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【全景解析】硅微粉的性能、用途及深加工

平安
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楼主 发表于:2021-03-04 10:04:10
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硅微粉是由天然石英(SiO2)或熔融石英(天然石英经高温熔融、冷却后的非晶态SiO2)经破碎、球磨(或振动、气流磨)、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等多道工艺加工而成的微粉。

1、硅微粉的性能

硅微粉除了具备热膨胀系数低、介电性能优异、导热系数高、悬浮性能好等优良性能以外,同时还具备以下性能:

(1)具有良好的绝缘性:由于硅微粉纯度高,杂质含量低,性能稳定,电绝缘性能优异,使固化物具有良好的绝缘性能和抗电弧性能。

(2)能降低环氧树脂固化反应的放热峰值温度,降低固化物的线膨胀系数和收缩率,从而消除固化物的内应力,防止开裂。

(3)抗腐蚀性:硅微粉不易与其它物质反应,与大部分酸、碱不起化学反应,其颗粒均匀覆盖在物件表面,具有较强的抗腐蚀能力。

(4)颗粒级配合理,使用时能减少和消除沉淀、分层现象;可使固化物的抗拉、抗压强度增强,耐磨性能提高,并能增大固化物的导热系数,增加阻燃性能。

(5)经硅烷偶联剂处理的硅微粉,对各类树脂有良好的浸润性,吸附性能好,易混合,无结团现象。

(6)硅微粉作为填充料,加进有机树脂中,不但提高了固化物的各项性能,同时也降低了产品成本。

2、硅微粉的分类

(1)根据国标SJ/T10675-2002,硅微粉可作以下分类:



(2)根据不同制作工艺而生产的硅微粉其品质也不相同,按生产工艺的不同可以划分为:熔融硅微粉、结晶硅微粉、活性硅微粉、方石英硅微粉共四种。



结晶硅微粉:是选用高品位天然石英为原料,经过独特的无铁研磨工艺来生产加工制成的,其颜色白、质纯。由于此项工艺成熟,所以具有稳定的物理、化学特性以及合理、可控的粒度分布。结晶硅微粉又可以划分为高纯度的结晶硅微粉、电子级的结晶硅微粉和一般填料级的结晶硅微粉。

活性硅微粉:是经过其独特的工艺流程,选用硅烷等材料来对硅微粉颗粒进行表面改性处理,从而增强了硅微粉的憎水性能、提高了混合料以及填充系统的机械和化学特性。由于它所具有的这些性能,所以被广泛应用到国防科技和电子等领域。

方石英硅微粉:是选取优质的天然石英为原料,通过高温煅烧之后而获得的高纯度硅石,通过急冷从而改变它的晶体结构,再进行粉碎制成的硅微粉,它的主晶相是方石英。由于它的化学性质稳定,具有合理有序、可控的粒度分布,因此被广泛应用到陶瓷釉料、橡胶填料等领域。

(3)从形貌上可分为:角形硅微粉和球形硅微粉。

(4)高技术硅微粉可分为:超细硅微粉、球形硅微粉、高纯硅微粉。

超细硅微粉:是以高纯天然石英为原料,经人工精选、清洗提纯,再经超细研磨和分级技术,制造出SiO2粉体系列产品。采用了先进的分级技术达到了超细的颗粒直径和均匀的分布特点,细度可达8000目,使其更具有补强性和加工流动性。



高纯硅微粉:一般是指SiO2含量高于99.9%的石英微粉,主要应用在IC的集成电路和石英玻璃等行业,其高档产品更被广泛应用在大规模及超大规模集成电路、光纤、激光、航天、军事中,是高新技术产业不可缺少的重要材料。

(5)应用于集成电路覆铜板的硅微粉可分为:结晶型硅微粉、熔融型(无定型)硅微粉、球形硅微粉、复合硅微粉、活性硅微粉等五个品种。

3、硅微粉的应用

(1)涂料

在涂料行业中,硅微粉的粒度、白度、硬度、悬浮性、分散性、吸油率低、电阻率高等特性均能提高涂料的抗腐蚀性、耐磨性、绝缘性、耐高温性能。用于涂料中的硅微粉,由于具有良好的稳定性,一直在涂料填料中扮演重要的角色。特别对外墙涂料来说,SiO2原料对耐候性起着举足轻重的作用。

(2)塑料

硅微粉在塑料中可用于聚氯乙烯(PVC)地板、聚乙烯和聚丙烯薄膜、电绝缘材料等产品中。

填充硅微粉的聚氯乙烯地板砖可增强制品的耐磨性,在PVC地板中,细度320目的石英粉,填充量为160~180份时制得的地板完全符合GB4085-83标准的要求,地板表面光滑度好,耐刻划度好。

在PVC耐酸板管中,400目石英粉的填充量为10%~15%时,与其它填充料比,粘度低,流动性好,改善了加工性能,有利于制品的挤出和成型,制得的耐酸板管的耐酸性有显著提高。

比表面积大(600目以上)和活性高的硅微粉填充聚乙烯(PE)农用薄膜能改善制品的物理化学性能和光学性能,填充聚丙烯可改善制品的力学性能。

(3)电工、电子

电工级硅微粉主要用于普通电器件的绝缘浇注,高压电器的绝缘浇注,APG工艺注射料,环氧灌封料,高档陶瓷釉料等。

电子级硅微粉主要用途主要用于集成电路、电子元件的塑封料和包装料。

(4)理化指标

电工级硅微粉、电子级结晶型硅微粉、电子熔融级硅微粉的性能指标分别为:

电子电器工业用硅微粉的粒度分布


电工级硅微粉


电子级结晶型硅微粉


电子级熔融硅微粉


电子电器工业用硅微粉理化指标


4、硅微粉的原料及加工

原料包括:水晶、半透明及乳白色脉石英、变质石英岩、沉积石英砂岩、海相沉积石英砂、河湖相沉积石英砂、粉石英、熔炼石英。

(1)硅微粉原料的选矿提纯

选矿提纯一般是将杂质含量较高的硅质原料经过破碎、筛分、磨矿,使二氧化硅与杂质充分解离,经过磁选、浮选除去杂质;再用酸洗方法,使杂质进一步降低,然后用清水洗去酸液,再用去离子水洗去颗粒表面吸附的残余杂质离子,使原料达到或高于硅微粉的化学指标;干燥后成为加工硅微粉的原材料。

(2)熔炼石英生产工艺



5、硅微粉的深加工

(1)硅微粉的制备及提纯工艺流程




超细磨(干磨或湿磨):即在无水或者有水的条件下,把石英砂研磨至325-4000目的超细硅微粉;

分级:在水力旋流机的作用下,325-4000目的超细硅微粉被按照标准区间分级,比如325-400目、400-500目等;

合工艺洗:等级不同的超细硅微粉被各自放在温控反应釜内不同层上,并加一定量的草酸或者是柠檬酸和少量其它辅助药剂,于70℃~100℃温度条件下恒定2-8小时,待反应完毕后,将超细硅微粉中含有的有害微量金属与非金属杂质去除掉;

高梯磁磁选:即是指用50-15000高斯磁强的磁选设备,除掉超细硅微粉中含有的微量铁杂质;

静电选:其目的是把超细硅微粉中存在的微量有害杂质除掉;

去离子水洗:把经过合工艺洗后残留的化学药剂与硅微粉表面上留下的有害微量杂质于静化车间里除掉;

特种干燥:把经过去离子水洗之后的超细硅微粉于静化车间里放进特制干燥机中,使其干燥,并制作成325-4000目等级不同的高纯超细硅微粉,其含水量可以达到0.003-0.01%;

真空包装:把制成的各种等级的超细硅微粉分别利用真空进行包装,以避免被空气污染。

(2)硅微粉的表面改性

由于非金属矿物填料与高分子聚合物基质的界面不同,相容性差,在基料中难以均匀分散,直接填充往往容易造成材料的某些力学性能下降,对于功能性无机非金属矿物填料,除了粒度及粒度分布的要求外,还要与高分子聚合物的基料相容性好,填充后除降低成本外,还能增强材料的力学性能,提高材料的综合性能和可加工性,因此必须对非金属矿物填料进行表面改性。

硅微粉表面改性主要使用硅烷偶联剂,其通式为R—SiX3,R为有机疏水基,如乙烯基、环氧基、氨基、甲基丙烯酸酯、硫酸基,X为能水解的烷氧基,如甲氧基、乙氧基及氯等。影响改性效果的主要因素有:硅烷品种、用量及用法、处理时间、温度、pH值等。

(3)硅微粉的加工设备及工艺

A.角形硅微粉的生产

角形硅微粉是用硅微粉原材料经研磨而得到的外形无规则多呈棱角状的硅微粉。

主要生产设备


角形硅微粉的主要生产设备有球磨机、振动磨、微粉分级机和烘干机

球磨机:可以是干法也可以是湿法研磨物料。当球磨机运转时,磨矿介质与物料一起被提升到一定高度后下落,如此反复进行,处于磨矿介质之间及磨矿介质与磨机桶壁之间的物料受到冲击和物料在磨矿介质的滚动、滑动过程中被研磨成细粉。

振动磨:利用磨矿介质受磨机的振动作用,在磨机腔体内滑动、滚动而对物料进行研磨。

微粉分级机:物料被风机抽吸到分级室内,在高速运转的分级转子和分级叶片之间被分级;粗物料沿分级筒壁而下,从底部粗粉出口排出;细粉则随气流穿过转子叶片的间隙由上部细粉出口排出,从而达到分级的目的。

烘干机:为了保证硅微粉极低的含水率和在干燥时不受污染以及提高生产效率、节约能源而采用空心轴搅拌烘干机,其工作原理是:物料从进料口进入烘干机内,由空心桨叶输送至出料口出料;物料在被输送过程中,受空心桨叶搅拌并由空心桨叶和机体夹套同时加热,水分被蒸发而烘干。

角形硅微粉生产工艺

角形硅微粉生产工艺有干法研磨和湿法研磨两种。

干法研磨生产工艺:是将硅微粉原料放进球磨机或振动磨中研磨,该研磨工艺可以连续进料和出料,也可以一次投入若干重量原料,连续研磨若干时间后出料;出料时要经过微粉分级机控制粒度,粗的产物返回磨机再磨或作为产品,细的则是产品。干法研磨要严格控制入磨物料水分,产品不再干燥。


干法研磨生产工艺流程

湿法研磨生产工艺:是将若干重量硅微粉原料一次投入球磨机中,加入适量的水,作业浓度在65%~80%;连续研磨十几个小时后,倒出料浆,用压滤方法或放在料桶内自然沉淀脱水,得到含水料饼;用打碎机打碎分散后均匀连续地投到空心轴搅拌烘干机中,干燥后得到产品。


湿法研磨生产工艺流程

无论是干法研磨还是湿法研磨,磨机中还应加入几种直径按要求配比的磨球,又称磨矿介质。根据进料粒度大小和产品粒度要求,磨矿介质的直径和配比是不同的,研磨时间也是不同的。为了避免物料在研磨时被污染,使用的磨矿介质应是非金属材料如氧化铝陶瓷球或硅石;磨机的桶体内也必须衬高强度耐磨材料如氧化铝陶瓷、硅石或聚氨脂橡胶。

B.球形硅微粉的生产

目前国内外生产球形硅微粉方法主要分为:物理法和化学法。物理法包含高温熔融喷射法、火焰成球法、等离子体法、高温煅烧球形化等;化学法包含:水热合成法、气相法、沉淀法、溶胶-凝胶法等。

已产业化的气体燃烧火焰成球法,其主要生产设备有:粉料定量输送系统、燃气量控制和混合装置、气体燃料高温火焰喷枪、冷却回收装置,下面分别简要介绍其工作原理。

粉料定量输送系统:是用气力输送的方法将要加工成球形硅微粉的粉料按照规定的给料量连续、均匀地输送到高温火焰中。

燃气量控制和混合装置:可根据火焰温度、火焰长度和刚度调节、控制燃气量和助燃气体量,并将燃气与助燃气体充分混合后送到高温火焰喷枪。

气体燃料高温火焰喷枪:是将混合燃料气体(混合入助燃气体)和非球形硅微粉物料同时喷出,点火后产生高温火焰,熔融分散的硅微粉,使之成为球形硅微粉。

冷却回收装置:将已被熔融且分散的高温球形硅微粉,迅速冷却避免出现析晶现象,并将冷却后的球形硅微粉在收集器中回收。


球形硅微粉生产工艺流程




参考来源:

薛晓鹏:矿物原料制备集成电路覆铜板用复合硅微粉的试验研究

雷燕:石英硅微粉制备绝缘灌注胶的基础研究

王艳:四川普格脉石英加工石英硅微粉试验研究

卢英常等:硅微粉的用途及生产技术
       苏宪君:超细硅微粉在塑料、橡胶及涂料中的应用