کائولن چیست

کائولن یا خاک چینی به عنوان یک نام معمول برای مواد معدنی شناخته می‌شود که به‌طور کامل یا عمدتاً از کائولینیت یا سیلیکات آلومینیوم تشکیل شده‌اند. کائولن خام که آسیاب و طبقه‌بندی شده است، ممکن است حاوی مقدار کمی از سیلیکات‌های دیگر مانند میکا، ایلیت، کلریت، اسمکتیت و همچنین کوارتز باشد.

این ترکیب به طور عمده در صنعت روکش کاربرد دارد و برای حذف ناخالصی‌ها با آب شستشو داده می‌شود. اگرچه کائولن دارای ساختار رس‌مانند است، اما بر خلاف تالک و میکا، ارزش اصلی آن در صنعت پوشش بیشتر به خواص نوری آن مربوط نمی‌شود. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به جزئیات بیشتری خواهیم پرداخت. لطفا با ما همراه باشید.

ساختار کائولن

ساختار کائولینیت به صورت لایه‌هایی از حلقه‌های سیلیکا قابل توصیف است که از طریق اکسیژن‌های مشترک به لایه‌هایی از هشت‌ضلعی‌های آلومینا متصل می‌شوند. این صفحات در طبیعت به‌صورت گروه‌هایی قرار می‌گیرند که درجات مختلفی از نظم در چیدمان خود را نشان می‌دهند.

به دلیل اینکه هر ذره کائولینیت دارای سطحی از اکسیژن در یک طرف و سطحی از هیدروکسیل در طرف دیگر است، اتصال قوی هیدروژنی بین صفحات بالا و پایین آن برقرار می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که لایه‌برداری کائولینیت نسبت به سایر پرکننده‌های سیلیکاتی مانند تالک و میکا سخت‌تر باشد. کائولینیت آب‌دوست است و به راحتی در آب پراکنده می‌شود. برای کاربردهای غیرآبی، بهبود سازگاری با ماتریس از طریق عملیات سطحی ممکن می‌شود.

منشاء زمین‌شناسی کائولن

کائولن هنگامی تشکیل می‌شود که سیلیکات آلومینیوم بدون آب موجود در سنگ‌های فلدسپاتیک نظیر گرانیت، تحت تأثیر هوازدگی یا فرآیندهای حرارتی تغییر کند. فرآیندی که گرانیت سخت را به توده نرم موجود در چاله‌های کائولن تبدیل می‌کند، به عنوان “کائولنیزاسیون” شناخته می‌شود.

در طی این فرآیند، کوارتز و میکا عمدتاً بدون تغییر باقی می‌مانند، در حالی که فلدسپات به کائولینیت تبدیل می‌شود. در برخی از رسوبات، ممکن است اسمکتیت نیز در مقادیر کمی شکل بگیرد. پردازش و تصفیه بخش نرم‌شده گرانیت کائولنیزه، عمدتاً کائولینیت به همراه مقادیری میکا، فلدسپات و کوارتز، و بسته به منشاء آن، مواد آلی و یا مواد معدنی سنگین را به دست می‌دهد.

روش تولید گریدهای کائولن

کائولن‌های گرید پوششی به دو دسته اصلی رس‌های آبدار و کلسینه شده تقسیم می‌شوند. رس‌های آبدار از نظر ساختاری تغییری نکرده و هیدروکسیل‌های سطحی خود، که به آن‌ها آب تبلور گفته می‌شود، را حفظ کرده‌اند. اغلب رس‌های آبدار مورد استفاده در پوشش‌ها با آب شسته می‌شوند.

برای تولید گریدهای شسته شده با آب، رس در آب به حالت دوغاب در می‌آید و سپس با استفاده از سانتریفیوژ یا هیدروسیکلون ناخالصی‌ها از آن جدا می‌شود تا کسری از ذرات با اندازه خاص تولید شود. دوغاب تصفیه شده یا آب‌گیری شده (برای کاهش ناخالصی‌های محلول) و سپس خشک می‌شود، یا تا ۷۰٪ تغلیظ شده و به شکل دوغاب به فروش می‌رسد. برای بهبود روشنایی، این رس‌های شسته شده با آب از طریق سفید کردن شیمیایی یا جداسازی مغناطیسی با شدت بالا برای حذف ناخالصی‌های آهن و تیتانیوم تصفیه می‌شوند.

خاک رس متورقبا استفاده از آسیاب سایشی خاک درشت که از شستشو با آب رس نرم به دست می‌آید، تولید می‌شود. این فرآیند باعث تبدیل کائولینیت به صفحات پهن و جداگانه می‌شود که در نتیجه آن روشنایی، کدورت و خواص سد کنندگی افزایش می‌یابد.

نکته‌ای که باید بدانید:
خاک رس ایرفلوات شناور، نوعی کائولن آبدار خشک است که برای کاهش ناخالصی‌ها و کنترل توزیع اندازه ذرات جدا شده است. به دلیل ساییدگی بیشتر ناشی از ناخالصی‌های معدنی و رنگ ضعیف‌تر، صنعت پوشش معمولاً از مقدار کمی از این رس در مقایسه با گریدهای شسته شده با آب استفاده می‌کند.

رس کلسینه شده:
رس کلسینه شده از طریق عملیات حرارتی بر روی کائولن آب‌شسته و سفید شده تولید می‌شود. در کلسیناسیون دمای پایین، بین ۶۵۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد، هیدروکسیل‌های ساختاری حذف شده و متاکائولن بی‌‎شکل ایجاد می‌شود. وزن مخصوص از ۲.۵۸ به حدود ۲.۵۰ کاهش پیدا می‌کند، در حالی که سختی، تخلخل، روشنایی، کدورت و خاصیت جذب افزایش می‌یابد.

رس‌های کاملاً کلسینه شده:
این نوع رس‌ها با بالاترین میزان روشنایی و کدورت در دماهای بین ۱۰۰۰ تا ۱۱۵۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌شوند. در این دما، ساختار بی‌‎شکل رس به طور کامل فرو می‌ریزد و وزن مخصوص به ۲.۶ تا ۲.۷ افزایش می‌یابد، بدون اینکه به شکل‌گیری مولیت (با وزن مخصوص ۳.۲ و سختی ۶-۷) منجر شود. تعادل میان کدورت و درخشندگی در رس‌های کلسینه شده را می‌توان با دما، سرعت گرمایش و نوع شارهای استفاده شده در فرآیند کلسیناسیون تنظیم کرد.

خواص کاربردی کائولن

به دلیل تأثیر چشمگیر کائولن بر خواص نوری پوشش‌ها، این رس در مقایسه با سایر پرکننده‌های سیلیکاتی در انواع مختلفی ارائه می‌شود تا دامنه‌ای از ویژگی‌هایی مانند بلورینگی، شکل‌پذیری، اندازه ذرات کنترل‌شده، روشنایی و کدورت را فراهم آورد.

رس‌های کائولنی که از طریق اصلاح شیمیایی تولید می‌شوند، بیشترین کاربرد را دارند. این گریدها دارای پوشش‌های پراکندگی برای آسان‌تر شدن پراکندگی در آب هستند و همچنین از تصفیه سطحی با استئارات یا سیلان بهره می‌برند تا سازگاری آن‌ها با ماتریس‌های آلی بهبود یابد.

محصولات ساختار یافته از رس:
در برخی موارد این محصولات با نام SAMS (آلومینو-سیلیکات‌های قلیایی مصنوعی) شناخته می‌شوند. این محصولات از واکنش کائولن با قلیاها، مانند سیلیکات قلیایی، تحت شرایط دمایی و فشاری بالا تولید می‌شوند. محصول نهایی شامل صفحات کائولن با لبه‌های واکنشی بی‌‎شکل است. این واکنش و تجمع بعدی به تولید محصولاتی با افزایش کنترل‌شده در تخلخل، جذب روغن، روشنایی، کدورت، استحکام رنگ‌آمیزی و ویژگی‌های مسطح‌شدگی کمک می‌کند.

کاربردهای کائولن در صنایع

کائولن به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردش، در صنایع گوناگون به کار می‌رود. عواملی مانند شکل، اندازه ذرات، رنگ، نرمی و عدم سایندگی از جمله خواص فیزیکی مهم کائولن هستند. از نظر شیمیایی نیز ویژگی‌هایی چون ظرفیت تبادل باز پایین، خواص سطحی شیمیایی و نامحلول بودن نسبی، در بسیاری از کاربردها نقش کلیدی ایفا می‌کنند.

در دهه ۱۹۶۰، بیش از ۲ میلیون تن کائولن در ایالات متحده مصرف شد که بیش از نیمی از آن در صنعت کاغذ به کار رفت. ترکیب فیزیکی و شیمیایی کائولن تأثیر بسزایی در کاربرد آن در صنایع مختلف از جمله کاغذ، لاستیک، سرامیک، پلاستیک، جوهر، کاتالیزورها، حشره‌کش‌ها و دیگر موارد دارد.

ذخایر کائولن

اگرچه کائولن در بسیاری از نقاط جهان یافت می‌شود، رسوبات با ویژگی‌های مطلوب مانند سفیدی بالا، ویسکوزیته مناسب و دیگر خواص کمیاب هستند. جالب اینجاست که بهترین ذخایر کائولن در چین قرار ندارند، بلکه ایالات متحده، به ویژه در جنوب شرقی این کشور، دارای ذخایر با کیفیت بالایی است. این ماده معدنی از زمان استعمار در ایالت‌های جورجیا و کارولینای جنوبی استخراج می‌شود. سایر ذخایر ارزشمند نیز در کشورهای برزیل و انگلستان وجود دارند.

کاربرد کائولن در صنعت کاغذ

یکی از اصلی‌ترین کاربردهای کائولن در صنعت کاغذ است. کائولن به عنوان یک پوشش کاغذی عمل می‌کند و باعث بهبود روشنایی، صافی، براقیت و قابلیت چاپ کاغذ می‌شود. همچنین به عنوان یک پرکننده در صنعت کاغذ استفاده می‌شود که به کاهش هزینه‌ها و حفظ منابع درختی کمک می‌کند.

کاربرد در ظروف چینی و سرامیک

برخلاف تصور عموم که فکر می‌کنند تنها کاربرد کائولن در تولید ظروف چینی است، استفاده از این ماده در صنعت کاغذ بسیار بیشتر از سایر صنایع است. با این حال، کائولن همچنان به عنوان یک جزء با ارزش در تولید ظروف چینی و سرامیک به کار می‌رود. رنگ، براقیت و سختی آن، ویژگی‌های مطلوبی برای تولید این نوع محصولات به شمار می‌آیند.

کاربرد در صنایع آرایشی و بهداشتی

کائولن فواید بسیاری برای پوست دارد. از این ماده می‌توان به تنهایی یا در ترکیب با آب و دیگر مواد طبیعی برای تهیه پاک‌کننده‌های پوست، ماسک‌ها، اسکراب‌ها و دیگر محصولات بهداشتی استفاده کرد، بدون نیاز به استفاده از مواد شیمیایی.

این ترکیب می‌تواند پوست را به ملایمت پاکسازی کند، چربی پوست را کاهش دهد، پوست‌های حساس را تسکین دهد، به عنوان یک درمان مؤثر برای آکنه هفتگی عمل کند، سلول‌های مرده و خشکی پوست را از بین ببرد، خاصیت ارتجاعی پوست را بهبود بخشد و علائم پیری را به تأخیر بیاندازد. همچنین، کائولن برای کاهش تحریکات پوستی مانند گزش حشرات، بثورات و حساسیت به گیاهان سمی نیز مفید است.