CN112551534A - 一种超纯球形石英砂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超纯球形石英砂的制备，以高纯正硅酸乙酯为原料加入酸性水溶液进行水解，通过调节工艺参数合成出所需颗粒大小的超纯球形石英砂，过滤出合成出来的石英砂用纯水简单冲洗后经烘干、焙烧、脱羟即得到超纯球形石英砂。该工艺简单、生产周期短、产品纯度高质量稳定、废液排放少，有利于环保，综合效益高。高纯球形石英砂的纯度最高可以达到99.9999％以上，具有很大的应用前景。

Description

一种超纯球形石英砂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种超纯球形石英砂的制备方法。

背景技术

石英即二氧化硅，是一种具有耐高温、低热膨胀、耐腐蚀、高绝缘性及高透光性等性能优异的硅酸盐矿物。其中超纯石英广泛应用于半导体、光纤、光源、光伏等领域，属于战略性材料。我国是高纯石英消费大国，中低端的高纯石英基本可以自给自足，高端的高纯石英严重依赖进口，比如半导体坩埚用石英、光纤芯棒、光伏坩埚内层砂、高端光源石英等。

合成石英具有纯度高、原材料可选择性大、可以有效掺杂、不含气液包裹体可有效避免气泡等优点。合成石英粉的工艺有气相合成和液相合成法，液相法有溶胶凝胶法、化学沉淀法、微乳液法、液相水解法等。这些方法多集中在超细二氧化硅粉或纳米二氧化硅方面，能直接生成数十微米至两三百微米(30-500微米)范围的流动性好能直接使用的球形石英砂的专利还未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中超纯石英不能直接生成能直接使用的球形石英砂的缺陷，提供一种超纯球形石英砂的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

高纯球形石英砂的制备方法如下：

1、准备工作。用高纯酸把超纯水调制成pH值0.2-4.5之间备用，取部分高纯正硅酸乙酯加入一定量(0.01-1％)的表面活性剂Tweens-80备用，把水浴磁力搅拌器的温度调制15-60摄氏度之间。

2、将正硅酸乙酯置于玻璃杯中并将玻璃杯放入水浴池中搅拌，待正硅酸乙酯温度达到水浴池温度后加入部分准备好的酸性溶液继续搅拌15-120分钟，搅拌速度150-700转/分钟。停止搅拌后得到石英砂沉淀。

3、过滤并用乙醇和纯水冲洗两次得到透明石英砂，把所得石英砂放置在烘箱中干燥，温度控制在50-200度之间，时间为10-72小时。

4、干燥好的石英砂放入真空气氛电炉中，850-1350度煅烧10-72小时后自然冷却后即得到高纯球形石英砂。

本发明所达到的有益效果是：

本发明涉及以高纯正硅酸乙酯为原料加入酸性水溶液进行水解，通过调节工艺参数合成出所需颗粒大小的超纯球形石英砂，过滤出合成出来的石英砂用纯水简单冲洗后经烘干、焙烧、脱羟即得到超纯球形石英砂。该工艺简单、生产周期短、产品纯度高质量稳定、废液排放少，有利于环保，综合效益高。高纯球形石英砂的纯度最高可以达到99.9999％以上，具有很大的应用前景。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种超纯球形石英砂的制备方法，包括以下步骤：

1、高纯硝酸逐步加点到超纯水中，调制成pH值为0.8的酸性溶液。取1g表面活性剂Tweens-80加入500g纯度99.99％的硅酸乙酯中并充分搅拌，把水浴温度调至60摄氏度。

2、把步骤1的硅酸乙酯倒入玻璃杯中并用300转/分钟的转速搅拌，取60g酸液倒入搅拌的硅酸乙酯中继续搅拌20分钟后即生成石英砂沉淀。

3、分别用乙醇和纯水冲洗2次得到透明的球形石英砂，把石英砂放置在烘箱中温度调至50度烘干10小时后温度再调至120度烘干5小时。

4、干燥好的石英砂放入真空气氛电炉中持续通入干燥的空气，900度保温15小时，自然冷却后即得到高纯球形石英砂。

石英砂的粒径为40-150微米，能满足光伏、光纤、半导体等对高纯石英砂的粒度要求。经ICP-OES测试分析常见杂质含量如下：

元素

Al

Ca

Fe

K

Li

Mg

Na

Ti

B

P

含量(ppm)

0.01

0.01

0.01

未检出

未检出

未检出

0.01

未检出

未检出

未检出

实施例2

一种超纯球形石英砂的制备方法，包括以下步骤：

1、高纯盐酸逐步加点到超纯水中，调制成pH值为1.5的酸性溶液。取1.5g表面活性剂Tweens-80加入500g纯度99.5％的硅酸乙酯中并充分搅拌，把水浴温度调至40摄氏度。

2、把步骤1的硅酸乙酯倒入玻璃杯中并用650转/分钟的转速搅拌，取30g酸液倒入搅拌的硅酸乙酯中继续搅拌50分钟后即生成石英砂沉淀。

3、分别用乙醇冲洗2次然后用纯水冲洗4次得到透明的球形石英砂，把石英砂放置在烘箱中温度调至70度烘干20小时后温度再调至150度烘干30小时。

4、干燥好的石英砂放入真空气氛电炉中持续通入干燥的空气，400度保温10小时，而后抽真空至真空度5Pa，加热到1050度保温20小时，自然冷却后即得到高纯球形石英砂。

石英砂粒径为250-400微米，能满足高端高纯石英砂的粒度要求。经ICP-OES检测分析常见杂质含量如下表所示。

元素

Al

Ca

Fe

K

Li

Mg

Na

Ti

B

P

含量(ppm)

0.09

0.10

0.15

0.05

未检出

0.09

0.10

0.05

未检出

未检出

\表示没有测出。

实施例3

1、高纯硫酸逐步加点到超纯水中，调制成pH值为2.5的酸性溶液。取3g表面活性剂Tweens-80加入500g纯度99％的硅酸乙酯中并充分搅拌，把水浴温度调至20摄氏度。

2、把步骤1的硅酸乙酯倒入玻璃杯中并用550转/分钟的转速搅拌，取25g酸液倒入搅拌的硅酸乙酯中继续搅拌100分钟后即生成石英砂沉淀。

3、分别用乙醇冲洗1次然后用纯水冲洗5次得到透明的球形石英砂，把石英砂放置在烘箱中温度调至80度烘干25小时后温度再调至180度烘干20小时。

4、干燥好的石英砂放入真空气氛电炉中持续通入干燥的空气，300度保温25小时，而后持续通入干燥的高纯氮气加热到1250度保温40小时，自然冷却后即得到高纯球形石英砂。

石英砂粒径为500-200微米，能满足高端高纯石英砂的粒度要求。经ICP-OES检测分析常见杂质含量如下表所示。

元素

Al

Ca

Fe

K

Li

Mg

Na

Ti

B

P

含量(ppm)

0.2

0.10

0.35

0.07

0.02

0.10

0.20

0.20

未检出

未检出

补充说明：酸液不止局限于上述酸，还可以是其它的无机酸、有机酸，真空气氛中气氛可以是氮气、氧气、氮氧混合气体、惰性气体、氯气、氢气、氯化氢气体等等。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高纯球形石英砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用高纯酸把超纯水调制成pH值0.2-4.5之间备用，取部分高纯正硅酸乙酯加入一定量的表面活性剂备用；

S2、把水浴磁力搅拌器的温度调制15-60摄氏度之间；

S3、将正硅酸乙酯置于玻璃杯中并将玻璃杯放入水浴池中搅拌，待正硅酸乙酯温度达到水浴池温度后加入部分准备好的酸性溶液继续搅拌，停止搅拌后得到石英砂沉淀；

S4、过滤并用乙醇和纯水冲洗两次得到透明石英砂，把所得石英砂放置在烘箱中干燥；

S5、干燥好的石英砂放入真空气氛电炉中，850-1350度煅烧10-72小时后自然冷却后即得到高纯球形石英砂。

2.如权利要求1所述的高纯球形石英砂的制备方法，其特征在于，S1中的表面活性剂为Tweens-80，Tweens-80添加量为0.01-1％。

3.如权利要求1所述的高纯球形石英砂的制备方法，其特征在于，S2中搅拌时间为15-120分钟，搅拌速度150-700转/分钟。

4.权利要求1所述的高纯球形石英砂的制备方法，其特征在于，S3中温度控制在50-200度之间，时间为10-72小时。

5.权利要求1所述的高纯球形石英砂的制备方法，其特征在于，S4中煅烧的温度为850-1350度。

6.权利要求1或5所述的高纯球形石英砂的制备方法，其特征在于，S5中煅烧的时间为10-72小时。

7.如权利要求1所述的高纯球形石英砂的制备方法，其特征在于，S1前中真空气氛为氮气、氧气、氮氧混合气体、惰性气体、氯气、氢气或氯化氢气体中的任意一种。