₂O₃ (اکسید آهن)	۰.۱ - ۱
Al₂O₃ (اکسید آلومینیوم)	۰.۱ - ۰.۵
MgO (اکسید منیزیم)	۰.۱ - ۰.۳
Na₂O + K₂O (اکسیدهای سدیم و پتاسیم)	کمتر از ۰.۵

نسبت SiO₂/CaO نشان‌دهنده خلوص و کیفیت ولاستونیت است.

مقادیر بالای Fe₂O₃ ممکن است باعث تغییر رنگ و کاهش کیفیت در کاربردهای سرامیکی و رنگ‌سازی شود.

3. آنالیز SEM (Scanning Electron Microscopy - میکروسکوپ الکترونی روبشی) ولاستونیت

هدف: مشاهده مورفولوژی و شکل ذرات در مقیاس نانومتری یا میکرومتری

ویژگی‌های مشاهده‌شده در تصاویر SEM:

ساختار سوزنی (acicular) و الیافی با نسبت طول به عرض بالا

توزیع یکنواخت ذرات، که به افزایش استحکام مکانیکی کمک می‌کند

بسته به منبع ولاستونیت، ممکن است برخی ذرات شکسته یا غیرمنظم نیز مشاهده شود

در برخی نمونه‌ها، اندازه ذرات بین ۱ تا ۲۰ میکرومتر متغیر است (در حالت نانو، اندازه ذرات کمتر از ۱۰۰ نانومتر است)

جمع‌بندی:

• XRD: تعیین ساختار بلوری و تشخیص خلوص ولاستونیت
• XRF: تحلیل ترکیب شیمیایی و تعیین درصد عناصر اصلی
• SEM: بررسی مورفولوژی و اندازه ذرات در مقیاس میکرو و نانو

نمونه آزمایش شده نشان میدهد نتایج ما تا حد زیادی منطبق بر داده های نانوولاستونیت استاندارد میباشد:

تفاوت تولید سنتزی و معدنی سیلیکات کلسیم (CaSiO₃)

ولاستونیت سنتزی

ولاستونیت سنتزی از طریق فرایندهای شیمیایی کنترل‌شده تولید می‌شود. در این روش، مواد اولیه با استفاده از واکنش‌های شیمیایی به نانو ولاستونیت خالص تبدیل می‌شوند. تولید سنتزی معمولاً برای کاربردهای خاصی که نیاز به خلوص بالا و کنترل دقیق مشخصات فیزیکی و شیمیایی دارند، استفاده می‌شود.

ولاستونیت معدنی

ولاستونیت معدنی از منابع طبیعی استخراج شده و پس از فرآوری و پالایش برای کاربردهای صنعتی آماده می‌شود. این روش به دلیل هزینه پایین‌تر و دسترسی آسان‌تر در بسیاری از صنایع مانند سرامیک، رنگ‌سازی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تفاوت‌های کلیدی بین تولید سنتزی و معدنی

• ولاستونیت سنتزی دارای خلوص بالاتر است و در صنایع تخصصی مانند زیست‌مواد و الکترونیک استفاده می‌شود.
• ولاستونیت معدنی به‌طور طبیعی استخراج می‌شود و هزینه تولید پایین‌تری دارد.
• تولید سنتزی امکان تنظیم ویژگی‌های خاص مانند اندازه ذرات و ترکیب شیمیایی را فراهم می‌کند.
• نانو ولاستونیت و انواع سنتزی و معدنی آن، بسته به نیاز صنعتی، دارای ویژگی‌های متفاوتی هستند. در حالی که تولید معدنی آن برای بسیاری از صنایع مقرون‌به‌صرفه است، تولید سنتزی امکان ایجاد خواص بهینه و کنترل‌شده را برای کاربردهای خاص فراهم می‌کند.

فرآوری ولاستونیت

برای اینکه ولاستونیت در کاربرد های مختلف مفید باشد، لازم است متناسب با همان کارکرد فرآوری و سنتز شود. محصول نهایی فرآوری شده باید شامل %97 تا % 99 ولاستونیت خالص باشد. پس از حفاری، انفجار و خرد کردن جزئی در محل معدن، سنگ معدن را برای خرد کردن، غنی سازی و آسیاب بیشتر به کارخانه تولید منتقل می کنند.

 

نانو ولاستونیت بسته بندی شده توسط کالاک

 

ارسال نمونه نانو ولاستونیت برای تحقیق در قالب پایان نامه دکتری دانشجویان دانشگاه تهران با موضوع بررسی تاثیر سیلیکات های کلسیم بر روی سیمان، بتن و مواد اولیه مورد استفاده در عمران

ارسال نمونه نانو ولاستونیت به شرکتی در اصفهان برای بررسی تاثیر نانو ولاستونیت در کیفیت و بهبود خواص کود شیمیایی

ارسال نمونه نانو سیلیکات کلسیم برای شرکت کاشی و سرامیک سازی در نیشابور برای استفاده به عنوان افزودنی و بهبود خواص فیزیکی کاشی وسرامیک