تهيه سيليكاژل برای اولين بار به توماس گراهام در سال 1861 ميلادی نسبت داده می شود. رطوبت معمولاَ يكی از عوامل مزاحم در اكثر صنايع است كه می تواند اثرات سوء و مخربی در كليه مراحل، اعم از نگهداری مواد اوليه و محصول در انبارها و در زمان حمل و نقل داشته باشد. لذا سيليكاژل به عنوان يک ماده رطوبت گير، كاربرد عمده ای در صنايع و به خصوص در صنايع برق، دارويی و بسته بندی پيدا كرده و از كالا در برابر رطوبت و خوردگی حفاظت می كند. اين ماده امروزه يكی از عوامل موثر بر ارائه محصول مرغوب در بازارهای بين المللی به حساب می آيد. سيليكاژل ها معمولاَ از لحاظ ظاهری به دو شكل گرانول (كروی) و پرک (بی شكل) تهيه می شوند. سيليكاژل از لحاظ امكان بررسی ظاهری ميزان جذب رطوبت به دو صورت انديكاتوردار (آبی رنگ) و بدون انديكاتور (بی رنگ) موجود است كه نوع آبی آن پس از جذب رطوبت به صورتی تغيير رنگ می دهد، اما در نوع سفيد تشخيص ظاهری ميزان جذب به سختی امكان پذير می باشد. سيليكاژل عمدتاً در صنایع نفت، گاز و پتروشيمی، برق و نيرو گاه های توليد برق، صنایع نظامی، دارويی، مخابرات، ساختمان و شيشه های دو جداره بسته بندی به عنوان جاذب رطوبت و كاتاليزور كاربرد دارد.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی انواع سيليكاژل

سه نوع سيليكاژل گرانولی (کروی)، پرک و پودر هیدراته به صورت عمده توليد می شوند. سيليكاژل كروی از پر مصرف ترين نوع سيليكاژل در صنايع نفت است. سيليكا ژل يک ماده شيميايی است كه نوع مرغوب آن به رنگ آبی آسمانی است. اين ماده وقتی كه رطوبت به خود می گيرد به رنگ صورتی تبدیل می شود. اما می توان دوباره از آن استفاده كرد. برای اين منظور آن را در فِر گاز قرار می دهيم تا خشک شود و دوباره به رنگ آبی در آيد. به وسيله فرو بردن كاغذ تورنسل در سيليكاژل متوجه می شویم كه سيليكاژل رطوبت دارد يا خير به طوری که اگر مرطوب باشد رنگ كاغذ تورنسل تغيير می كند.

سيليكاژل گرانول

باتوجه به نوع مصرف، سيليكاژل گرانول به دو دسته تقيسم می شود:
1- سيليكاژل جاذب رطوبت (نوع WS)

2- سيليكاژل هيدروكربنيک (نوع H)

سيليكاژل پرک

در يک تقسيم بندی كلی سيليكاژل پرک به دو دسته سيليكاژل بی رنگ و سيليكاژل آبی تقسیم می شود.
1-  سيليكاژل بی رنگ از نظر شكل ظاهری بی رنگ و يا مايل به زرد روشن و شيشه ای شفاف است. اين نوع سيليكاژل را می توان در صنايع بسته بندی و در كنار وسايل و ماشين های الكترونيكی، الكتريكی، پزشكی، دارويی و منسوجات توليدی و همچنين در شيشه های دو جداره و سه جداره به منظور خشک نگه داشتن فضای بين دوجداره و ممانعت از ايجاد بخار استفاده كرد.

2- سيليكاژل آبی اين نوع سيليكاژل وقتی كه خشک است به رنگ آبی، آبی تيره و يا بنفش است. حفره های درونی آن قادر به جذب رطوبت می باشند و بعد از جذب رطوبت به تدريج تغيير رنگ داده و به رنگ صورتی و صورتی كم رنگ تبديل می شوند. كه نشانگر اين است، سيليكاژل بايستی تعويض و يا فعال شود. در واقع سيليكاژل نوع آبی برای جذب رطوبت بالا و مصارف خاصی استفاده می شود. توضيح آن كه هر دو نوع سيليكاژل قابل بازيابی است. گر چه با هر بار فعال كردن مقداری از ظرفيت جذب آن كاسته می شود لذا استفاده از آن  در کاربردهای حساس توصيه نمی شود. درغير اين صورت می توان بارها و بارها از اين محصول استفاده نمود.

چگونگی ذخيره سازی و نگهداری سيليكاژل توليدی معمولاً با توجه به نياز مصرف كنندگان بسته بندی می گردد. برای فروش به صورت عمده بسته بندی در بشكه های 150 كيلوگرمی فلزی صورت می گيرد. برای فروش به بازار بسته بندی 25 کیلوگرمی كه دربشكه های مقوايی با بسته بندی نايلون آماده می شود. برای فروش های 5 گرم تا يک كيلوگرم نيز می توان بسته بندی مناسبی داشت.

انواع بسته بندی  سیلیکاژل

1- بشكه پلی اتيلنی دوجداره غير قابل نفوذ هوا و پلمپ شده با وزن خالص 25، 30 و 35 كيلوگرم
2- بشكه مقوايی دوجداره غيرقابل نفوذ هوا و پلمپ شده با وزن خالص 10، 15 و 20 كيلوگرم
3- قوطی فلزی و پلی اتيلنی با وزن خالص 1، 2 و 5 كيلوگرم
4- بسته بندی در لفاف منسوج نبافته نازک در ابعاد و اوزان مختلف 1، 2، 5 و 10 گرم
5- بسته بندی در لفاف منسوخ نبافته ضخيم 10 الي 150 گرم
6- بسته بندی با لفاف متقال (پارچه مخصوص) در ابعاد و اوزان مختلف از 150 گرم الی 1 كيلوگرم

موارد مصرف و كاربرد

سيليكاژل مورد استفاده در پتروشیمی می بايست كاملاً كلسينه شده باشد. در پتروشیمی از اين ماده به عنوان کاتالیزور برای رطوبت زدايی گازهايی كه از داخل راكتور می گذرد استفاده می گردد.
از سيليكاژل کلسینه نشده نیز در پالايشگاه ها و چاه های نفت و گاز بسيار استفاده می شود. در اين صنعت از سيليكاژل به عنوان كاتاليزور و رطوبت گير استفاده می شود. صنايع نظامی از ديگر مصرف كنندگان اين كالا می باشند. در صنايع دارويی از سيليكاژل در طيف وسيعی از مواد اوليه تا بسته بندی محصولات استفاده می شود. در صنعت برق و مخابرات نيز به منظور حفاظت از سيستم های از اين محصول استفاده می نمايند.

صنايع دارويی، غذايی و كشاورزی

هر انسانی به غذا و دارو نياز دارد اما مهم است كه بتوان آن ها را به صورت تميز و خشک نگهداری نمود. گاه اكسيژن و رطوبت عامل مزاحم و فاسد كننده برای مواد غذايی و دارو محسوب می شوند. با به كار بردن كپسول و يا بسته های سيليكاژل می توان از اثرات مخرب آن ها و گازهای مزاحم جلوگيری كرد.

صنايع بسته بندی، حمل ونقل و انبارداری

سيليكاژل در بسته بندی كالا در زمان حمل و نقل علی الخصوص دريایی و انبارداری نقش به سزایی دارد. بسته های خشک كن كه به صورت ويژه برای كاهش قطرات آب در حمل و نقل و كانتينرها ساخته شده اند با كاهش قطرات آب در بسته بندی ها، محموله ها را از آسيب ديدگی توسط رطوبت در حين نقل و انتقال محافظت می کند. در اين حالت حمل كالا بدون مزاحمت قطرات آب مقدور می باشد و از شكل گيری قارچ و كپک و زنگ های فاسد كننده جلوگيری می كند. فوايد استفاده از بسته های سيليكاژل به شرح زير است:
1-  جذب رطوبت تا 40 درصد وزن دسيكانت ها
2-  محافظت كالا تا 50 روز يا بيشتر در مقابل رطوبت
3-  جلوگيری از آسیب كيفيت در بسته بندی كالا

صنايع خودروسازی و نظامی

استفاده از قرص های دسيكانت يک روش موثر جهت محافظت از محصولات خودرو در برابر رطوبت است در زمانی  كه فضای بسيار كمی در دسترس باشد. اين قرص ها كاربرد وسيعی در صنايع نظامی و قطعات دارد. قرص های دسيكانت در اشكال و سايزهای متفاوت توانايی جذب بالايی نسبت به رطوبت دارند. اين قرص ها به صورت فشرده با وزن بسيار كم به عنوان روشی با دوام در بسته هايی كه فضای بسيار كمی دارند به كار می رود. قرص های دسيكانت يک راه حل ايده آل برای هر نوع كاربردی كه فضای بسته بندی در آن محدود است و حفاظت در مقابل رطوبت بيشترين اهميت را دارد به شمار می رود.

صنايع ساختمانی

انواع خاصی از شيشه ها وجود دارند كه تمايل به از دست دادن شفافيت داشته و ابری يا رگه رگه می شوند (بيماری شيشه). در اين حالت لايه های نازک سدیم کربنات و پتاسيم کربنات به روی آن ايجاد می شود كه بسيار رطوبت گير بوده و نهايتاَ سبب كدر شدن و متلاشی شدن شيشه می شوند. با استفاده از سيليكاژل به عنوان ماده رطوبت گير می توان آن ها را همواره خشک نگه داشت. علاوه بر اين در صنايع ساختمانی از شيشه های دوجداره برای عايق بندی ساختمان استفاده می شود كه سيليكاژل در فضای بین اين شيشه ها به عنوان رطوبت گير برای جلوگيری از تشكيل شبنم استفاده می شود.

آثار باستانی و صنايع دستی

دو عامل رطوبت و دمای محيط اثرات تعيين كننده ای بر پايداری و استحكام اشيای تاريخی يا آثار هنری دارند، كه با كنترل شرايط محيطی می توان از تخريب اشيا جلوگيری نمود. بزرگ ترين خطرِ افزايش ميزان رطوبت نسبی؛ فراهم شدن شرايط محيطی لازم برای رشد و نمو كپک ها بر روی كليه آثاری است كه مواد غذايی ضروری اين گروه از محصولات زنده را در خود دارند. با نگاه داشتن مقدار رطوبت نسبی هوا در سطح پايين توسط سيليكاژل می توان از رشد اين محصولات ذره بينی جلوگيری كرد.

تجهيزات و قطعات الكترونيكی ـ صنايع مخابراتی

كپسول سيليكاژل Dricap يک روش مطمئن است كه توانايی جذب استثنايی رطوبت در فضای بسيار كوچک را دارد با تعدادی از اين دسيكانت ها می توان محصولات متفاوتی با بسته بندی های مختلف را از تاثير رطوبت و قارچ و كپک حفظ کرد. Dricap با طراحی فشرده خود، دارای قابليت بسيار بالا و استثنايی است به طوری كه هر بسته آن تعداد زيادی دسيكانت را در كمترين فضا جا داده كه توانای فوق العاده ای در جذب رطوبت دارد.  Dricap  می تواند با سيليكاژل آبی (كه بيشتر معمول است) و يا سيليكاژل سفيد پُر شود و در قطعات كوچک با فضای بسيار كم مثل قطعات الكترونيكی تابلوهای برق به كار می رود. علاوه برDricap  می توان از بسته های سيليكاژل آبی يا بی رنگ نيز استفاده نمود.

شرح فرآيند و تكنولوژی های تولید

عمده ترين روش توليد سيليكاژل (اعم از سیلیکاژل پرک، پودر هيدراته و يا گرانول)، اضافه كردن اسيد به سيليكات سديم يا سیلیکات پتاسيم و تشكيل ژل، عمل شستشو و بعد از آن خشک كردن است، كلسيناسيون مرحله نهايی توليد خواهد بود.

روش های متداول توليد سيليكاژل كروی روش drop oil است كه شيوه ای برای كروی كردن سيليكاژل می باشد. در ابتدا اسيد ساليسيليک آزاد می شود اما اين اسيد آزاد به سرعت شروع به متراكم شدن می نمايد و با حذف آب برای تشكيل دی مرها، تری مرها و در نهايت اسيد ساليسيليک پليمری شرايط آماده می شود.  با رشد پليمر در ابتدا مجموعه های پليمری تشكيل می گردد و متعاقباً كره های پليمر كه به قطر چند انگسترم می باشد حاصل می شود. اندازه اين كره های پليمری معمولاً به ذرات سيليكای اوليه بستگی دارد. اين ذرات اوليه به رشد خود ادامه می دهند تا در يک اندازه خاص بلورهای سيلانول سطحی آن ها (بلورهای هيدروكسيد متصل به اتم های سيليكون سطحی) روی ذرات پليمر اوليه مجاور با حذف آب متراكم شوند. اين تراكم موجب می شود كه ذرات اوليه به هم چسبيده و در اين مرحله محلول شروع به ژل شدن می كند. در طی اين فرآيند ذرات اوليه ژل سيليكايی كه تشكيل می شود در طيفی از قطرهای مختلف از چند انگستروم تا چندين هزار انگستروم (بسته به شرايط تشكيل) به وجود می آيند.

فرآيند كلسينه شده سيليكاژل

بلورهای سيليكاژل معمولاً در راكتورهای رو بسته با سوخت گازی و يا مايع تهيه می شوند. سيليكات از واكنش سديم اكسيد، سيليسيم دی اكسيد و يک اسيد در دمای مناسب و ويسكوزيته مذاب قابل كنترل به دست می آيد. شدت واكنش كوارتز و فضاهای ايجاد شده در سيليكاژل برای جذب بهتر رطوبت می باشد. از نتايج حاصل از تجزيه و تحليل های توموگراويمتريک می توان به سينتيک ميان سيليكات سديم و اسيد پی برد. مواد توليد شده نسبت به رطوبت حساس بوده لذا در طراحی راكتور مراقبت های لازم را می بايستی پيش بينی نمود. چنانچه انرژی الكتريكی در دسترس و هزينه تامين آن كم باشد، در آن صورت از راكتور الكتريكی به طور رضايت بخش می توان استفاده كرد. سيليكات و اسيدهای مورد استفاده در محلول بايد از خلوص بالا برخوردار باشد به عنوان نمونه درجه سيليكات سديم مورد استفاده نبايستی از 43 درصد پایین تر باشد و مواد زاید مخلوط با آن نبايد از حد مجاز بيشتر باشد.

هنگامی كه بلورها در راكتور توليد می شوند می توان آن را به شكل ژل كلوخه، به انحلال دهنده های دوار هدايت نموده، يا به شكل ژل كلوخه به انحلال دهنده های فشاری حل کرد.

فرآيند کلسينه نشده سيليكاژل

از تركيب مستقيم و در فشار و درجه حرارت لازم در اتوكلاو و در راكتور توليد می شود. محلول های به دست آمده تا نسبت مولاريته 2/65 در اتوكلاوی با دمای 80 درجه سانتی گراد و سپس در راكتور قابل تهيه می باشد. نسبت های بالاتر با استفاده از سيليكای آمورف (پرک) امكان پذير است. در اين روش اسيد پس از واكنش با سيليكات سديم در محلول تزريق می گردد و پس از مراحل شستشو به اتوكلاو منتقل می گردد. روش معمول در تهيه سيليكاژل، واكنش سديم سيليكات با يک اسيد معدنی است كه در مرحله اول سيليكا سل تهيه و سپس به هيدروژل و در نهايت به سيليكاژل تبديل می شود. سيليكاژل توليد شده با داشتن عامل های شيميايی سيلانول توانايی جذب تركيب های قطبی به ويژه آب را دارا است. اين پديده متاثر از عامل هايی مانند دما،pH، غلظت مواد اوليه در تهيه هيدروسل و شرايط محيطی تشكيل هيدروژل و مراحل شستشو و پخت آن است. لذا بسته به نوع كاربرد مورد نظر می توان شرايط ساخت و شرايط محيطی را تنظيم نمود. به طور كلی براي شكل دهی، روش های متفاوتيی بر اساس ماهيت مواد اوليه وجود دارد كه می توان به روش های قرص سازی، اكسترود كردن، گرانول سازی دراژه ای، انعقاد قطره ای، خشک كن پاشنده و … اشاره كرد. روش های قالب گيری و انعقاد قطره ای به عنوان مهم ترين و متداول ترين روش ها در تهيه هيدروژل كروی مطرح هستند. در روش قالب گيری، ابتدا سيليكا سل با مقدار اسيدی بودن مناسب به داخل قالب های نيم كره ای شكل هدايت می شود و سپس با اعمال دمای مناسب در درون قالب ها، هيدروسل به هيدروژل تبديل شده و با جدا شدن دو نيمه قالب هيدروژل كروی شكل به دست می آید.

در روش انعقاد قطره ای، با استفاده از خاصيت عدم امتزاج پذيری هيدروسل (سيليكا سل مايع) با سيال هايی مانند روغن ها يا حلال های آلی، ابتدا سيليكا سل تهيه و به وسيله تكنيک هايی (نازل، صفحه شياردار و …) به شكل قطره هايی با ابعاد مورد نظر وارد مايع غير قابل امتزاج با آن می شوند و با تنظيم دمای روغن، هيدروسل با مقدار اسيدی بودن مشخص به هيدروژل تبديل شده و پديده شكل گرفتن اتفاق می افتد. كشش سطحی و نیروهای جانبی اعمال شده روی قطره ها در حین عبور در داخل سیال آلی منجر به تشکیل پایدارترین شكل هندسی (کروی) می شود. در این فرآيند دمای سیال آلی، ناروانی آن، مدت زمان تماس قطره هیدروسل با آن، سرعت تبدیل هیدروسل به هیدروژل، ترکیب، غلظت و هیدروسل از عامل هایی هستند که در تعیین مشخصات نهایی سیلیکاژل گرانول حاصل موثر می باشند. این روش در اصطلاح به روش قطره – روغن معروف است و دستگاه ها يی که با این روش کار می کنند به دو دسته تقسیم می شوند: در يک دسته، از سیال آلی با چگالی بالاتر از چگالی هیدروسل استفاده می شود که در آن ها قطره سل از پایین ستون حاوی سیال وارد می شود و به آرامی به بالا حركت می کند در و طول حركت به شكل کروی در آمده و به هیدروژل تبدیل می شود.

در دسته دیگر، از سیال با چگالی پایین تر از چگالی هیدروسل استفاده می شود و در آن قطره های سل از بالا وارد ستون حاوی سیال می شود و به آرامی سقوط می کند و به شکل هیدروژل کروی در آمده و از انتهای ستون خارج می شوند.

هیدروژل های کروی به دست آمده با دو هدف اصلی زیر مورد شستشو قرار می گیرند:
1- جد اساز ی نمک های جانبی تشکیل شده (سدیم سولفات) از ساختار هیدروژل
2- بهبود خواص فيزيكی مكانيكی حاصل مانند استحكام و اندازه خلل فرج ها که با رعايت pH محلول های شستشو امكان پذير است.

 نکته مهم ديگر به مرحله گرما دهی و پخت نهايی اختصاص دارد كه سرعت گرما دهی و سيكل گرمای اعمال شده روی خواص شيميایی و فيزيكی فرآورده نهایی سيليكاژل تاثير به سزايی دارد. همچنين ويژگی های شيميایی و فيزيكی فرآورده سيليكاژل متاثر از عامل های بسياری است كه در طی فرآيند تولید لازم است رعايت شود. از جمله اين عوامل زمان انعقاد ژل و pH مخلوط واكنش در زمان تشكيل ژل می باشد.

شكل اثر زير pH مخلوط واكنش در هنگام انعقاد ژل بر زمان ژل شدن هيدروسل، سطح ويژه و حجم حفره های فرآورده سيليكاژل در را كنار هم نشان می دهد. درpH های پايين، زمان لازم برای انعقاد ژل بالا است به طوری كه در 2/5 =pH حداكثر زمان انعقاد ژل مشاهده می شود در مقابل در محدوده pH 4 تا 8، سيليكا سل از پايداری مناسبی برخودار نمی باشد و در pH بالاتر از 8 نيز با تغيير روش ساخت (افزايش اسيد به سديم سيليكات به جای افزايش سديم سيليكات به اسيد) دوباره زمان انعقاد ژل افزايش می يابد. همچنين سطح ويژه سيليكاژل حاصل در pH 1 تا 4 به نسبت بالا و در حدود 800 متر مربع بر گرم است. در صورتی که در pH بین 4 تا 8 سطح ويژه سيليكاژل حاصل به 200 متر مربع بر گرم كاهش می يابد.

تغييرهای به نسبت تند سطح ويژه با pH همراه با تغيير های جدی در نتیجه ها است و اين نشان می دهد كه چگونه تغييرهای هر چند كوچک در شرايط پليمريزه شدن سيليكا سل (سيليسيک اسيد) می تواند روی ويژگی های شيميایی و فيزيكی فرآورده نهايی سيليكاژل توليد شده موثر باشد. حجم حفره ها در سيليكاژل حاصل نيز رابطه پيچيده ای را با pH مخلوط واكنش نسبت به آنچه كه در رابطه با زمان انعقاد ژل و سطح ويژه ديده شده، از خود نشان می دهد. همچنين ويژگی های كلی سيليكاژل تحت تاثير پليمريزه شده واحدهای سيليكا می باشد. واكنش هايی كه در روش معمول توليد سيليكاژل صورت می پذيرند در معادله های زير نشان داده شده است:

اتصالات سه بعدی اين ذره های ریز با پليمريزه شدن تراكمی در كه طی مراحل شستشو و خشک شدن نيز ادامه می يابند منجر به تشكيل ساختار متخلخل با اندازه حفره ها و سطح ويژه پيش بينی شده می شود. برای تهيه سيليكاژل، روش های متفاوتی بيان شده است در كه اصل در ساخت آن، يک محلول سيليكاتی با استفاده از يک اسيد يا نمک يك اسيد و یا گاز هايی که در آب توليد اسيد می كنند به هيدروسل تبديل می شود.

استفاده از تركيب های خالص سيليكون مانند اتیل سيليكات، سيليكون تتراكلرايد و ديگر تركيب های سيليسيک استری در ساخت سيليكاژل، علیرغم اين كه خلوص و چگالی بالا را در فرآورده باعث می شوند، اما روش های بسيار گران قيمت هستند. در ادامه به روش های معمول در ساخت سيليكاژل اشاره می شود:
1- روش استفاده از سديم سيليكات و نمک آمونيوم
2- روش استفاده از آلومينيوم سولفات و آمونیوم هيدروكسيد در مجاورت سديم سيليكات و اسيد معدنی
3- روش استفاده از سديم سيليكات و اسيدهای معدنی
4- روش كربناسيون سديم سيليكات
5- روش استفاده از تبادل گرهای يونی

مرجع مواد شیمیایی ایران