CN111498856B - 一种超高纯硅溶胶的两相制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高纯硅溶胶的两相制备方法。本发明通过将硅氧烷溶于有机溶剂,控制硅氧烷的水解反应在有机溶剂和氨水溶液的界面处发生,辅以羟基脲作为形貌控制及分散剂,生成的氧化硅颗粒分散到氨水溶液中,形成硅溶胶。本发明可以有效地控制硅氧烷的水解聚合反应速度,控制硅溶胶的粒径大小及粒度分布均一性,工艺流程简单、操作成本低、质量稳定、过程安全绿色环保、易于规模化生产,制得的超高纯硅溶胶产品,金属杂质总量<1ppm,平均粒径在5‑150nm范围内可调。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域,具体涉及一种超高纯硅溶胶的两相制备方法。
背景技术
硅溶胶是纳米级二氧化硅颗粒在水或者其他溶剂中的分散液,外观一般呈现出乳白色或者淡蓝色透明的溶液状,具有较大比表面积、高分散性、高吸附性、高耐火绝热性等特性。硅溶胶在涂料、化学机械抛光、催化剂载体等领域都具有极其广泛的使用。在芯片的化学机械抛光领域,超高纯硅溶胶是抛光液的主要成分,超高纯硅溶胶要求金属离子总量<1ppm。
硅溶胶的制备可以采用不同的工艺路线和不同的原材料,水玻璃、四氯化硅、硅氧烷以及硅粉均可作为硅溶胶的原材料。目前,硅溶胶的制备方法包括:离子交换法、单质硅水解法、溶胶凝胶法、电解电渗析法、酸中和法等。其中,离子交换法、单质硅水解法和溶胶凝胶法是商业化主要采用的硅溶胶制备方法。离子交换法采用水玻璃作为硅源,原材料中含有大量的Na或者K,产品中杂质的去除较难,难以制备超高纯硅溶胶。单质硅水解法采用单质硅作为硅源,采用高纯硅粉(6N级硅粉)作为原材料,可以制备超高纯硅溶胶产品,但是产品中未反应硅粉的去除较难,不能满足芯片的化学机械抛光。溶胶凝胶工艺采用硅氧烷作为硅源,通过对原材料中金属离子的控制,可以实现超高纯硅溶胶的制备,但溶胶凝胶工艺一般是基于Stober法进行改进,其工艺目前存在下述两个方面的问题:1、反应速度过快(通常情况下,反应液混合后15min内完成反应),工业化放大过程中反应不易控制。2、反应溶剂多为有机溶剂(乙醇、甲醇等),反应风险大,而且产品需要进行溶剂置换,制备工艺繁琐。
因此,现有技术中缺乏一种更为行之有效的超高纯硅溶胶的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足,提供一种超高纯硅溶胶的两相制备方法,该方法工艺流程简单、操作成本低、质量稳定、过程安全绿色环保、易于规模化生产,制得的超高纯硅溶胶产品,金属杂质总量<1ppm,平均粒径在5-150nm范围内可调。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种超高纯硅溶胶的两相制备方法,包含如下步骤:
(1)将硅氧烷与有机溶剂混合得溶液A;将羟基脲、氨水混合得溶液B;
(2)将溶液A与溶液B混合后静置分层,在位于上层的溶液B中开启搅拌,控制搅拌速度不破坏溶液A与溶液B之间的相界面,同时升温至30-70℃进行一段水解反应,然后升温至75-95℃进行二段水解反应;
(3)反应完成后,将反应体系降温至25℃以下,静置分层,取上层溶液,得超高纯硅溶胶。
本发明步骤(1)中,所述硅氧烷在溶液A中的浓度为0.01-1mol/L,优选0.05-0.5mol/L;
作为优选,所述硅氧烷为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯;
作为优选,所述硅氧烷为超高纯硅氧烷,要求硅氧烷含量≥99.5%,其中金属杂质含量≤1ppm,所述金属杂质包括钠、钾、钙、镁、铁、镍、铝等。
本发明步骤(1)中,所述有机溶剂为可溶解硅氧烷但不与水互溶,且密度大于水的有机溶剂,优选为氯苯、四氯化碳、三氯乙烷、二氯丙烷中的一种或多种。
本发明步骤(1)中,所述羟基脲在溶液B中的浓度为0.2-20mmol/L,优选0.5-15mmol/L。
本发明步骤(1)中,所述氨水的浓度为0.01-1mol/L,优选0.05-0.5mol/L。
本发明步骤(2)中,溶液A与溶液B混合体积比为1:2-8,优选1:4-6。
本发明步骤(2)中,所述搅拌速度为20-100rpm,优选40-80rpm;所述搅拌操作在位于上层的溶液B中进行,搅拌桨位于溶剂A的液面以上,搅拌速度不易过快,防止破坏两相界面。
本发明步骤(2)中,所述一段水解反应,反应温度为30-70℃,优选40-60℃,反应时间为12-24h,优选14-18h;
本发明步骤(2)中,所述二段水解反应,反应温度为75-95℃,优选80-90℃,反应时间为2-6h,优选3-5h。
本发明步骤(3)中,进一步地,将分离得到的超高纯硅溶胶经超滤装置浓缩至所需固含量,优选如15-40wt%,获得超高纯硅溶胶产品。
本发明中,所述方法制备的超高纯硅溶胶产品,其中的杂质含量<1ppm,所述杂质主要为金属杂质,金属杂质总量<1ppm,激光粒度测试结果显示平均粒径为5-150nm。
本发明通过将硅氧烷溶于有机溶剂,控制硅氧烷的水解反应在有机溶剂和氨水溶液的界面处发生,生成的氧化硅颗粒分散到氨水羟基脲溶液中,形成硅溶胶。首先,通过慢速搅拌,不破坏氨水和有机溶剂的界面,保持两相分层,减少氨水和超高纯硅氧烷的接触面积,从而有效地抑制硅氧烷的水解反应,减缓水解反应速度。同时,由于选用的有机溶剂密度大于溶液B以及生成的硅溶胶,反应过程中位于下层,能有效避免有机溶剂的挥发,且在反应结束后非常容易实现硅溶胶和有机溶剂的分离,回收的有机溶剂可以重复再利用。最后,由于获得的硅溶胶为水体系,直接浓缩即可获得硅溶胶产品,从而避免了溶胶凝胶工艺中乙醇等有机溶剂置换的操作。
本发明在制备过程中添加了助剂羟基脲,一方面其结构中包含的氨基能够与二氧化硅的硅氧键结合,在反应过程中,使羟基脲包覆在生成的二氧化硅颗粒表面,起到形貌控制剂的效果,另一方面其结构中包含的羟基会与水形成氢键,起到分散剂的效果。此外,通过调整羟基脲的加入量,还可以控制硅溶胶产品的粒径大小及粒度分布均一性。反应过程中,当体系处于一段水解反应时,该温度下羟基脲能够较稳定地存在于反应体系中,发挥粒径和形貌控制作用,当体系处于二段水解反应时,羟基脲在该温度下受热分解,在反应后期可完全去除羟基脲,保证产品体系的纯净。
与现有技术相比,本发明的积极效果在于:
1、本发明通过选用密度大于水且不与水互溶的有机溶剂和水分别作为硅氧烷和氨的载体,通过慢速搅拌保持有机溶剂和水的分层,减小硅氧烷和氨水的接触面积,大大抑制了硅氧烷的水解反应速度,反应过程易于调控;
2、本发明反应过程中,有机溶剂被水层覆盖,可以有效减少有机溶剂的挥发;
3、本发明反应过程中加入羟基脲,同时具有形貌控制及分散剂的效果,有效地控制硅溶胶粒径大小和粒度分布均一性;并利用羟基脲受热易分解的特性,在反应后期去除羟基脲,实现产品体系的纯净;
4、本发明获得的硅溶胶可以通过简单的两相分离器实现与有机溶剂的分离,产品为水基硅溶胶,无需溶剂置换,直接进行浓缩即可获得超高纯硅溶胶产品;
5、本发明的制备方法工艺流程简单、操作成本低、质量稳定、过程安全绿色环保、易于规模化生产。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明,实施例给出了具体的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限制于下述实施例。
实施例和对比例主要原料来源如下:
实施例和对比例原料表
硅溶胶的粒度分布、多分散系数(PDI):采用马尔文激光粒度仪测量(ZetasizerNano ZS),金属杂质含量采用电耦合等离子体发射光谱仪(ICP-2060T)测量。
实施例1
(1)氯苯中加入超高纯正硅酸乙酯,正硅酸乙酯的浓度为0.01M,搅拌混合均匀得溶液A;浓度为0.01M的氨水中加入羟基脲,羟基脲浓度为20mM,搅拌混合均匀得溶液B;
(2)溶液A与溶液B按照体积比为1:4加入到反应器中,静置,待溶液A与溶液B分层后,在位于上层的溶液B中开启搅拌,搅拌桨位于溶液A氯苯液面以上,搅拌速度20rpm,控制搅拌速度不破坏溶液A与溶液B之间的相界面,同时加热反应体系,反应体系升温至70℃后,反应12h;然后继续加热反应体系,反应体系升温至95℃后,反应2h;
(3)反应结束后,反应体系降温至25℃后,利用分液漏斗,将上、下层溶液分离,取上层溶液经超滤装置浓缩至固含量为40wt%,获得超高纯硅溶胶产品。
所获得硅溶胶产品的金属杂质总量<1ppm,羟基脲含量<1ppm,平均粒径为5nm,PDI=0.15。
实施例2
(1)四氯化碳中加入超高纯正硅酸乙酯,正硅酸乙酯的浓度为1M,搅拌混合均匀得溶液A;浓度为1M的氨水中加入羟基脲,羟基脲浓度为0.2mM,搅拌混合均匀得溶液B;
(2)溶液A与溶液B按照体积比为1:5加入到反应器中,静置,待溶液A与溶液B分层后,在位于上层的溶液B中开启搅拌,搅拌桨位于溶液A液面以上,搅拌速度50rpm,控制搅拌速度不破坏溶液A与溶液B之间的相界面,同时加热反应体系,反应体系升温至30℃后,反应24h;然后继续加热反应体系,反应体系升温至75℃后,反应6h;
(3)反应结束后,反应体系降温至25℃后,利用分液漏斗,将上、下层溶液分离,取上层溶液经超滤装置浓缩至固含量为15wt%,获得超高纯硅溶胶产品。
所获得硅溶胶产品的金属杂质总量<1ppm,羟基脲含量<1ppm,平均粒径为150nm,PDI=0.12。
实施例3
(1)三氯乙烷中加入超高纯正硅酸甲酯,正硅酸甲酯的浓度为0.1M,搅拌混合均匀得溶液A;浓度为0.1M的氨水中加入羟基脲,羟基脲浓度为10mM,搅拌混合均匀得溶液B;
(2)溶液A与溶液B按照体积比为1:6加入到反应器中,静置,待溶液A与溶液B分层后,在位于上层的溶液B中开启搅拌,搅拌桨位于溶液A液面以上,搅拌速度100rpm,控制搅拌速度不破坏溶液A与溶液B之间的相界面,同时加热反应体系,反应体系升温至40℃后,反应18h;然后继续加热反应体系,反应体系升温至80℃后,反应5h;
(3)反应结束后,反应体系降温至25℃后,利用分液漏斗,将上、下层溶液分离,取上层溶液经超滤装置浓缩至固含量为30wt%,获得超高纯硅溶胶产品。
所获得硅溶胶产品的金属杂质总量<1ppm,羟基脲含量<1ppm,平均粒径为70nm,PDI=0.11。
实施例4
(1)二氯丙烷中加入超高纯正硅酸甲酯,正硅酸甲酯的浓度为0.5M,搅拌混合均匀得溶液A;浓度为0.5M的氨水中加入羟基脲,羟基脲浓度为1.0mM,搅拌混合均匀得溶液B;
(2)溶液A与溶液B按照体积比为1:4加入到反应器中,静置,待溶液A与溶液B分层后,在位于上层的溶液B中开启搅拌,搅拌桨位于溶液A液面以上,搅拌速度40rpm,控制搅拌速度不破坏溶液A与溶液B之间的相界面,同时加热反应体系,反应体系升温至60℃后,反应14h;然后继续加热反应体系,反应体系升温至90℃后,反应3h;
(3)反应结束后,反应体系降温至25℃后,利用分液漏斗,将上、下层溶液分离,取上层溶液经超滤装置浓缩至固含量为25wt%,获得超高纯硅溶胶产品。
所获得硅溶胶产品的金属杂质总量<1ppm,羟基脲含量<1ppm,平均粒径为80nm,PDI=0.11。
对比例1
与实施例1制备方法不同之处仅在于:所用正硅酸乙酯的金属杂质总量>1ppm,溶液B为浓度0.01M的氨水,不加羟基脲。
所获得硅溶胶产品的金属杂质总量>1ppm,羟基脲含量<1ppm,平均粒径为180nm,PDI=0.85。
对比例2
与实施例4制备方法不同之处在于:步骤(2)中搅拌速度由40rpm提升至400rpm,二氯丙烷形成油相分散在氨水中。
步骤(3)反应结束降温至25℃后,反应体系呈现微乳液状态(二氯丙烷以小液滴形式分散于氨水中),不易通过简单分离手段实现硅溶胶和二氯丙烷的分离。
对比例3
与实施例4制备方法不同之处在于:步骤(2)中,全程不开启搅拌;加热反应体系,反应体系升温至80℃后,反应14h;继续加热反应体系,反应体系升温至90℃后,反应3h;
步骤(3)反应结束降温至25℃后,反应体系下层出现明显白色沉淀,无法形成硅溶胶。
对比例4
与实施例4制备方法不同之处仅在于:步骤(2)中,全程不开启搅拌;
步骤(3)反应结束降温至25℃后,反应体系下层出现明显白色沉淀,无法形成硅溶胶。
对比例5
与实施例4制备方法不同之处在于:步骤(2)中,加热反应体系升温至72℃后,反应30h;
步骤(3)反应结束降温至25℃后,所获得硅溶胶产品的金属杂质总量<1ppm,羟基脲含量<1ppm,硅溶胶粒径成多峰分布,平均粒径为180nm,PDI=1.08。
Claims (20)
1.一种超高纯硅溶胶的两相制备方法,其特征在于,包含如下步骤:
(1)将硅氧烷与有机溶剂混合得溶液A;将羟基脲、氨水混合得溶液B;
(2)将溶液A与溶液B混合后静置分层,在位于上层的溶液B中开启搅拌,控制搅拌速度不破坏溶液A与溶液B之间的相界面,同时升温至30-70℃进行一段水解反应,然后升温至75-95℃进行二段水解反应;
(3)反应完成后,将反应体系降温至25℃以下,静置分层,取上层溶液,得超高纯硅溶胶;
其中,所述有机溶剂可溶解硅氧烷但不与水互溶,且密度大于溶液B和生成的硅溶胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述硅氧烷在溶液A中的浓度为0.01-1mol/L。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述硅氧烷在溶液A中的浓度为0.05-0.5mol/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述硅氧烷为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述硅氧烷为超高纯硅氧烷,要求硅氧烷含量≥99.5%,其中金属杂质含量≤1ppm。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述有机溶剂为密度大于水的有机溶剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂为氯苯、四氯化碳、三氯乙烷、二氯丙烷中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述羟基脲在溶液B中的浓度为0.2-20mmol/L。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述羟基脲在溶液B中的浓度为0.5-15mmol/L。
10.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述氨水的浓度为0.01-1mol/L。
11.根据权利要求10所述的制备方法,其特征在于,所述氨水的浓度为0.05-0.5mol/L。
12.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,溶液A与溶液B混合体积比为1:2-8。
13.根据权利要求12所述的制备方法,其特征在于,溶液A与溶液B混合体积比为1:4-6。
14.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述搅拌速度为20-100rpm。
15.根据权利要求14所述的制备方法,其特征在于,所述搅拌速度为40-80rpm。
16.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述一段水解反应,反应温度为30-70℃,反应时间为12-24h。
17.根据权利要求16所述的制备方法,其特征在于,所述一段水解反应,反应温度为40-60℃,反应时间为14-18h。
18.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述二段水解反应,反应温度为75-95℃,反应时间为2-6h。
19.根据权利要求18所述的制备方法,其特征在于,所述二段水解反应,反应温度为80-90℃,反应时间为3-5h。
20.根据权利要求1-19任一项所述的制备方法,其特征在于,所述超高纯硅溶胶,金属杂质总量<1ppm,平均粒径为5-150nm,固含量为15-40wt%。
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