پوشش‌های ضدحریق بر پایه مواد آلی متورم شونده و یا بر پایه مواد معدنی نظیر ورمیکولیت هستند که برای محافظت از سازه‌های فلزی و بتنی در برابر حریق‌های سلولزی و هیدروکربنی استفاده می‌شوند. ورمیکولیت ماده معدنی از دسته فیلوسیلیکات‌ها است که در دمای حدود C°950-650 می‌تواند تا 30 برابر حجم اصلی خود منبسط شود.

ورمیکولیت منبسط شده خواصی چون رسانندگی گرمایی کم (W/m. K 0.12-0.04)، چگالی پایین (kg/m³ 120-80)، بی‌اثری شیمیایی و نقطه ذوب نسبتا بالا (C°1430-1240) دارد. این ماده در زمینه عمران، صنایع شیمیایی و کشاورزی کاربرد زیادی دارد و یکی از اجزای تشکیل دهنده مواد ضدحریق پایه گچی و سیمانی می‌باشد. سنگ معدن ورمیکولیت عمدتا از SiO₂ (42-37% وزنی)، MgO (14-12% وزنی)، Al₂O₃ (13-10% وزنی)، Fe₂O₃ (17-5% وزنی)، H₂O (18-8% وزنی) و مقدار کمی FeO (3-1% وزنی) تشکیل شده است.

این ماده از نظر شیمیایی خنثی و بی‌اثر بوده و با تغییر ترکیب درصد شیمیایی آن، خواص فیزیکی‌اش تغییر می‌کند.

فرمول شیمیایی ورمیکولیت به صورت (Mg₂⁺, Fe₂⁺, Fe₃⁺)3[(SiAl)₄O₁₀]OH₂.4H₂O است.

ساختار ورقه‌ای ورمیکولیت باعث شده است که در درجه حرارت‌های متفاوت خواص روان‌کنندگی داشته باشد و بتواند درون مواد ضدحریق و به عنوان پرکننده متخلخل و سبک در عایق‌های حرارتی به کار رود. بنا بر تحقیقات انجام شده 381000 و 408000 تن ورمیکولیت به ترتیب در سال‌های 2014 و 2015 در کشورهای مختلف تولید شده است که معادن آن در برخی از کشورهای جهان یافت می‌شود. 6 کشور آفریقای جنوبی، ایالات متحده آمریکا، برزیل، زیمباوه، بلغارستان و هند تولیدکننده بیش از 97.5% ورمیکولیت در سطح جهان هستند.

در صورتی که ورمیکولیت بیش از 10 برابر اندازه اصلی‌اش منبسط شود کیفیت خوب و اگر انبساط آن کمتر از این مقدار باشد کیفیت مناسبی نخواهد داشت. درجه انبساط ورمیکولیت به عواملی نظیر میزان حرارت، مدت زمان قرار گرفتن در دماهای بالا، مقدار رطوبت، روش خرد شدن (آسیاب شدن)، ساختار و ترکیب درصد شیمیایی آن بستگی دارد. بر اساس مطالعات انجام شده در حضور تنها 7% ورمیکولیت منبسط شده درون مواد پایه گچی و سیمانی، عملکرد این پوشش‌های ضدحریق بر روی سازه‌های فولادی به میزان قابل ملاحظه‌ای بهبود می‌یابد.

همچنین با افزودن ورمیکولیت به پلیمرها می‌توان پایداری حرارتی این ترکیبات را تا حدودی افزایش داد. علاوه بر این بردها (توفال‌ها) و پلیمرها در حضور ذرات ورمیکولیت، مقاومت بالایی در برابر قارچ‌ها و باکتری‌ها پیدا می‌کنند. به طور کلی در حضور ورمیکولیت منبسط شده برخی از خواص مصالح ساختمانی بهبود یافته و برخی دیگر با افت مواجه می‌شوند.

مزایا و معایب استفاده از ورمیکولیت منبسط شده درون مواد ساختمانی

مزایا و معایب استفاده از ورمیکولیت منبسط شده در جدول1 ارائه شده است.

از مزایای استفاده از ورمیکولیت منبسط شده در ماتریس می‌توان به افزایش کارایی و مقاومت در برابر حریق، کاهش وزن و افزایش خاصیت عایقی صدا و گرما اشاره کرد. از طرف دیگر در حضور ورمیکولیت منبسط شده درون مواد ساختمانی، استحکام مکانیکی کاهش، تخلخل و جذب آب افزایش می‌یابد.
لازم به ذکر است که با اضافه کردن مواد افزودنی متفاوت می‌توان این معایب را برطرف نمود. به عنوان مثال در حضور 15-5 درصد میکروسیلیس (دوده سیلیسی) و یا 10-2 درصد متاکائولن مقاومت فشاری افزایش، تخلخل و جذب آب ماتریس حاوی ورمیکولیت منبسط شده کاهش پیدا می‌کند. با توجه به موارد ذکر شده از ورمیکولیت منبسط شده درون بتن و ملات سبک، آجر تزئینی و نسوز، پوشش دودکش‌ها، عایق‌بندی صدا و گرما و به ویژه در پوشش‌های ضدحریق استفاده شده است.

ورميكوليت خام در صنايع بندرت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. از اين رو حجم عمده ماده معدني استخراج شده به كارخانجات فرآوري منتقل مي‌شود. اين موضوع حاكي از اهميت مرحله فرآوري در جريان آماده سازي ورميكوليت براي عرضه به بازار مصرف است.
مراحل اصلي در فرآوري ورميكوليت شرح زير است:
– كانه‌آرايي (mineral dressing)
كانه‌آرايي ورميكوليت شامل مراحلي است كه به جدايش ورميكوليت از باطله منجر مي‌شود. حذف كاني‌هاي همراه با روش‌هاي معمول جدايش (از جمله شناورسازي flotation) صورت مي‌گيرد. در مورد كانسنگ‌هاي سخت، اعمال يك مرحله خردايش قبل از شناورسازي براي جدايش كاني از سنگ ضروري است. پس از يك مرحله سرند، اجزاي كوچكتر از 65 ميلي‌متر به حوضچه رسوب منتقل شده و دانه‌هاي بزرگتر از 2 سانتي‌متر مجدداً به آسيا انتقال مي‌يابد. ذرات مابين دو اندازة فوق نيز ابتدا خشك و سپس دانه‌بندي مي‌شود
مراحل فوق، اغلب در كانسارهاي بزرگ مورد استفاده قرار مي‌گيرد. با توجه به اينكه عمليات كانه‌آرايي در توليد ورميكوليت، موجب افزايش هزينه‌ به ميزان بيش از 50 درصد است، لذا انجام كانه‌آرايي بصورت وسيع قبل از انبساط پيشنهاد نمي‌شود. در اغلب موارد در كانسارهاي كوچك و متوسط مراحل جدايش باطله از ماده معدني و انبساط، همزمان است. جدايش پس از انبساط و بوسيله فشار هوا انجام مي‌گيرد.

فلوشيت كانه‌آرايي ورميكوليت

– خردايش ورميكوليت خام
مناسب‌ترين اندازه براي ذرات ورميكوليت خام، بين 3 تا 10 ميلي‌متر است. چنانكه ذكر شد دانه‌هاي درشت‌تر از 2 سانتي‌متر قبل از انبساط مي‌بايست خرد شود. علت اين امر مربوط به خاصيت ديرگدازي و رسانايي حرارتي اندك آن است، لذا در داخل كوره نمي‌تواند به صورت قطعات درشت و كلوخه انبساط يابد. از اينرو عمليات خردايش قبل از انبساط ضروري است.
براي اين منظور از انواع سنگ‌شكن‌هاي فكي، ژيراتوري، مخروطي، استوانه‌اي و ضربه‌اي با توجه به نوع كانه، قابليت خرد شدن، ميزان سايندگي، ابعاد محصول مورد نياز و ظرفيت توليد استفاده مي‌شود. بدين ترتيب ممكن است خردايش در سه يا چهار مرحله انجام شود.

– پرعيارسازي (concentration)
در جدايش ورميكوليت از باطله، از خصوصيات فيزيكی و شيميايي آن استفاده مي‌شود. در پرعيارسازي ورميكوليت، بيشتر روش ثقلي بكار مي‌رود، هرچند استفاده از روشهاي ديگر همچون شناورسازي، مغناطيسي و خشك نيز معمول است.

• روش ثقلي
در اين روش از تفاوت وزن مخصوص، ابعاد و شكل و بطور كلي حركت ذرات در سيال (بويژه آب) استفاده مي‌شود. ابزار مورد استفاده در اين روش شامل انواع جيگ‌ها، ميزهاي لرزان، جداكننده نواري، ناوه شستشو، مارپيچ‌ها و … است. براي پرعيارسازي ورميكوليت به روش ثقلي، استفاده از جيگ هارس ، ميزهاي لرزان و ناوه شستشو توصيه شده است.

• روش شناورسازي
در اين روش مواد باطله (از جمله كاني‌هاي همچون هورنبلند، كوارتز و فلدسپار) در محيط‌هاي قليايي و در حضور متافسفات فعال شده و پس از شناور شدن توسط جمع‌كننده‌هاي آنيوني از محيط خارج مي‌شود. محلول باقيمانده، افشره ورميكوليت حاوي بيش از 93 درصد كاني است. ميزان بازيافت (recovery) ماده معدني در اين روش بين 60 تا 80 درصد است.

• روش مغناطيسي و خشك
استفاده از روش مغناطيسي براي جداسازي بيوتيت از ورميكوليت گزارش شده است. افشره حاصله منبسط شده و ساير ناخالصي آن پس از مرحله انبساط و از طريق حوضچه‌هاي رسوب جدا مي‌شود. پرعيارسازي به طريق خشك نيز صورت مي‌گيرد. در اين روش ابتدا ماده معدني در آسياب‌هاي چكشي خرد مي‌شود. سپس با اعمال جريان هوا، باطله (با وزن مخصوص بالا) در بخش‌هاي اوليه محفظه مربوطه باقي مانده و ورميكوليت در بخش‌هاي انتهايي آن تجمع مي‌يابد.

– انبساط
انبساط ورميكوليت به دو صورت حرارتي و شيميايي صورت مي‌گيرد. قبل از آغاز مرحله انبساط، لازم است تا افشره ورميكوليت كاملاً خشك شود، چرا كه وجود آب و رطوبت بر كيفيت انبساط تأثير منفي مي‌گذارد.
عمل خشك كردن بيشتر با هواي گرم (50 تا 120 درجه سانتي‌گراد) و يا با استفاده از انرژي خورشيد انجام مي‌شود. در هر حال دقت در اعمال پيوسته و يكنواخت حرارت ضروري است.

• انبساط حرارتي
انبساط حرارتي ورميكوليت در حرارت 871 تا 1093 درجه سانتي‌گراد و در مدت زمان چند ثانيه تا دو دقيقه صورت مي‌گيرد. حرارت زياد يا مدت حرارت‌دهي بيشتر موجب تبديل محصول به پولك‌هاي ريز (زير 100 مش) مي‌شود.
كوره‌هاي مورد استفاده در انبساط حرارتي ورميكوليت، به صورت عمودي يا افقي دوار است. در كوره‌هاي عمودي، ماده معدني از بالا تغذيه شده و در حين سقوط با حرارت مشعل كه در كف كوره واقع است، منبسط مي‌شود. ذرات منبسط از طريق يك بادزن به بيرون پرتاب شده و با عبور از جداكننده‌ها (classifire) در اندازه‌هاي مختلف تفكيك مي‌شود.
استفاده از كوره‌هاي افقي دوار معمول‌تر است. درجه حرارت اين نوع كوره‌ها با توجه به دانه‌بندي و مدت زمان انبساط بين 750 تا 1100 درجه سانتي‌گراد تغيير مي‌كند. بر حسب تجربه، مناسب‌ترين درجه حرارت جهت انبساط ورميكوليت در اين كوره‌ها 750 درجه سانتي‌گراد است.

• انبساط شيميايي
جهت انبساط شيميايي ورميكوليت، از محلول‌هاي مختلف از قبيل كلريد سديم، كلريد باريم، آب اكسيژنه و اسيد سولفوريك استفاده مي‌شود. شرايط و نحوه آن برحسب مصرف محصول متفاوت است.