Aktuální číslo:

Nejčistší safír na světě

Výroba umělých safírů Ve spolchemii

15. 1. 2009

| Vesmír 88, 42, 2009/1

komerční prezentace

Již 60 let vyrábí Spolek pro chemickou a hutní výrobu (Spolchemie) v Ústí nad Labem syntetické monokrystaly korundu, krystalického oxidu hlinitého, který má významné chemické a elektroizolační vlastnosti, vysokou tvrdost a tepelnou stálost.

Do poloviny devadesátých let minulého století měl provoz Monokrystaly ve svém programu asi 12 barevných odrůd korundu, které byly určeny především na tuzemský trh k výrobě ložiskových kamenů (např. rubíny do hodinek) a drahokamových odrůd pro šperkařství (červené, modré, žluté i jiné barevné odrůdy). Tehdy se ročně vyrábělo asi 6 tun korundů při tržbách do 15 milionů korun.

K tomu, aby v průběhu následujících deseti let byl provoz schopen poskytnout více než desetinásobné množství korundu, musel se zásadně změnit výrobní program. Konzervativní evropský trh zásobovaly ložiskovými i šperkařskými kameny tradiční švýcarské a francouzské firmy.

Od konce devadesátých let se Spolchemie specializuje na výrobu jediného druhu syntetického korundu, na bílý safír. Toto rozhodnutí bylo učiněno po zvážení šancí na evropském trhu, a především proto, že dynamicky rostla potřeba tohoto materiálu pro přípravu velkých krystalů získávaných tažením z taveniny „kelímkovou“ metodou v elektrických pecích.

Pro jednotlivé aplikace těchto krystalů se používá různě kvalitní materiál. Bílý safír se získává buď souběžně s výrobou barevných korundů, nebo odpadá při výrobě velkých kamenů pěstovaných z dopovaného oxidu hlinitého – v obou případech je chemicky znečištěný. Spolchemie se soustředila na přípravu safírové suroviny pro nejnáročnější aplikace. Vyrábí chemicky nejčistší safír na světě – s obsahem nečistot do 5 ppm. Této čistotě odpovídá i cena, za niž se safír prodává. Převyšuje totiž cenu tradiční suroviny pro šperkařské nebo klasické ložiskové použití.

Jak se dělá umělý safír

Výrobě safíru předchází příprava práškového oxidu hlinitého. Aby se prášek dal přetavit v plameni a mohl krystalizovat, musí mít speciální fyzikální vlastnosti (důležitá je střední velikost zrna a měrný povrch), které získává při tepelném rozkladu síranu amonno-hlinitého (kamence). Ten probíhá v křemenných miskách při teplotě kolem 1150 °C v kalcinační peci.

Kamenec se vyrábí rozpouštěním sloučenin hliníku v zředěné kyselině sírové a následnou amoniakalizací kapalným čpavkem. Po ochlazení roztok krystalizuje, kamenec se zbaví matečných louhů, promyje se a v odstředivce se zbaví vlhkosti.

Monokrystal korundu vzniká tavením práškového oxidu hlinitého v kyslíkovodíkovém plameni při teplotě kolem 2150 °C. Tavenina pak krystalizuje bezkelímkovou metodou na zařízení zvaném Verneuilova pec.

Budoucnost safírů

Safír slouží jako surovina pro nejnáročnější optické aplikace (především světelné LED diody) a poptávka po něm ročně roste o 20–30 %.

Vloni dosáhla poptávka po produkci safírů ze Spolchemie již 100 tun. Roční světová výroba monokrystalů korundu se odhaduje na 700 tun, z toho 400 tun bílého safíru a jako suroviny pro velké krystaly 200 tun. Spolchemie má nyní kapacitu 75 tun. Prognóza do roku 2010 mluví o 1000 tunách světové spotřeby korundu. Pro nejnáročnější aplikace lze odhadnout potřebu až 150 tun safíru naší kvality.

Z historie safíru

Od pradávných dob si lidé všímali výjimečných vlastností minerálů. Tak je kdysi jistě svou tvrdostí zaujal korund, zvláště pak jeho drahokamové odrůdy – červený rubín, modrý safír a čirý leukosafír. Ty poslední budily pozornost svými optickými vlastnostmi a byly vyhledávanými šperkařskými kameny (Vesmír 82, 38, 2003/1).

Postup výroby umělého safíru poprvé vyzkoušel r. 1891 vynálezce A. Verneuil v Pařížské akademii věd. Prakticky začala jeho metoda sloužit až v r. 1910 v Německu u firmy Idar a Bitterfeld, r. 1920 i ve Švýcarsku, r. 1940 v USA i v tehdejším SSSR. Ve Spolchemii byla tato metoda zavedena během druhé světové války a průmyslová výroba se rozběhla r. 1947. Prošla četnými úpravami a modifi- kacemi a je k vidění dodnes.

Metoda Verneuilovy syntézy umělých safírů vychází z práškového oxidu hlinitého, který si každý výrobce připravuje sám. Základem úspěchu je vysoká čistota této suroviny. Jakékoli příměsi mohou způsobit ztrátu požadovaných fyzikálních a chemických vlastností. Syntetické monokrystaly korundu získané Verneuilovou metodou jsou „safírové hrušky“ o průměru 2–3 cm a délce 10 a více cm.

Trh a aplikace safíru

Zákaznické portfolio tohoto výrobku je dnes velmi rozmanité. Spolchemie dodává na evropské, americké i asijské trhy. Ústecký bílý safír je nejkvalitnější a nejčistší na světě a Spolchemie je v této sféře světovou jedničkou.

Použití safíru je velmi široké – slouží v optice, optoelektronice, lékařství, le tectví, zbrojním průmyslu, automobilovém průmyslu aj. Využívají se jeho výjimečné fyzikální i chemické vlastnosti – vysoká tvrdost, vysoká teplota tání, elektrické a optické parametry, mechanická otěruvzdornost a mnohé další.

Víte, že:

Safíry ze Spolchemie jsou monokrystaly oxidu hlinitého, čirého leukosafíru. Přidáním nepatrného množství oxidu některého kovu k základní surovině vzniknou monokrystaly různých barev. Například příměs oxidu chromitého dá krvavý rubín, menším množstvím této příměsi se docílí rubín růžový, oxid nikelnatý zbarví kámen žlutě, oxid železnatoželezitý a oxid titaničitý dá modrý safír, barva alexandritu, včetně úkazu změny barev při denním a umělém světle, se získá příměsí oxidu vanadu.

Stejným způsobem jako safíry se od r. 1925 ze směsi oxidu hlinitého a hořečnatého vyrábějí syntetické spinely. Bývají označovány jako kameny fantastických barev, nahrazují akvamaríny, chryzolity, ametysty, turmalíny, světlé sibiřské smaragdy aj.

Povídá se, že v padesátých letech byl v přísně střežené laboratoři ve Spolchemii vyvinut plochý monokrystal čirého safíru, který posloužil jako okénko pro kosmickou loď Vostok 1 Jurije Gagarina.

K provozu Monokrystaly patří 68 metrů vysoký komín z roku 1880, dnes už nepoužívaný. Je nejstarší technickou stavbou v areálu Spolchemie a možná nejstarším stojícím komínem v Ústí nad Labem.

Slovníček

korund – chemicky oxid hlinitý (Al₂O₃), klencový minerál. Jeho název se k nám dostal přes něm. Korund z angl. corundum, jež vzešlo z tamilského kurandam – rubín; v přírodě vzniká korund v pegmatitech bohatých na hliník spolu s doprovodnými minerály

safír – český název byl převzat prostřednictvím němčiny ze středolatinského saphirus, jež pochází z hebrejského sappir. Jde o monokrystal oxidu hlinitého (Al₂O₃), korundu; vyskytuje se jako přírodní drahokam nebo se vyrábí uměle; přírodní safíry obvykle obsahují příměs jiných prvků, které jim dodávají modrou, červenou, žlutou, růžovou, purpurovou, oranžovou nebo zelenavou barvu; barevné odrůdy safíru mají vlastní názvy

odrůdy korundu – mezi nejčastější drahokamové odrůdy korundu patří modrý safír, červený rubín, čirý leukosafír a další (padparadža, kuncit, alexandrit); v obecné formě se korund v přírodě vyskytuje jako smirek, který je šedočerný až černý

monokrystal – makroskopický krystal se zanedbatelnými poruchami krystalové struktury; základní podmínkou vzniku monokrystalu je řízení přeměny taveniny takovým způsobem, aby se celá krystalizace uskutečnila z jednoho zárodku; běžné rychlosti růstu kvalitního monokrystalu jsou řádově milimetry za hodinu; pro správný tok tepla z kapalné fáze do krystalu musí být trvale zajištěn teplotní gradient v mezifázovém rozhraní, vznikající krystal se musí posouvat směrem od taveniny, nebo se musí teplotní gradient posouvat v opačném směru; krystalová orientace matečného zárodku přímo určuje orientaci rostoucího krystalu

kamence – podvojné soli kyseliny sírové, jejichž obecný chemický vzorec má tvar M⁺₂SO₄ · M³⁺₂(SO₄)₃ · 24H₂O (častější je zápis ve tvaru M⁺M³⁺(SO₄)₂ · 12H₂O), kde: M⁺ označuje alkalické kovy (Li, Na, K, Rb, Cs) nebo NH⁴⁺ (amonný iont) a M³⁺ označuje trojmocný kovový kationt, nejčastěji hliník, chrom či železo; pro výrobu oxidu hlinitého pro monokrystaly safíru se používá kamenec hlinito-amonný NH₄Al(SO₄)₂ · 12H₂O

kalcinace – zvápnění, z lat. calx, znamenala pro alchymisty pálení nebo pražení látky za přístupu vzduchu; nejčastěji tím vznikaly kysličníky kovů (např. pálené vápno); kalcinace v technické chemii spočívá v silném zahřívání za přístupu vzduchu a často se provádí ve zvláštních pecích; v technologii výroby safírů je kalcinace tepelný rozklad kamence v muflové peci, kam se vsázka vkládá ve speciálních křemenných miskách

Verneuilova metoda – tvůrcem metody používané při výrobě syntetických safírů či jiných drahých kamenů je Francouz A. Verneuil, kterému se na přelomu 19. a 20. století podařilo zhotovit poměrně jednoduchým způsobem syntetické korundy; pece k výrobě umělých korundů jsou trubice s kyslíkovodíkovým hořákem, dávajícím teplotu až 2150 °C; do plamene se sype pomocí elektromagnetického zařízení jemný prášek oxidu hlinitého, který se taví v drobné kapičky, jež padají na zárodek; tam se spojují v celek – monokrystal

tavicí pícka – zařízení na syntézu umělých safírů Verneuilovou metodou

rampa – sestava tavicích pícek do technologického celku, který pracuje v jednotném režimu