الشركات المصنعة لأكسيد الزنك: كيف تختلف، ولماذا تعتبر العملية مهمة

أكسيد الزنك مادة تبدو بسيطة، ولكن أداءها يعتمد على أشياء تحدث قبل وقت طويل من وصول الكيس أو الأسطوانة إلى مصنعك. وتحدد طريقة الإنتاج، الحرارية “الفرنسية” (غير المباشرة)، أو الحرارية “الأمريكية” (المباشرة)، أو الرطبة الكيميائية (الترسيب والمتغيرات ذات الصلة)، النقاء، وحجم الجسيمات وشكلها، ومساحة السطح، والطلاء، والاتساق من دفعة إلى أخرى. وتؤثر هذه المعلمات بدورها على كيفية عمل مركبات المطاط، وكيفية تألق الطلاءات وحمايتها من الأشعة فوق البنفسجية، وكيفية نقاء مستحضرات التجميل، وكيفية التوافر الحيوي في الأعلاف، وكيفية تلبيد السيراميك، وحتى كيفية تنظيم النانو. إن أسرع طريقة لمعرفة لماذا يمكن أن تعمل مساحيق “99.5% من الزنك” بشكل مختلف هي فهم كيفية عملها.

الطرق الصناعية الرئيسية الثلاثة

1) العملية الفرنسية (غير المباشرة)

في العملية الفرنسية (غير المباشرة)، يتم صهر معدن الزنك عالي الجودة (≈99.995%) الخاص (غير المباشر) وتبخيره عند حوالي 910-1000 درجة مئوية. وبعد ذلك، يتأكسد في الهواء لصنع دخان أكسيد الزنك، الذي يتم تبريده وتجميعه في الأعاصير الحلزونية وبيوت الأكياس. الأكسدة “غير مباشرة” للمصدر الأصلي لأن المادة الأولية هي معدن مكرر بدلاً من الخام. تتحكم المصانع الحديثة بعناية في الاحتراق وتدفق الهواء والتبريد لتغيير حجم ومساحة السطح ومستوى الشوائب في الركام. ثم يستخدمون خطوات مثل إزالة التكتل أو المعالجة السطحية لتسهيل انتشار الركام. تنتج هذه العملية أكسيد الزنك عالي النقاء مع تحكم محكم في مساحة السطح. ويُستخدم الزنك أو الزنك هذا في صناعة المطاط والسيراميك والإلكترونيات والمستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل عالية النقاء حيث تكون النظافة والاتساق مهمين للغاية.

يتحول الزنك إلى غاز أعلى بقليل من 907 درجة مئوية ويتفاعل مع الأكسجين بطريقة محكومة لتكوين نوى الزنك. وتنمو هذه النوى عندما تبرد. ويعتمد حجم الجسيمات ومساحة سطحها على مدة بقائها في الماء وسرعة تبريدها. ويؤدي التعامل مع المسحوق إلى زيادة صقله. وتوجد أنواع مختلفة من الدرجات التجارية، مثل “الختم الأبيض” و”الختم الذهبي” و”عالي المساحة السطحية” (مساحة السطح العالية). وعادةً ما تُباع هذه الدرجات مع شهادات تحليل مفصلة ونطاقات BET محددة لسلوك المعالجة أو التلبيد الدقيق.

لا تزال العملية الفرنسية هي الأفضل للمنتجات الراقية لأنها تضمن أن تكون المعادن الثقيلة منخفضة جدًا، وأن تكون خصائص السطح متناسقة، كما أنها تعمل مع مجموعة واسعة من الصناعات. إنها تستخدم الكثير من الطاقة وتعتمد على الزنك عالي الكثافة باهظ الثمن، وهذه هي مشاكلها الرئيسية. إنه يمنحك تحكمًا كبيرًا، ولكن الحصول على درجات شفافة متناهية الصغر غالبًا ما يتطلب تقنيات كيميائية رطبة إضافية أو تقنيات أبخرة متخصصة.

 

2) العملية الأمريكية (المباشرة)

تصنع العملية الأمريكية (المباشرة) أكسيد الزنك عن طريق تسخين الخامات التي تحتوي على الزنك أو الكلس أو المنتجات الثانوية للمصهر مع مخفض كربوني مثل فحم الكوك أو الأنثراسايت. وعندما يتم تسخين مركبات الزنك، تتحول إلى بخار معدني يتحول بسرعة إلى أكسيد الزنك ويتم جمعه في صورة أبخرة دقيقة. تجمع العملية بين الاختزال والأكسدة في خطوة واحدة لأن المادة الأولية تأتي مباشرة من الخامات أو المخلفات الثانوية بدلاً من معدن الزنك المكرر. وتستخدم على نطاق واسع للإطارات والسلع المطاطية والزراعة والسيراميك، حيث لا تكون النقاوة العالية للغاية ضرورية. كما أنه فعال للغاية من حيث التكلفة.

عندما يتم تسخين الكربون، فإنه يحول أكسيد الزنك أو المواد الأولية للكبريتيد إلى بخار يتأكسد بعد ذلك عندما يغادر الفرن. ولتحقيق أقصى استفادة من المنتجات الثانوية ودعم الإنتاج الدائري، غالبًا ما يتم بناء المصانع بالقرب من المصاهر أو مصانع إعادة التدوير. وقد جعلت مرافق المعالجة المباشرة الحديثة تنظيف الغاز وجمع الغبار أفضل، مما يجعل المنتجات أنظف وأكثر اتساقًا. كما تبيع بعض المصانع أيضًا الزنك “النشط” مع مساحة سطح أكبر لجعله أكثر تفاعلًا في المطاط، مما يجعله أقرب إلى أداء العملية الفرنسية.

وتتمثل نقاط القوة الرئيسية في هذه العملية في أنها توفر المال، وتتيح لك استخدام مجموعة متنوعة من المواد الخام، ولديها القدرة على أن تكون صديقة للبيئة. ولكن من الأصعب الحصول على المستويات المنخفضة جدًا من المعادن الثقيلة والتفاوتات الضيقة لمساحة السطح التي تعتبر نموذجية في الزنكولور الذي تتم معالجته في فرنسا. يمكن أن تؤثر التغييرات في المواد الأولية على الاتساق، ولكن المصانع الأحدث جعلت الاتساق واتباع القواعد أفضل بكثير.

3) الطرق الكيميائية الرطبة (الترسيب وما يتصل به)

تتمثل الخطوة الأولى في صنع أكسيد الزنك الكيميائي الرطب في إذابة أملاح الزنك النقية مثل الكبريتات أو الكلوريدات أو النترات بطريقة محكومة. لصنع السلائف، والتي عادةً ما تكون كربونات الزنك القاعدية أو هيدروكسيد الزنك، يتم تغيير الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة والخلط. يتم تحميص السليفة لصنع الزنك أو الزنك بعد تعتيقها وغسلها وتصفيتها وتجفيفها. يمكن للمصنعين التحكم في حجم الجسيمات وشكلها ومساحة سطحها بدقة شديدة لأن التنوي والنمو يحدث في السائل. وهذا أمر يصعب القيام به مع الطرق القائمة على البخار.

 

تتيح هذه الطريقة إنتاج درجات متناهية الصغر ومتناهية الصغر من الزنك أو النانو بأشكال يمكن تصميمها حسب الطلب، مثل القضبان أو الألواح أو الكرات. كما أن الاختلافات الحرارية المائية أو الهلامية الصلبة تجعل التوحيد والتحكم أفضل. تُستخدم هذه المساحيق في مستحضرات التجميل التي تحجب الأشعة فوق البنفسجية، والطلاءات الشفافة، والمحفزات، والسيراميك المتقدم. وغالبًا ما تُستخدم السيليكا أو الألومينا لمعالجة أسطح مستحضرات التجميل ومنتجات العناية الشخصية لجعلها أكثر ثباتًا وانتشارًا وسلاسة، مع اتباع قواعد صارمة لتوصيف واختبار المواد“النانوية”.

وتمنحك الطريقة الكيميائية الرطبة أكبر قدر من التحكم في تصميم الجسيمات، ومستويات منخفضة من المعادن الثقيلة للبدء بها، وطريقة سهلة للحصول على أسطح وظيفية. ومع ذلك، فإنها تتطلب المزيد من الموارد، مثل الكثير من الماء، والغسيل الشامل لإزالة الأيونات المتبقية، والكثير من الطاقة للتكلس. على الرغم من أنها أكثر تكلفة، إلا أنها ضرورية للتطبيقات عالية الأداء أو عالية النقاء أو التطبيقات البصرية التي لا يعمل فيها التبخير العادي.

ما يحدده المسار (وما يشعر به المشترون بالفعل)

حتى إذا اجتاز منتجان نفس الاختبار، فإن عمليات التصنيع المختلفة بينهما تخلق بنيات مجهرية مختلفة تؤثر على مدى جودة عملهما. إن أكسيد الزنك الذي تتم معالجته في المعالجة الفرنسية نقي للغاية لأنه يأتي من الزنك عالي النقاء. ويحتوي على نسبة قليلة جدًا من الرصاص والكادميوم والحديد والمنغنيز، وهو أمر مهم للأدوية ومستحضرات التجميل والإلكترونيات لأن المعادن النزرة يمكن أن تغير الطريقة التي تتصرف بها عند تسخينها وتبريدها. وتعتمد درجات المعالجة المباشرة على جودة الخام ومدى جودة التقاط الغاز. ويتمتع المنتجون الحديثون بتحكم جيد في هذه الدرجات، ولكن عادةً ما يتم استخدامها في التطبيقات التي لا يكون فيها النقاء مهمًا.

يصنع دخان المعالجة الفرنسية جسيمات دقيقة دون الميكرون بمساحة سطح يمكن تغييرها. عادة ما تكون الدرجات المباشرة أكثر خشونة، ولكنها تتحسن من خلال الهندسة. تتيح لك الطرق الكيميائية الرطبة التحكم في حجم الجسيمات وشكلها بدقة شديدة، مما يجعلها متناهية الصغر أو شفافة أو ذات أشكال خاصة. تؤثر المعالجات السطحية، مثل طلاءات الأحماض الدهنية للمطاط أو قشور السيليكا/الألومينا لمستحضرات التجميل، تأثيرًا كبيرًا على مدى جودة مزج الأشياء، ومدى تفاعلها، ومدى ثباتها.

تعمل الدرجات الفرنسية ذات المساحة السطحية العالية على جعل الفلكنة المطاطية أكثر كفاءة في العبارات المنخفضة، مما يساعد في جهود تقليل الزنك. ومن ناحية أخرى، تجعل بعض الدرجات المباشرة المعالجة أكثر أمانًا والمعالجة أسهل. يوفر الزنك متناهية الصغر أو الزنك النانوي في الطلاءات ومستحضرات التجميل حماية قوية من الأشعة فوق البنفسجية مع القليل من التبييض، بما يتماشى مع قواعد “النانو” SCCS/REACH. بالنسبة للسيراميك والإلكترونيات، تتمتع الدرجات الفرنسية أو الكيميائية الرطبة بسلوك تلبيد أفضل لأنها أفضل في التحكم في الشوائب ومساحة السطح. ومع ذلك، لا يزال الزن أكسيد الزنك المباشر جيد الصنع جيدًا للاستخدامات الأقل تطلبًا

كيف تضع الشركات المصنعة نفسها

تتمثل الاختلافات الرئيسية بين منتجي أكسيد الزنك العالميين والإقليميين في نطاق العمليات التي يستخدمونها، وأنواع التطبيقات التي يركزون عليها، وموقفهم من الاستدامة

بعض الشركات لديها خطوط مباشرة وغير مباشرة على حد سواء. على سبيل المثال، تقدم درجات فرنسية عالية النقاء لمستحضرات التجميل والمستحضرات الصيدلانية ودرجات مباشرة فعالة من حيث التكلفة للسيراميك والمطاط والزراعة. تركز الشركات الفرنسية فقط على النقاء، والرقابة الصارمة على BET، والمتغيرات المعالجة للاستخدام المتسق في المناطق الحساسة.

والآن، يبيع رواد المعالجة المباشرة الدرجات المصممة هندسيًا للدهانات والمطاط والزراعة. ومن ناحية أخرى، يركز المتخصصون في المواد الكيميائية الرطبة على الزنك أو الزنك النانوي أو الزنك المترسب للواقيات من الشمس والطلاءات والمحفزات. وتختلف هذه المنتجات بسبب تصميم جزيئاتها وتوثيق النانو الكامل SCCS/REACH

التكلفة والطاقة والكربون

وتستخدم العمليات الحرارية الكثير من الطاقة للتبخير و/أو الاختزال، بينما تنقل العمليات الكيميائية الرطبة الطاقة إلى التكليس وتحضير المحلول/التصفية في المراحل الأولية. وتنتشر مشاريع الكهربة واستعادة الحرارة عبر كلا المسارين الحراريين. وتنشر صناعة الزنك الآن إرشادات حول البصمة الكربونية، ويريد المزيد من المشترين الحصول على بيانات EPDs (إعلانات المنتجات البيئية) أو بيانات تقييم دورة الحياة “من المهد إلى البوابة” للزنك. يمكن للمصنعين الذين لديهم أفران متكاملة لاستعادة الخردة وأفران فعالة أن يقولوا إن لديهم كمية أقل من ثاني أكسيد الكربون المحدد لكل طن. وقد أصبح هذا عاملاً رئيسيًا في المناقصات، خاصةً في أوروبا.

الاختلافات القائمة على التطبيق التي ستراها في المصنع

في صناعة المطاط والإطارات، يسرع أكسيد الزنك عالي السطح (HSA) عالي السطح (HSA) المعالج بالفرنسية من عملية المعالجة ويجعل المادة أقوى من درجات المعالجة المباشرة الأكثر خشونة. لاستخدام كمية أقل من الزنك دون خفض جودة المعالجة، غالبًا ما يختار صانعو الإطارات أكسيد الزنك المباشر لمركبات الهيكل السائبة وأكسيد الزنك عالي المساحة (HSA) أو الدرجات “النشطة” للأجزاء الرقيقة أو الدقيقة. يحسن الزنك ZnO الرطب الكيميائي الرطب فائق النعومة من الحماية من الأشعة فوق البنفسجية والشفافية في المعاطف الشفافة، بينما تحسن الدرجات الفرنسية البياض وتقلل من الاصفرار في المعاطف العلوية. لا تزال الدرجات المباشرة هي الأفضل قيمة للطلاءات الأولية والطلاءات السفلية.

الجدول 2: مقارنة بين أكسيد الزنك النشط التقليدي (A-ZnO) والمادة المركبة (M-ZnO) في تطبيقات مداس إطارات الشاحنات

نوع ZnO	محتوى الزنك-أكسيد الزنك (phr)	كثافة الارتباط المتصالب	قوة الشد (ميجا باسكال)	قوة التمزق (نيوتن/مم)	مقاومة التآكل	مقاومة التدحرج
A-ZnO	2	متوسط	عالية	عالية	جيد	أعلى
M-ZnO	2	متوسط	عالية	عالية	جيد	أقل
A-ZnO	3	عالية	محسّنة	محسّنة	محسّنة	معتدل
M-ZnO	3	عالية	محسّنة	محسّنة	محسّنة	أقل

يوفر ZnO النانوي في مستحضرات التجميل حماية قوية من الأشعة فوق البنفسجية-ألف مع الحد الأدنى من التبييض، على الرغم من أنه يتطلب وثائق شاملة للامتثال لقواعد SCCS وREACH. تتحول العديد من شركات التركيبات إلى أنظمة ZnO-TiO₂ الهجينة المغلفة أو ZnO-TiO₂ الهجينة للالتفاف حول قواعد النانو. إن الزنك أو الزنوم الفرنسي والكيميائي الرطب أفضل للتلبيد المتسق ودقة البنية المجهرية في السيراميك والإلكترونيات لأنها تحافظ على استقرار مستويات الشوائب وتتحكم في مساحة السطح. في التطبيقات الزراعية وتطبيقات الأعلاف، لا يزال الزنك أو الزنك بالمعالجة المباشرة خيارًا جيدًا لأنه سهل التشتت والذوبان وفعال من حيث التكلفة، حيث لا تكون حدود المعادن النزرة صارمة.

الجودة، والامتثال، وواقع “النانو فورم” للمشترين المعاصرين

هناك موضوعان متقاطعان يفصلان الآن بين موردي أكسيد الزنك الناضجين عن المجموعة:

1) أنظمة الجودة الموثقة والملفات التنظيمية.

يجب أن تحصل على اتفاقيات التعاون الكاملة، وسياسات التحكم في التغيير، وإذا لزم الأمر، تسجيلات الاتحاد الأوروبي REACH التي تدرج النانو. يجب عليك أيضًا الحصول على ملفات درجة مستحضرات التجميل التي تتبع الملاحظات الإرشادية الخاصة بالمعايير الدولية للمواد الكيميائية SCCS. يجب على الأشخاص الذين يشترون مستحضرات التجميل التحقق لمعرفة ما إذا كانت الدرجة “نانوية” أو “غير نانوية”، وما هي حالة الطلاء وما إذا كانت مقاييس الجسيمات تتطابق مع ما هو مكتوب على الملصق.

2) الإبلاغ عن الكربون والدائرية.

يرغب المزيد والمزيد من العملاء الأوروبيين في الحصول على بصمات الكربون للمنتجات (PCFs) وتقييمات دورة الحياة (LCAs) “من المهد إلى البوابة”. من الأسهل مقارنة آثار الأقدام عندما يكون هناك إرشادات صناعية للزنك والزنك النهائي. يمكن للمنتجين الذين يستخدمون اللقيم المعاد تدويره (المعالجة المباشرة) أو الحرارة المكهربة المطالبة بمزايا. اطلب المواءمة مع المنهجيات (ISO 14040/44، معيار بروتوكول غازات الدفيئة للمنتجات).

اختيار الشركة المصنعة: الاستدلال العملي

إذا كنت بحاجة إلى أفضل درجة نقاء وتحكم في مساحة السطح (على سبيل المثال، السواغات الصيدلانية أو مستحضرات التجميل ذات الحدود الصارمة للمعادن الثقيلة أو السيراميك الإلكتروني)، فقم بإعداد قائمة بخبراء المعالجة الفرنسيين الذين نشروا سلالم SA والمتغيرات المعالجة للتشتت. تحقق من المعادن النزرة ونوافذ BET في القطع.

[1] إذا كنت ترغب في الحصول على أفضل أداء بأقل قدر من المال في المطاط أو الزراعة، فابحث عن درجات المعالجة المباشرة الحديثة من الشركات التي تنشر أيضًا ملفات تعريف الشوائب ومقاييس التشتت. قم بعمل منحنيات المعالجة بنفس العبارات وبعبارات أقل لمعرفة تكلفة الاستخدام، وليس فقط بالدولار/كجم.

إذا كنت بحاجة إلى مساحيق دقيقة جدًا أو مساحيق محددة الشكل (مثل الطلاءات الشفافة للأشعة فوق البنفسجية أو واقيات الشمس عالية عامل الحماية من الشمس أو المحفزات)، فابحث عن متخصصين في المواد الكيميائية الرطبة/النانو الذين يقدمون خيارات طلاء ووثائق كاملة عن النانو في الاتحاد الأوروبي. اطلب بيانات عن التوزيعات الحجمية للجسيمات من حيث العدد والحجم، وكيمياء الطلاءات، وقابلية المساحيق للضوء.

إذا كنت مهتمًا ببيانات الاستدامة، فاطلب بيانات الاستدامة، واطلب بيانات الأداء البيئي أو بيانات الأداء البيئي واكتشف كيف يأخذ المنتج في الاعتبار الأعلاف المعاد تدويرها ومزيج الطاقة واستعادة الحرارة. فكر في ما إذا كان عملاؤك أو المدققون يحتاجون إلى ملفات تعريف النانو في الاتحاد الأوروبي REACH وملفات مستحضرات التجميل التي تتبع إرشادات SCCS

ما الجديد منذ عام 2023-2025: نظرة مستقبلية موجزة

تقارب حافظات العمليات. لتوفير الدعم اللوجستي والتقني المتسق عبر نطاقات التكلفة والأداء، يقوم المزيد من المنتجين بتسويق كل من الحافظات المباشرة وغير المباشرة، وأحيانًا في نفس الموقع.

متناهية الصغر بدون “نانو”؟ تدرس الأبحاث والأدبيات التجارية المنهجيات المركبة والمغلفة لتحقيق أداء الأشعة فوق البنفسجية مع تقليل التعقيدات التنظيمية؛ توقع زيادة في تأكيدات الأشعة فوق البنفسجية “الخالية من النانو” في مستحضرات التجميل مع ضمان حماية كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية – أ.

ضغوط للإبلاغ عن الكربون. تريد المناقصات الأوروبية والشركات الكبرى متعددة الجنسيات الآن من موردي الزنك أن يقدموا معاملات الكربون الكلور التي يمكن التحقق منها. وقد تحسنت إرشادات الصناعة، وتحول التفريق بين الكربون في الطن الواحد من التسويق إلى بند مواصفات

تؤدي التغييرات في مزيج التطبيقات إلى نمو السوق. لا تزال الإطارات هي الحجم الرئيسي، لكن مستحضرات التجميل والسيراميك المتخصص والمحفزات هي أسرع المجالات نمواً حيث تحصل البنية المجهرية الخاصة بالعمليات على أموال إضافية

الخاتمة

• عملية فرنسية (غير مباشرة): درجة نقاء عالية، وتحكم محكم في مساحة السطح، وقبول واسع في التطبيقات عالية المواصفات مثل المطاط عند الحاجة إلى معالجة تفاعلية والمستحضرات الصيدلانية/مستحضرات التجميل والسيراميك الإلكتروني.
• تتصدر العملية الأمريكية (المباشرة) من حيث القيمة، ولديها تغذية دائرية، وتصنع درجات هندسية للمطاط والزراعة والطلاء حيثما تسمح المعايير.
• تعني المواد الكيميائية الرطبة تحكمًا فائق الدقة وضبطًا للمورفولوجيا والافتراضية للحماية من الأشعة فوق البنفسجية الشفافة والحفز المتخصص. ويعني أيضًا أن الأشكال النانوية تحتاج إلى المزيد من التوثيق.

لا يتعلق الأمر بالرقم الوحيد الموجود على شهادة اعتماد الشركة المصنعة عندما تختار الشركة المصنعة بقدر ما يتعلق بمطابقة بصمة العملية مع تطبيقك والقواعد التي تنطبق عليه. يُظهر أفضل الموردين عملهم من خلال إظهار مسارهم واستراتيجية المواد الأولية والتحكم في الشوائب وسلم المساحة السطحية والمعالجات الاختيارية والأعمال الورقية اللازمة لاتباع القواعد اليوم.

1. Kim, I., et al.، تأثير أكسيد الزنك النانوي على خصائص المعالجة والخصائص الميكانيكية لمركبات المطاط الطبيعي المملوء بالسيليكا/مطاط البوتادين. مجلة علوم البوليمر التطبيقية، 2010. 117: p. 1535-1543.