CN109971363B - 一种高效抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效硅溶胶抛光液及其制备方法，在硅溶胶抛光剂含有氧化硅分散体，并添加有非离子表面活性剂、Ti离子络合剂、Fe离子络合剂、氧化剂、缓蚀剂、有机碱：四甲基乙二胺、去离子水、所述硅溶胶中的氧化硅分散体由高岭石提纯获得，含有SiO₂、氢氧化钠、乙醇、去离子水、聚乙二醇，其中氧化硅的含量为5~35wt.%，其中获得的氧化硅颗粒的尺寸集中在50‑60nm之间。

Description

一种高效抛光液及其制备方法

技术领域

本发明涉及抛光硅溶胶的技术领域，特别涉及一种蓝宝石衬底抛光硅溶胶及其制备方法。

技术背景

随着光电技术的飞速发展，LED光电产品材料需求量的日益增加，当前有许多衬底材料能用于GaN晶片LED，但是真正能用于实现商业化的衬底材料目前还比较少，一般只有两种，即蓝宝石和SiC，目前还没有第三种衬底用于GaN的LED的商业化生产。SiC是一类非常重要的衬底材料，同蓝宝石相比，SiC属于低阻材料，可以制作电极，其晶格常数和材料的热膨胀系数与GaN 材料更为接近，并且易于溶解，且本身具有蓝光发光特性，但SiC材料也有其缺点，主要是其热膨胀系数与GaN相差较大，容易导致外延GaN层的裂纹，不适合大量使用，价格相对昂贵。蓝宝石衬底是目前使用最好也是最为普遍的一种衬底材料。

蓝宝石晶体(α-A1₂O₃)是一种耐高温、耐磨损、抗腐蚀和透光波段宽的优质光功能材料，它具有与Ⅲ族氮化物相同的六方密堆积型，是由物理、机械和化学特性三者独特组合的优良材料。在光通信领域，蓝宝石晶体不仅用作短波长有源器件，还用作偏振光的无源器件在微电子领域，蓝宝石可以作为新一代半导体衬底SOI(绝缘层上)的衬底，由于蓝宝石优良的阻挡作用，能够减小晶体管的电容效应，其运算速度可变得更快，功耗变得更低。在光电子领域，蓝宝石晶体是制造GaN发光二极管(LED)的首选衬底材料。在蓝宝石衬底上生长薄膜之前，首先要去除切片时产生的划伤、凹坑、应力区等，然后要降低表面粗糙度。表面的粗糙度越大，表面的悬挂键越多，越容易吸附其他杂质，并且与上面的薄膜有较差的晶格匹配。传统的纯机械抛光是用抛光粉不断地研磨被抛光材料的表面，容易产生较深的划伤。而CMP（化学机械抛光）是在化学作用的环境下，通过机械作用将化学反应物去除掉，提高了材料的去除速率，同时也得到良好的表面形态。

目前常用的CMP为氧化硅硅溶胶，它是一种硬而脆的陶瓷材料，其表面化学活性很低。SiO₂水溶胶是双电子层结构，外层电子显负电荷，由凝聚法制备的胶体SiO₂粒子表面富含硅羟基，研究还发现采用凝聚法制备的硅溶胶内部也富含有硅羟基，正是这个特点，使得凝聚法制备的SiO₂胶体黏度小，硬度适中，无棱角，在CMP时不会产生划伤。

现有的硅溶胶抛光液主要有以下问题:（1）稳定性较差，容易产生分层、沉淀等问题，不能长期存放;（2）抛光液中大都含有大量金属离子，被抛光物表面会产生金属离子沾污和粘附细小颗粒的缺陷，这些离子或颗粒会使器件性能变差，甚至使器件不能工作；（3）硅元素的来源集中于价格较贵的分析纯硅溶液，如原硅酸乙酯，硅酸钠水玻璃等，不利于行业整体成本的降低；（4）抛光效率较低；（5）容易滋生细菌和真菌，使得硅溶胶的pH值降低，严重影响硅溶胶的抛光效率和直接导致产品报废。

发明内容

针对上述现有技术中存在的一个或多个问题，本发明提供一种用于蓝宝石衬底的高效抛光液，该抛光硅溶胶中的氧化硅溶胶颗粒尺寸大小均一，抛光效果稳定，抛光效率高。

一种高效抛光液，所述抛光液包括：氧化硅分散体溶液：150-300mL；非离子表面活性剂：聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷P123，1-3g；Ti离子络合剂：1,2-环己二胺四乙酸，0.5-1g；Fe离子络合剂：EDTA，0.3-0.7g；氧化剂：叔丁基过氧，1-2mL；缓蚀剂：苯并三氮唑，0.5-1g；有机碱：四甲基乙二胺，调节抛光液pH=11.0-11.5，去离子水：0.5-1L；

进一步的，所述氧化硅分散体由高岭石提纯获得，含有SiO₂、氢氧化钠、乙醇、去离子水、聚乙二醇，其中氧化硅的含量为5~35wt.%，其中获得的氧化硅颗粒的尺寸集中在50-60nm，D₉₈≤75nm。

进一步的，所述抛光液在常温条件下，其粘度≤10mm²/s，比重1.1~1.25g/cm³。

进一步的，所述氧化硅分散体溶液中含有少量铁离子和钛离子，其含量总和低于氧化硅分散体溶液的0.2wt.%。

一种高效抛光液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）制浆分级获得磁选料-梯度磁选除铁钛-焙烧增白-高温钙化-分离氧化硅-制备硅酸钠-制备氧化硅分散体溶液，取适量氧化硅分散体溶液置于聚乙烯塑料桶反应釜中；

（2）向上述分散体溶液中加入P123非离子表面活性剂，升温至40-50^oC，持续搅拌0.5-1.5h;

（3）依次向上述添有表面活性剂的分散体溶液中加入Ti离子络合剂1,2-环己二胺四乙酸、Fe离子络合剂EDTA、缓蚀剂苯并三氮唑、氧化剂叔丁基过氧，适量去离子水，恒温持续搅拌10-20min，降至常温；

（4）加入适量有机碱四甲基乙二胺，调节抛光液pH=11.0-11.5，获得高效氧化硅溶胶抛光液。

进一步的，所述高效抛光液可直接使用，或用去离子水稀释后使用，所述抛光液应用于混有少量钛和铁杂质的氧化铝蓝宝石的抛光领域。

有益的技术效果:

（1）氧化硅溶胶颗粒尺寸大小均一集中于50-60nm，抛光效果稳定好；

（2）氧化硅来源丰富，价格低廉；

（3）抛光效率高，效果好。

附图说明：

附图1由实施例1步骤（5）制备的氧化硅的粒径分布图；

附图2氧化硅分散体溶液中纳米氧化硅的TEM图；

附图3氧化硅分散体溶液中纳米氧化硅的尺寸分布图；

附图4 氧化硅分散体溶液的制备工艺流程图；

附图5 不同参数对抛光效率和抛光液稳定性的影响。

具体实施方式

通常制备硅溶胶的来源主要为硅或原硅酸乙酯，其价格高，探索采用价格低、来源广的高岭土为原料制备Si0₂颗粒或有机硅溶胶，具有重要的应用价值。

氧化硅分散体溶液制备流程图如附图4中所示，具体说明如下：

（1）制浆分级获得磁选料：将高岭石进行粗磨、配浆、旋流器中进行除砂和粒度分级处理，所述配浆质量比为粗磨后高岭土：分散剂：水=（0.05-0.15）:（0.001~0.01）:1，配浆搅拌速度500-800r/min，搅拌时间为1-3h，所述粒度小于3mm的高岭土含量大于90%，得到磁选原料。

（2）梯度磁选除铁钛：背景磁场强度1.5*10⁴Oe，流速1-2cm/s；磁化周期3-8min，使得钛含量低于0.3wt.%，铁含量低于0.2wt.%。

（3）焙烧增白和简单相变：脱水、干燥、焙烧，焙烧温度800-1100^oC，升温速率10^oC/min，达到焙烧温度后保温2-3h，焙烧气氛氧氮混合气O₂/N₂=5~8wt.%，获得白度大于90%的Al₂O₃ ^.xSiO₂物料，0<X≤1。

（4）高温钙化：向上述Al₂O₃ ^.xSiO₂物料中加入CaO粉末，搅拌均匀，升温至1200-1300^oC，反应时间1-2h，获得CaO^.SiO₂与CaO^.Al₂O₃混合物，降温至80-90^oC。

（5）分离氧化硅：向上述混合物中添加30-40wt.%Na₂CO₃水溶液，搅拌反应2-4h，多次过滤、收集固体，分离出来的氧化硅纯度较高，但纳米粒径分布杂乱无章，如附图1所示。

（6）制备硅酸钠：将步骤（5）中收集的固体中加入氢氧化钠水溶液，在70-85^oC条件下加热搅拌4-4.5h，抽滤，去离子水洗涤，获得硅酸钠水溶液

（7）制备硅溶胶：将10-20ml上述获得的硅酸钠水溶液中分别加入乙醇和氨水，搅拌反应1h，再向其中加入聚乙二醇/乙醇混合液，于40^oC条件下持续反应24-36h，获得白色纳米氧化硅分散体。

进一步的，所述白色纳米氧化硅分散体中，氧化硅的纯度高于99%。

进一步的，步骤（6）中氢氧化钠浓度为10~30wt.%，获得的硅酸钠水溶液的浓度为5-15wt.%。

进一步的，所述步骤（7）中乙醇和氨水的体积比为70:(1~3)，聚乙二醇/乙醇混合液的浓度为3~15wt%。

进一步的，所述分散剂为六聚偏磷酸钠、聚丙烯酰钠和草酸钠的混合物，质量比为0.2~0.5:1:1。

进一步的，使用乙胺调节配浆的pH值，9.0≤pH≤10.0。

进一步的，所述高岭土中SiO₂含量为40~50wt.%，Al₂O₃含量27~39wt.%，Fe₂O₃含量2~3wt.%，TiO₂含量3~4.5wt.%，K₂O+Na₂O+CaO+MgO＜1wt.%，剩余为烧失。

进一步的，高岭土原矿中氧化硅的回收率达90%以上。

关于几点说明如下。

关于配浆过程中使用分散剂为六聚偏磷酸钠、聚丙烯酰钠和草酸钠的混合物，所述复配分散剂对配浆的分散稳定性有明显改善，六聚偏磷酸钠和聚丙烯酸钠可有效地提高浆体的分散稳定性。六聚偏磷酸钠解离后附着在矿物表面，增加了矿物表面的负电荷，矿物颗粒由于静电而分离，同时六聚偏磷酸钠超大分子基团附着在矿物的表面产生很强的位阻效应使得分散效果加强，草酸钠引入，加强了矿物表面特征吸附阴离了，而使表面电位变负，等电点降低，而聚丙烯酰钠的加入，由于高分了链向体相中仲展，使剪切面向外移动更大的距离，从而使电位降低，并使等电点发生微小偏移，进一步有利于矿物的分散和分离，即复配分散剂的使用有利于后续的除砂、粒度分级、梯度磁选、增白有效的提高了高岭土提纯的纯度，从而使高岭土提纯的更加均匀和彻底。

矿样中主要杂质矿物为含铁钛矿、其中含钛矿物主要为锐钛矿和金红石，少量板钛矿、钛铁金红石和钛铁矿，含铁矿物主要为褐铁矿、赤铁矿和电气石等，此外，其中Fe和Ti是CMP抛光过程中必须要出去的染色元素，以避免对抛光基材的污染，在高岭土中铁、钛等着色元素及有机炭都是影响抛光材料白度的主要因素，目前出去钛铁的方法主要包括：(A)浮选：该法是利用锐钛矿、电气石等着色物质亲油能进入脂肪酸、苯、四氯化碳等有机液体内的特点而与分散在水中的高岭土悬浮液分离，该法的工业化应用目前主要受成本的限制。浮选法除铁、钛的主要缺点在于高岭土颗粒表面吸附的剩余药剂量多，脱水困难，整个工艺较复杂；(b)化学还原：直接酸浸除铁或者还原漂白，所述化学还原影响漂白效果的因素有很多，如矿石的特征、温度、pH值、药剂用量、矿浆浓度、漂白时问、搅拌强度等，若矿石中含有机质、杂质含量高，那么漂白效果差，白度提高的幅度不大。（c）微生物法：微生物法是利用一些微生物(麦芽菌、固氮菌和黑曲霉)将杂质铁(黄铁矿、氧化铁矿等)氧化或者还原成可溶性铁，达到除去高岭土中铁杂质的目的但是微生物氧化法占地面积大，处理周期长，对不同品种粘土，经菌类处理的效率也不尽相同，有待于进一步的研究与优化，本发明使用高梯度磁选法，靠增大磁场梯度来达到增大磁力的目的磁选安全方便，处理量大。通过对高岭土进行高梯度磁选，钛含量由4~5.5wt.%降至0.3wt.%，铁含量由3~4wt.%降至0.2wt.%，效果明显。

此外，影响白度的因素还有有机碳质，有机质在高温下易于燃烧，因此，锻烧是除去高岭石粉中有机炭最经济、最有效的方法，在焙烧过程中应当注意锻烧气氛对除炭影响很大，氧化气氛有利于炭质的燃烧脱除，还原气氛对除炭不利。在还原或弱氧化气氛下，高岭石粉中的有机炭可转变成CO，当通风不佳、温度较低时，CO分解成CO₂和分散状的炭质，这就是低温沉炭作用。正是由于这个原因，当锻烧温度较低，氧化气氛较弱时，产品表层呈灰色。本发明的焙烧气氛氧氮混合气O₂/N₂=5~8wt.%，获得白度大于90%的Al₂O₃ ^.xSiO₂物料，在焙烧过程中还会发生简单相变，生成Al₂O₃ ^.xSiO₂物料。

高温钙化是用于形成可以与碳酸钠水溶溶液反应的CaO^.Al₂O₃生成四羟基合氯酸钠和不与碳酸钠水溶溶液反应的CaO^.SiO₂，进而实现CaO^.Al₂O₃和CaO^.SiO₂的有效分离，获得CaO^.SiO₂粉体粒径低于1mm，CaO^.SiO₂粉体中SiO₂含量大于97wt.%。

获得氧化硅颗粒尺寸较大，且粒径分布及其分散，如图1所示，并不能直接用于抛光液的氧化硅来源，首先将制备获得无序氧化硅溶于氢氧化钠溶液中形成胶体，然后向其中加入的乙醇和氨水混合液，导致形成了中间体Si(OH)₄，紧接着缩合成≡Si-O-Si≡，氨水的比例的增加导致了pH的升高，而在高pH的环境中氨水可以增强初级粒子之间的静电排斥作用，降低了它们之间的缩聚从而形成的胶体粒径较小。相反，如果增加乙醇的比例，氨水量减少，溶液pH较低，此时乙醇减弱了胶粒之间的静电排斥作用，初级粒子更易聚集，而体积比为70:(1~3)的混合液较为适宜，之后加入聚乙二醇和乙醇的混合液，聚乙二醇和硅羟基的表层形成的氢键有助于硅溶胶的稳定，并增加溶胶体系的粘度，降低了Si(OH)₄的扩散，有助于形成更小颗粒的氧化硅分散体，此外，温度也是影响硅溶胶稳定的重要因素，温度越高硅溶胶形成凝胶的时间就越短，温度升高后，硅酸钠分子的平均动能增加，从而加快了硅酸钠的水解反应。同时，二氧化硅胶粒在聚合形成凝胶时，胶粒之间会形成硅氧键，而温度的越高越易形成硅氧键，所以温度升高，形成凝胶的速率也加快，进而影响颗粒尺寸，即通过本发明的温度、乙醇和氨水的比例、乙二醇和乙醇的比例可以调节纳米氧化硅的颗粒尺寸，而基于后续的抛光效果。

此外，关于使用上述氧化硅分散体溶液作为硅源，其中各个成分或参数的说明如下。

（1）非离子表面活性剂，通常来说，SiO₂介质表面首先发生水解反应，形成表面水合层，抛光液中的化学成分再与水合层发生化学反应，形成易溶解于水的反应产物，然后反应产物被抛光垫与磨料之间的机械作用从表面磨除，其中表面活性剂能够有效改变氧化硅的表面性质，使抛光液具有良好的分散性，避免磨料团聚，通常表面活性剂分为非离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂，而在抛光过程中，使用阳离子表面活性剂配制抛光液时，抛光液中硅溶胶发生了团聚。阴离子表面活性剂在溶液中电离出阴离子，与硅溶胶表面的负电荷相排斥，这种阴离子包围在硅溶胶周围，导致每个硅溶胶颗粒相互排斥，没有发生团聚，而非离子表面活性剂在水中不电离，以分子形式存在，并且由于它的亲水性，在硅溶胶周围形成了较厚的水化膜，空间电位稳定作用相对明显，所以用非离子表面活性剂配制的抛光液稳定性较好，因此本发明使用的为非离子表面活性剂，非离子表面活性剂在水溶液中不电离，优选聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物,其分子式为:PEO-PPO-PEO，即P123。

（2）金属络合剂，由于制备氧化硅分散体溶液的本身缺陷所致，使得溶液中不可避免的存在Ti离子和Fe离子，所述离子的存在会在抛光过程中产生沉淀颗粒，影响抛光液的抛光效果，严重情况下甚至毁坏抛光工件，因此在抛光液中加入金属络合剂，它可促使抛光膜的形成，进而提高抛光速率。能够均衡机械去除速率和反应物在抛光液中的溶解速率，减小溶解速率小时反应产物在表面上的再沉淀速率，解决溶解度大时因材料去除过多而引起的平面度差的问题。还可以与金属离子形成稳定的络合物，防止表面沾污或吸附。其中有针对的选择对Fe离子络合性能好的EDTA ，和对Ti离子络合性能好的1,2-环己二胺四乙酸。

（3）氧化剂:能够在抛光工件表面形成氧化膜，抛光工件凸起部分的氧化膜通过机械作用被磨削掉，凹处的氧化膜防止进一步被腐蚀，利于后续的机械抛光，从而提高抛光效率和表面平整度。常用的氧化剂为金属氧化剂，但如上述所言，金属离子的介入会对抛光器件性能形成影响，而且会对抛光液和环境形成污染，因此选用不含金属离子的有机氧化剂，反应产物清洁，后清洁个工序简单，方便抛光液的循环使用，本发明使用的有机氧化剂为叔丁基过氧，过程如下：通过抛光液的流动，其中的叔丁基过氧传送到蓝宝石的表面，并发生吸附和反应，而抛光液中的硅溶胶粒子通过抛光转动磨削掉生成的氧化产物，最终随着新抛光液的加入，磨削掉的氧化产物被带走，完成抛光。

（4）缓蚀剂:以适当的浓度和形式存在于环境(介质)中时，是一种可以防止或减缓材料腐蚀的化学物质或复合物质，主要作用于溶液，本发明缓蚀剂优选苯并三唑。

（5）碱性pH值调节剂: 总所周知，容易团聚是硅溶胶最大的缺点，团聚的结果直接导致凝胶，其中抛光液pH值是影响硅溶胶团聚最主要的因素,常用的pH调节剂为无机碱，如氢氧化钠，其中引入的钠离子对抛光效果有影响，介于此，本发明使用四甲基乙二胺有机碱，其作为pH值调节剂配制的抛光液效果比无机碱好，这是由于四甲基乙二胺作为pH值调节剂，不但能够防止金属离子污染铝合金表面，而且还能与金属离子如Ti或Fe离子发生络合反应生成大分子量的胺盐，这些胺盐很容易溶解脱离铝合金表面，提高抛光效率，由此可见，四甲基乙二胺不但能够调节抛光液的pH值，还能作为pH缓冲剂，促进反应产物迅速脱离蓝宝石表面，提高化学机械抛光的速率。当局部pH值改变时，四甲基乙二胺会释放自身的轻基来平稳pH值;局部pH值稳定，就会有氧化膜在铝合金表面形成，提高铝合金表面的凹凸选择比，降低粗糙度，实现全局平坦化。

实施例1

氧化硅分散体的制备方法如下：

（1）制浆分级获得磁选料：将高岭石进行粗磨、配浆、旋流器中进行除砂和粒度分级处理，所述配浆质量比为粗磨后高岭土：分散剂：水=0.1:0.005:1，配浆搅拌速度750r/min，搅拌时间为2h，所述粒度小于3mm的高岭土含量大于90%，得到磁选原料。

（2）梯度磁选除铁钛：背景磁场强度1.5*10⁴Oe，流速1.5cm/s；磁化周期6min，使得钛含量低于0.3wt.%，铁含量低于0.2wt.%。

（3）焙烧增白和简单相变：脱水、干燥、焙烧，焙烧温度1000^oC，升温速率10^oC/min，达到焙烧温度后保温2.5h，焙烧气氛氧氮混合气O₂/N₂=6.5wt.%，获得白度大于90%的Al₂O₃ ^.xSiO₂物料，0<X≤1。

（4）高温钙化：向上述Al₂O₃ ^.xSiO₂物料中加入CaO粉末，搅拌均匀，升温至1250^oC，反应时间1.5h，获得CaO^.SiO₂与CaO^.Al₂O₃混合物，降温至85^oC。

（5）分离氧化硅：向上述混合物中添加35wt.%Na₂CO₃水溶液，搅拌反应3h，多次过滤、收集固体。

（6）制备硅酸钠：将步骤（5）中收集的固体中加入氢氧化钠水溶液，在70^oC条件下加热搅拌4.2h，抽滤，去离子水洗涤，获得硅酸钠水溶液。

（7）制备硅溶胶：将10-20ml上述获得的硅酸钠水溶液中分别加入乙醇和氨水，搅拌反应1h，再向其中加入聚乙二醇/乙醇混合液，于40^oC条件下持续反应30h，获得白色纳米氧化硅分散体，取适量氧化硅分散体溶液置于塑料反应釜中。

（8）向上述分散体溶液中加入1gP123非离子表面活性剂，升温至40^oC，持续搅拌0.5h。

(9)依次向上述添有表面活性剂的分散体溶液中加入0.5-1g Ti离子络合剂1,2-环己二胺四乙酸、0.3Fe离子络合剂EDTA、0.5缓蚀剂苯并三氮唑、1mL氧化剂叔丁基过氧，适量去离子水，恒温持续搅拌10min，降至常温。

(10)加入适量有机碱四甲基乙二胺，调节抛光液pH=11.0，获得高效氧化硅溶胶抛光液。

实施例2

氧化硅分散体的制备方法如下：

（1）制浆分级获得磁选料：将高岭石进行粗磨、配浆、旋流器中进行除砂和粒度分级处理，所述配浆质量比为粗磨后高岭土：分散剂：水=0.1:0.005:1，配浆搅拌速度750r/min，搅拌时间为2h，所述粒度小于3mm的高岭土含量大于90%，得到磁选原料。

（2）梯度磁选除铁钛：背景磁场强度1.5*10⁴Oe，流速1.5cm/s；磁化周期6min，使得钛含量低于0.3wt.%，铁含量低于0.2wt.%。

（3）焙烧增白和简单相变：脱水、干燥、焙烧，焙烧温度1000^oC，升温速率10^oC/min，达到焙烧温度后保温2.5h，焙烧气氛氧氮混合气O₂/N₂=6.5wt.%，获得白度大于90%的Al₂O₃ ^.xSiO₂物料，0<X≤1。

（4）高温钙化：向上述Al₂O₃ ^.xSiO₂物料中加入CaO粉末，搅拌均匀，升温至1250^oC，反应时间1.5h，获得CaO^.SiO₂与CaO^.Al₂O₃混合物，降温至85^oC。

（5）分离氧化硅：向上述混合物中添加35wt.%Na₂CO₃水溶液，搅拌反应3h，多次过滤、收集固体。

（6）制备硅酸钠：将步骤（5）中收集的固体中加入氢氧化钠水溶液，在70^oC条件下加热搅拌4.2h，抽滤，去离子水洗涤，获得硅酸钠水溶液。

（7）制备硅溶胶：将10-20ml上述获得的硅酸钠水溶液中分别加入乙醇和氨水，搅拌反应1h，再向其中加入聚乙二醇/乙醇混合液，于40^oC条件下持续反应30h，获得白色纳米氧化硅分散体，取适量氧化硅分散体溶液置于塑料反应釜中。

（8）向上述分散体溶液中加入2gP123非离子表面活性剂，升温至45^oC，持续搅拌1h。

（9）依次向上述添有表面活性剂的分散体溶液中加入0.75g Ti离子络合剂1,2-环己二胺四乙酸、0.5Fe离子络合剂EDTA、0.75缓蚀剂苯并三氮唑、1.5mL氧化剂叔丁基过氧，适量去离子水，恒温持续搅拌15min，降至常温。

(10)加入适量有机碱四甲基乙二胺，调节抛光液pH=11.25，获得高效氧化硅溶胶抛光液。

实施例3

氧化硅分散体的制备方法如下：

（1）制浆分级获得磁选料：将高岭石进行粗磨、配浆、旋流器中进行除砂和粒度分级处理，所述配浆质量比为粗磨后高岭土：分散剂：水=0.1:0.005:1，配浆搅拌速度750r/min，搅拌时间为2h，所述粒度小于3mm的高岭土含量大于90%，得到磁选原料。

（2）梯度磁选除铁钛：背景磁场强度1.5*10⁴Oe，流速1.5cm/s；磁化周期6min，使得钛含量低于0.3wt.%，铁含量低于0.2wt.%。

（3）焙烧增白和简单相变：脱水、干燥、焙烧，焙烧温度1000^oC，升温速率10^oC/min，达到焙烧温度后保温2.5h，焙烧气氛氧氮混合气O₂/N₂=6.5wt.%，获得白度大于90%的Al₂O₃ ^.xSiO₂物料，0<X≤1。

（4）高温钙化：向上述Al₂O₃ ^.xSiO₂物料中加入CaO粉末，搅拌均匀，升温至1250^oC，反应时间1.5h，获得CaO^.SiO₂与CaO^.Al₂O₃混合物，降温至85^oC。

（5）分离氧化硅：向上述混合物中添加35wt.%Na₂CO₃水溶液，搅拌反应3h，多次过滤、收集固体。

（6）制备硅酸钠：将步骤（5）中收集的固体中加入氢氧化钠水溶液，在70^oC条件下加热搅拌4.2h，抽滤，去离子水洗涤，获得硅酸钠水溶液。

（7）制备硅溶胶：将10-20ml上述获得的硅酸钠水溶液中分别加入乙醇和氨水，搅拌反应1h，再向其中加入聚乙二醇/乙醇混合液，于40^oC条件下持续反应30h，获得白色纳米氧化硅分散体，取适量氧化硅分散体溶液置于塑料反应釜中；

（8）向上述分散体溶液中加入3gP123非离子表面活性剂，升温至50^oC，持续搅拌1.5h;

(9)依次向上述添有表面活性剂的分散体溶液中加入1g Ti离子络合剂1,2-环己二胺四乙酸、0.7g Fe离子络合剂EDTA、1g缓蚀剂苯并三氮唑、2mL氧化剂叔丁基过氧，适量去离子水，恒温持续搅拌20min，降至常温；

(10)加入适量有机碱四甲基乙二胺，调节抛光液pH=11.5，获得高效氧化硅溶胶抛光液。

如附图2和附图3所示，氧化硅溶胶颗粒尺寸大小均一集中于50-60nm，抛光效果稳定好。

本发明使用氧化铝蓝宝石样品抛光前粗糙度：2.4-2.6nm，以实施例2中的制备方法和抛光剂各组分用量为基础，分别改变其中的pH值、氧化剂、表面活性剂含量、络合剂参数，考究所述参数对粗糙度和稳定性的影响，如附图5所示，pH值、氧化剂、表面活性剂含量、络合剂等影响因素面前，pH对抛光度的影响最为明显，最优pH范围为11.0-11.5，其粗糙度在0.47-0.53nm之间，氧化剂、表面活性剂含量、络合剂对抛光液的抛光效果都有不同程度的影响，最优结果为pH=11.0-11.5；氧化剂1-2mL；非离子表面活性剂2-3g，必须且应当含有金属络合剂。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种高效抛光液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）制浆分级获得磁选料-梯度磁选除铁钛-焙烧增白-高温钙化-分离氧化硅-制备硅酸钠-制备氧化硅分散体溶液，取适量氧化硅分散体溶液置于反应釜中；

其中，所述焙烧增白：脱水、干燥、焙烧，焙烧温度800-1100^oC，升温速率10^oC/min，达到焙烧温度后保温2-3h，焙烧气氛氧氮混合气O₂/N₂=5~8wt.%，获得白度大于90%的Al₂O₃ ^.xSiO₂物料，0<X≤1；

其中，所述高温钙化：向上述Al₂O₃ ^.xSiO₂物料中加入CaO粉末，搅拌均匀，升温至1200-1300^oC，反应时间1-2h，获得CaO^.SiO₂与CaO^.Al₂O₃混合物，降温至80-90^oC；

其中，所述分离氧化硅：向上述混合物中添加30-40wt.%Na₂CO₃水溶液，搅拌反应2-4h，多次过滤、收集固体；

其中，所述制备硅酸钠：将收集的固体中加入氢氧化钠水溶液，在70-85^oC条件下加热搅拌4-4.5h，抽滤，去离子水洗涤，获得硅酸钠水溶液；

其中，所述制备氧化硅分散体溶液：将10-20ml上述获得的硅酸钠水溶液中分别加入乙醇和氨水，搅拌反应1h，再向其中加入聚乙二醇/乙醇混合液，于40^oC条件下持续反应24-36h；

（2）向上述分散体溶液中加入P123非离子表面活性剂，升温至40-50^oC，持续搅拌0.5-1.5h;

（3）依次向步骤（2）中添有表面活性剂的分散体溶液中加入Ti离子络合剂1,2-环己二胺四乙酸、Fe离子络合剂EDTA、缓蚀剂苯并三氮唑、氧化剂叔丁基过氧，适量去离子水，恒温持续搅拌10-20min，降至常温；

（4）加入适量有机碱四甲基乙二胺，调节抛光液pH=11.0-11.5；

获得的抛光液包括：

氧化硅分散体溶液：150-300mL；

非离子表面活性剂：聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷P123，1-3g；

Ti离子络合剂：1,2-环己二胺四乙酸，0.5-1g；

Fe离子络合剂：EDTA，0.3-0.7g；

氧化剂：叔丁基过氧，1-2mL；

缓蚀剂：苯并三氮唑，0.5-1g；

有机碱：四甲基乙二胺，

去离子水：0.5-1L；

其中，所述氧化硅分散体溶液中氧化硅的含量为5~35wt.%，氧化硅颗粒的尺寸集中在50-60nm，D98≤75nm；所述抛光液在常温条件下，其粘度≤10mm²/s，比重1.1~1.25g/cm³。

2.如权利要求1所述的一种高效抛光液的制备方法，其特征在于所述氧化硅分散体溶液中含有少量铁离子和钛离子，其含量总和低于氧化硅分散体溶液的0.2wt.%。

3.如权利要求1所述的一种高效抛光液的制备方法，其特征在于所述步骤（1）的反应釜为聚乙烯塑料桶。

4.如权利要求1所述的一种高效抛光液的制备方法，其特征在于所述高效抛光液可直接使用，或用去离子水稀释后使用。

5.如权利要求1所述的一种高效抛光液的制备方法在抛光领域的应用，其特征在于应用于混有少量钛和铁杂质的氧化铝蓝宝石的抛光领域。

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