CN111186840B - 一种提高硅溶胶颗粒球形度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高硅溶胶颗粒球形度的方法。具体包括以下步骤：将粒径为10‑150nm的硅溶胶经酸性阳离子交换树脂处理，然后将硅溶胶转移至耐压容器中加热至一定温度并保温一段时间，即可获得颗粒球形度得到提高的硅溶胶产品。与普通硅溶胶相比，采用本发明技术处理的硅溶胶的颗粒形貌呈圆球状且表面圆滑，在电子产品的CMP抛光领域，球形度好的硅溶胶能够减少精密电子器件表面抛光时产生划痕的现象，提升电子器件表面的抛光质量；在仪器校准领域，常采用硅溶胶颗粒作为仪器校准的标准粒子，球形度好的硅溶胶颗粒能够提高仪器校准的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及无机纳米材料领域，具体涉及一种提高硅溶胶颗粒球形度的方法。
背景技术
目前，电子产品制造正朝着高精度、高性能、高集成度的方向快速发展,随着电子产品性能的不断提升，对精密电子器件表面平整度提出了新的高标准要求（如集成电路制造工艺中单晶硅的表面粗糙度Ra<0.1nm；LED蓝宝石衬底的表面粗糙度Ra<0.2nm；手机摄像头蓝宝石玻璃的表面粗糙度Ra<0.3nm）。
为了使精密电子器件表面达到纳米级的平整度要求，目前工业生产中采用化学机械抛光技术（简称CMP抛光）对精密电子器件表面进行加工处理。CMP抛光技术主要是借助无机纳米颗粒的机械磨削和化学腐蚀的共同作用来实现材料表面的平坦化。在CMP抛光过程中，使用的抛光液主要由纳米硅溶胶、助剂、去离子水等组成。硅溶胶作为抛光液的重要组成部分，其纳米颗粒的球形度、大小、粒径分布等都会影响抛光材料表面去除率和表面平整度，从而影响材料表面的抛光质量。
另外，硅溶胶颗粒也常作为标准粒子用于校准如激光粒度仪、光学显微镜和电子显微镜等高端仪器。作为标准粒子，要求硅溶胶颗粒大小分布非常均一，颗粒形貌为标准的圆滑球状。
硅溶胶是粒径在1-100nm范围的纳米二氧化硅颗粒在水或其他有机溶剂中的分散液。单质硅水解法和水玻璃离子交换法是工业上制备硅溶胶的常用方法。
单质硅水解法是以工业硅粉为原料，在碱性催化剂条件下，单质硅发生水解反应生成硅酸，硅酸分子因发生缩聚反应而生成无定型的二氧化硅颗粒；离子交换法采用水玻璃为原料，水玻璃经阳离子交换树脂处理得到含晶核的母液，再向含晶核母液中滴加稀硅酸溶液，控制晶核生长速度，待胶粒大小分布达到要求后，经浓缩等过程制备出硅溶胶产品。这两种制备硅溶胶的方法各有特点，单质硅水解工艺相较于离子交换工艺制备的硅溶胶颗粒表面形貌相对圆滑，生产过程节能环保；离子交换工艺制备的硅溶胶颗粒大多会出现颗粒间界限不清晰，颗粒大小分布不均，形貌呈现出不规则的几何状，表面不圆滑等现象，但此方法生产成本较低。为了满足精密电子抛光和仪器校准的使用要求，在单质硅水解法制备硅溶胶的基础上，对其进行特殊加工处理，获得颗粒球形度较高的硅溶胶产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高硅溶胶颗粒球形度的方法，此方法可明显提高硅溶胶颗粒的球形度，而且使颗粒表面圆滑。该方法操作方便简单，生产成本低，适合大规模工业生产。
为实现上述目的，本发明是采取以下技术方案来实现的：
一种提高硅溶胶颗粒球形度的方法，将粒径为10-150nm硅溶胶，经酸性阳离子交换树脂处理，再将硅溶胶转移至耐压容器中，加热至100-180℃，保温30-300min，即可获得颗粒球形度得到提高的硅溶胶产品。
进一步地，所述硅溶胶产品中的二氧化硅颗粒粒径为10-150nm，固含量为10-50%，pH为2-11。
进一步地，所述酸性阳离子交换树脂种类为强酸性或弱酸性阳离子交换树脂。
进一步地，所述硅溶胶经酸性阳离子交换树脂处理的次数为一次或多次。
进一步地，所述耐压容器所处的环境温度为100-180℃，处理时间为30-300min。
此发明的关键点在于对硅溶胶进行阳离子交换处理和进行高温处理，其原理为：首先利用酸性阳离子交换树脂吸附硅溶胶中的金属离子，使纳米二氧化硅颗粒表面生成硅羟基结构（-Si-OH），在高温作用下颗粒表面的硅羟基会发生缩合反应或者硅羟基与水相中溶解的硅酸分子发生缩合反应，可能导致颗粒表面微观结构发生重排，从而使硅溶胶的纳米二氧化硅颗粒由不规则几何状转变成表面圆滑的球状；同时，颗粒表面的绒毛结构在高温和高压作用下可能会发生部分溶解、转移、重排，绒毛的微观结构改变，也会改变硅溶胶颗粒表面的结构。在上述两种作用的协同作用下，硅溶胶颗粒整体趋于圆滑的球状。
有益效果
（1）本发明可明显改变硅溶胶颗粒的形貌，使硅溶胶颗粒转变成圆滑的球形；
（2）此发明操作工艺简单，生产成本低。
附图说明
图1为22nm原始硅溶胶和实施例1-4处理后硅溶胶的TEM图片；
图2为34nm原始硅溶胶和实施例5-8处理后硅溶胶的TEM图片；
图3为85nm原始硅溶胶和实施例9处理后硅溶胶的TEM图片；
图4为150nm原始硅溶胶和实施例10处理后硅溶胶的TEM图片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
本发明实施例中使用的硅溶胶产品参数如表1所示：
表1硅溶胶产品
实施例1
（1）取1kg粒径为22nm的1#硅溶胶置于容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至180℃，保温300min；
（2）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例2
（1）在φ50×600mm的离子交换柱中，将750g的001×7型强酸性阳离子交换树脂用2L的5%盐酸再生成H型，然后用5L的去离子水正洗；
（2）将取1kg粒径为22nm的1#硅溶胶，过柱处理；
（3）把处理后的硅溶胶转移至容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至100℃，保温30min；
（4）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例3
（1）在φ50×600mm的离子交换柱中，将750g的001×7型强酸性阳离子交换树脂用2L的5%盐酸再生成H型，然后用5L的去离子水正洗；
（2）将取1kg粒径为22nm的1#硅溶胶，过柱处理；
（3）把处理后的硅溶胶转移至容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至150℃，保温120min；
（4）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例4
（1）在φ50×600mm的离子交换柱中，将750g的001×7型强酸性阳离子交换树脂用2L的5%盐酸再生成H型，然后用5L的去离子水正洗；
（2）将取1kg粒径为22nm的1#硅溶胶，过柱处理；
（3）把处理后的硅溶胶转移至容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至180℃，保温300min；
（4）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例5
（1）取1kg粒径为34nm的2#硅溶胶，置于容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至180℃，保温300min；
（2）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例6
（1）在φ50×600mm的离子交换柱中，将750g的001×7型强酸性阳离子交换树脂用2L的5%盐酸再生成H型，然后用5L的去离子水正洗；
（2）将取1kg粒径为34nm的2#硅溶胶，过柱处理；
（3）把处理后的硅溶胶转移至容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至130℃，保温30min；
（4）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例7
（1）在φ50×600mm的离子交换柱中，将750g的001×7型强酸性阳离子交换树脂用2L的5%盐酸再生成H型，然后用5L的去离子水正洗；
（2）将取1kg粒径为34nm的2#硅溶胶，过柱处理；
（3）把处理后的硅溶胶转移至容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至150℃，保温150min；
（4）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例8
（1）在φ50×600mm的离子交换柱中，将750g的001×7型强酸性阳离子交换树脂用2L的5%盐酸再生成H型，然后用5L的去离子水正洗；
（2）将取1kg粒径为34nm的2#硅溶胶，过柱处理；
（3）把处理后的硅溶胶转移至容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至180℃，保温300min；
（4）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例9
（1）在φ50×600mm的离子交换柱中，将750g的001×7型强酸性阳离子交换树脂用2L的5%盐酸再生成H型，然后用5L的去离子水正洗；
（2）将取1kg粒径为85nm的3#硅溶胶，过柱处理；
（3）把处理后的硅溶胶转移至容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至150℃，保温120min；
（4）冷却至室温，得硅溶胶样品。
实施例10
（1）在φ50×600mm的离子交换柱中，将750g的001×7型强酸性阳离子交换树脂用2L的5%盐酸再生成H型，然后用5L的去离子水正洗；
（2）将取1kg粒径为150nm的4#硅溶胶，过柱处理；
（3）把处理后的硅溶胶转移至容积为2L的不锈钢耐压容器中，密封，在油浴中升温至150℃，保温180min；
（4）冷却至室温，得硅溶胶样品。
上述各实例得到的硅溶胶样品均采用日本电子株式会社JEM-1400透射电子显微镜观察其形貌，TEM照片见图1-4。
从TEM照片可以看出，此方法可明显提高硅溶胶颗粒的球形度，尤其是小粒径硅溶胶（如22nm、34nm）颗粒的表面形貌变化非常明显，从不规则的几何状变成为圆滑的球状，而且处理温度越高，处理时间越长，硅溶胶颗粒的球形度就越好；而大粒径硅溶胶（如85nm、150nm）颗粒的形貌由于在处理前的球形度就很好，因此改变不是很明显。另外还发现，只有先经过酸性阳离子树脂处理后的硅溶胶，再经高温处理后，硅溶胶颗粒的球形度才会改善，而未经酸性阳离子树脂处理的硅溶胶，即使经过高温处理，其颗粒的球形度变化也不大。
上述实施例仅象征性的说明本发明的原理及效果，而非限制用于本发明。任何熟悉此技术的人员皆可在不违背本发明的涉及范畴内，对上述实施例进行改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所涉及的技术思想所完成的一切等效改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种提高硅溶胶颗粒球形度的方法，将粒径为10-150nm硅溶胶，经酸性阳离子交换树脂处理，再将硅溶胶转移至耐压容器中，加热至100-180℃，保温30-300min，获得颗粒球形度提高的硅溶胶产品；
所述酸性阳离子交换树脂种类为强酸性或弱酸性阳离子交换树脂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅溶胶产品中的二氧化硅颗粒粒径为10-150nm，固含量为10-50%，pH为2-11。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅溶胶经酸性阳离子交换树脂处理的次数为一次或多次。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耐压容器所处的环境温度为100-180℃，处理时间为30-300min。
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