Порошок диоксида кремния — это высокоэффективный неметаллический неорганический функциональный материал. Он производится в основном из природного кварца или плавленого кварца посредством ряда тонких технологических процессов. Эти процессы включают дробление, классификацию, измельчение, магнитную сепарацию, флотацию и кислотное выщелачивание. Порошок диоксида кремния обладает выраженными физическими и химическими характеристиками. Он имеет малый размер частиц, стабильные химические свойства, отличные диэлектрические характеристики, большую удельную площадь поверхности, хорошую диспергируемость и высокую теплопроводность. В результате он широко используется в традиционных областях, таких как электроника, химическая промышленность, фармацевтика, прецизионное литье и высококачественная керамика. Он также имеет важное значение в высокотехнологичных секторах, таких как полупроводники, солнечная фотовольтаика и аэрокосмическая промышленность. Правительства во всем мире классифицируют его как высокочистый. ультрадисперсный порошок диоксида кремния Технология как важнейшая высокотехнологичная область требует строгой секретности в отношении методов ее обработки.
В Китае спрос на высококачественный кремнеземный порошок огромен, однако страна по-прежнему сильно зависит от импорта. Следовательно, получение высококачественного кремнеземного порошка стало центральным направлением исследований в области порошковых технологий в стране. В данной статье подробно обсуждаются последние достижения в технологиях сверхтонкого измельчения и очистки. Рассматривается применение кремнеземного порошка в таких важных областях, как медные ламинаты (CCL) и эпоксидные компаунды для формования (EMC), а также намечаются будущие пути развития отрасли.
1. Тенденции спроса и текущее состояние ресурсов.
В связи с быстрым ростом высокотехнологичных отраслей, включая информационные технологии, связь 5G, полупроводники и фотовольтаику, спрос на порошок диоксида кремния неуклонно растет. Высокочистый, ультрадисперсный порошок диоксида кремния обладает превосходной стабильностью, армирующими свойствами и тиксотропией благодаря малому размеру частиц, большой удельной поверхности, высокой химической чистоте и превосходной наполняющей способности. Эти характеристики значительно повышают механические свойства композитных материалов. Поэтому повышение тонкости и чистоты порошка диоксида кремния является сегодня основной тенденцией развития отрасли.
Тип кварцевого месторождения напрямую определяет процесс производства микропорошка и конечное качество продукции. К распространенным видам сырья относятся жильный кварц, кварцит и кварцевый конгломерат:
- Жилковый кварц: Жильный кварц, известный своей исключительно высокой чистотой (с содержанием SiO2, как правило, ≥99,91 TP3T), служит основным сырьем для производства высокочистого ультрадисперсного кристаллического порошка диоксида кремния.
- Кварцит и кварцевый конгломерат: Эти материалы отличаются чистой текстурой и легкостью в обработке, что делает их превосходным потенциальным сырьем для получения высокочистого ультрадисперсного порошка диоксида кремния.
Для получения высокочистого порошка диоксида кремния предъявляются чрезвычайно строгие требования к качеству исходного кварца. Как правило, содержание SiO2 должно превышать 99,91 TP3T. Массовая доля Fe2O3 должна оставаться ниже 5 ppm, а Al2O3 — ниже 10 ppm. Кроме того, общее содержание примесей должно контролироваться на уровне ниже 100 ppm.
Для повышения эффективности производства и качества продукции исследователи проводят масштабные исследования методов сверхтонкого измельчения и очистки. Их цель — оптимизировать существующие технологические процессы, тем самым повышая выход и эффективность использования ресурсов при производстве высокочистого кварца.
2. Текущее состояние Обработка порошка диоксида кремния Технологии
Технология сверхтонкого измельчения
Технология сверхтонкого измельчения все чаще применяется в производстве порошка диоксида кремния. Измельчая природную кварцевую руду или синтетические материалы на основе диоксида кремния до микро- или нанометрового масштаба, производители могут увеличить удельную площадь поверхности и улучшить физико-химические свойства порошка. Это отвечает высоким требованиям в микроэлектронике, прецизионной керамике, современных покрытиях и биомедицине.
Природная кварцевая руда часто содержит большое количество включений и микротрещин, которые ухудшают чистоту и характеристики готового порошка. Сверхтонкое измельчение значительно уменьшает эти структурные дефекты, улучшая как однородность частиц, так и чистоту материала.
В последние годы достигнут значительный технологический прогресс. Сегодня основными методами являются механическое измельчение, струйное измельчение, мокрое измельчение и ультразвуковое измельчение. К распространенному оборудованию относятся струйные мельницы, мельницы с перемешиванием, вибрационные мельницы и планетарные шаровые мельницы.
Поскольку кварц чрезвычайно тверд и прочен, традиционная механическая шлифовка потребляет большое количество энергии и дает низкую производительность. Хуже того, она легко приводит к вторичному загрязнению из-за износа инструмента. В отличие от этого, струйное фрезерование Благодаря уникальному принципу действия, этот метод стал идеальным выбором для получения высокочистого порошка диоксида кремния. Высокоскоростные струи воздуха заставляют частицы кварца сталкиваться друг с другом, в результате чего получается высокочистый порошок с равномерным распределением частиц по размерам. Струйное измельчение также улучшает диспергируемость и химическую активность порошка, что делает его исключительно подходящим для высокочистых материалов для упаковки электроники.
В перспективе постоянные инновации в области сверхтонкого измельчения приведут к расширению его применения. Усовершенствование конструкций оборудования, оптимизация рабочих параметров и внедрение новых мелющих тел позволят производителям повысить эффективность измельчения, снизить производственные затраты, улучшить качество продукции и стимулировать технологический прогресс в смежных отраслях.
Технология очистки
Природная кварцевая руда содержит различные примеси, в основном Al, Fe, Ca, Mg, Li, Na, K и Ti. Эти примеси существуют в трех различных формах: примеси матричных минералов, газожидкостные включения и изоморфные примеси кристаллической решетки. Поскольку минералогические свойства сырых кварцевых руд значительно различаются, инженеры должны выбирать методы очистки, основываясь на химическом составе, характеристиках высвобождения минералов и состояниях залегания примесей.
Методы очистки порошка диоксида кремния делятся на две основные категории: физические и химические методы.
Физическое очищение
Физическая очистка основана на цветовой сортировке, промывке, гравитационном разделении, магнитной сепарации и флотации. Объединив эти этапы в многоступенчатую систему, переработчики могут удалить практически все отдельные минеральные примеси. Основная цель — создание адаптируемой системы разделения, адаптированной к физическим свойствам конкретных сосуществующих примесей:
- Магнитная сепарация: Этот метод использует магнитные различия между кварцем и его примесями. Путем регулирования интенсивности магнитного поля удаляются магнитные минералы, такие как гематит, ильменит и биотит, а также включения, прикрепленные к магнитным носителям.
- Флотация: Используется специальный химический реагент для прикрепления частиц примесей к пузырькам воздуха. Это позволяет отделить немагнитные сопутствующие минералы, такие как полевой шпат и слюда, от частиц кварца.
Хотя физические методы просты и экономически эффективны, их результативность в значительной степени зависит от типа и начальной концентрации примесей. Более того, физические методы не могут эффективно удалять газожидкостные включения или изоморфные примеси, связанные с кристаллической решеткой. Следовательно, химическая очистка остается необходимой для получения высокочистого порошка диоксида кремния.
Химическая очистка
Химическая очистка в основном включает в себя химическое выщелачивание кислотами, щелочами или солями в сочетании с термической обработкой:
- Обработка кислотами/щелочами/солями: Химические растворы вступают в реакцию с примесными минералами, растворяя и удаляя поверхностные или внутренние включения. Кислотное выщелачивание Наиболее распространенный подход, как правило, предполагает использование смеси фтороводородной, серной, соляной и азотной кислот:
- Фтороводородная кислота (HF) Он избирательно разрушает Si-O-Si-сетку, образуя растворимые комплексы H2SiF6. Он также необходим для разрушения кристаллических структур алюмосиликатных минералов, таких как мусковит и полевой шпат.
- Концентрированная серная кислота (H2SO4) Действует как сильный окислитель, превращая ионы металлов, такие как Fe3+ и Al3+, в более растворимые высокозарядные состояния. Его высокая температура кипения позволяет проводить выщелачивание при повышенных температурах и атмосферном давлении.
- Соляная кислота (HCl) При смешивании с азотной кислотой (HNO3) образуется царская вода, которая совместно разлагает включения благородных металлов.
- Управление технологическим процессом: Кислотное выщелачивание требует точного контроля соотношения жидкости и твердого вещества, а также скорости перемешивания. Чрезмерные силы сдвига могут приводить к образованию новых микротрещин, в которые повторно всасываются ионы примесей.
- Термическая обработка: Используются высокие температуры для разложения или испарения примесей, удаления включений и связанных с кристаллической решеткой загрязнений. Ключевые технологии включают высокотемпературную кальцинацию и хлорирование при обжиге:
- Высокотемпературная кальцинация: По мере достижения включениями температуры гомогенизации и дальнейшего нагрева они лопаются. Обнажение этих внутренних примесей на поверхности облегчает их удаление на последующих стадиях кислотного выщелачивания. Высокие температуры также способствуют миграции и выходу изоморфных примесей внутри кристаллической решетки кварца.
- Хлорирование при обжарке: Специализированная термическая технология, при которой газообразный хлор (Cl2) или хлористый водород (HCl) вводятся при высоких температурах. Хлорирующие агенты реагируют с примесями, образуя хлориды с низкой температурой кипения. Затем эти хлориды испаряются или растворяются в процессе последующей промывки, в результате чего получается очищенный порошок диоксида кремния.
3. Текущее состояние применения кремнеземного порошка
Порошок диоксида кремния широко используется в медных ламинатах, эпоксидных компаундах для литья, электротехнической изоляции, резине, пластмассах и покрытиях. В следующих разделах описаны его текущие области применения и будущие тенденции в этих ключевых секторах.
Ламинированные медные покрытия (CCL)
Медные ламинаты служат основным материалом для печатных плат (ПП). Для обеспечения надежных электронных соединений им необходимы высокие температуры стеклования, высокий модуль упругости, низкие коэффициенты теплового расширения (КТР), низкие диэлектрические постоянные и низкие диэлектрические потери.
Для повышения эффективности CCL необходимы неорганические наполнители. К распространенным вариантам относятся порошок диоксида кремния, тальк, гидроксид алюминия и гидроксид магния. Среди них порошок диоксида кремния выделяется благодаря высокой термической стабильности, сверхнизкому коэффициенту теплового расширения и благоприятным диэлектрическим свойствам.
В отрасли производства углеродных композитных материалов предъявляются особые требования к порошку диоксида кремния в отношении размера частиц, морфологии и модификации поверхности:
- Размер частиц: Необходимо найти баланс между диспергируемостью и технологичностью. Хотя более мелкие частицы, как правило, улучшают эффективность упаковки, чрезмерно мелкие частицы склонны к агломерации. Это ухудшает дисперсию и значительно затрудняет смешивание смолы и нанесение покрытия из обрабатывающего вещества.
- Морфология: Сферический порошок диоксида кремния предпочтительнее угловатой формы, поскольку он обладает большей несущей способностью, меньшим термическим расширением и лучшей износостойкостью.
- Обработка поверхности: Надлежащая модификация поверхности улучшает дисперсию порошка и повышает совместимость неорганического наполнителя с органической смоляной матрицей.
В настоящее время отечественный высокочистый порошок диоксида кремния для применения в каталитических лазерах с катодной защитой сталкивается с такими проблемами, как высокая зависимость от импорта высококачественной продукции, завышенные затраты на продукцию и необходимость оптимизации технологического процесса. В дальнейшем рынок будет сосредоточен на разработке высококачественной продукции, замещении импорта отечественными товарами и удовлетворении жестких требований к высокочастотным и высокоскоростным каталитическим лазерам с катодной защитой.
Эпоксидные формовочные компаунды (ЭМС)
Эпоксидные компаунды являются важнейшими составами для герметизации полупроводниковых изделий. Основные требования к наполнителям заключаются в снижении теплового расширения, повышении теплопроводности и снижении диэлектрической постоянной. В качестве основного наполнителя в составах для герметизации полупроводниковых изделий используется порошок диоксида кремния, составляющий, как правило, от 601 до 901 тонны на тонну от общей массы.
Порошок диоксида кремния обладает значительными преимуществами в электрохимических композитах. Его высокая чистота и низкий уровень альфа-частиц снижают коэффициент линейного расширения и усадку при отверждении, одновременно повышая механическую прочность и электроизоляцию.
По сравнению с угловатым диоксидом кремния, сферический порошок диоксида кремния позволяет значительно увеличить содержание наполнителя. При подборе размера частиц от 0,1 мкм до 30 мкм уровень содержания может превышать 921 тонну на 3 тонны, что снижает расход эпоксидной смолы до 501 тонны на 3 тонны. Кроме того, сферические частицы плавно текут во время формования, что минимизирует образование облоя и воздушных пустот, а также продлевает срок службы пресс-формы.
Несмотря на эти преимущества, высококачественный сферический порошок диоксида кремния сталкивается с высокими техническими барьерами и сложными производственными процессами, что приводит к увеличению затрат. Поскольку тенденция к уменьшению размеров и повышению производительности полупроводниковой упаковки будет расти, спрос на порошки диоксида кремния с более узким распределением размеров частиц, более высокой чистотой и превосходной сферичностью будет увеличиваться.
Резина
Порошок диоксида кремния используется в качестве функционального наполнителя в резиновой промышленности, обладая очевидными физическими преимуществами и широкими рыночными перспективами. Резиновые изделия требуют наполнителей, улучшающих механическую прочность, износостойкость, термостойкость и антивозрастные свойства.
Благодаря мелкодисперсному размеру частиц, большой удельной поверхности и термостойкости, порошок диоксида кремния значительно повышает прочность на растяжение, модуль упругости и сопротивление разрыву резиновых композитов. Кроме того, его высокая чистота и равномерное распределение способствуют формированию плотной сетки наполнителя, что повышает износостойкость и устойчивость к старению.
Однако необработанный порошок диоксида кремния содержит большое количество кислых силанольных групп (Si-OH) на своей поверхности. Это делает его гидрофильным и плохо совместимым с гидрофобными резиновыми матрицами, что ухудшает общие характеристики композита. Исследователи решают эту проблему путем модификации поверхности, обычно используя силановые или титанатные связующие агенты. Эти агенты реагируют с поверхностными гидроксильными группами, снижая поверхностную энергию, улучшая совместимость и дисперсию в резине.
В связи с растущим спросом на высокоэффективный каучук, будущие исследования будут сосредоточены на разработке сверхтонких, сверхчистых порошков диоксида кремния в сочетании со специализированными связующими агентами. Ученые также работают над выявлением точных механизмов химической модификации для достижения лучшего синергетического эффекта между композитными добавками.
Другие приложения
Порошок диоксида кремния широко используется в покрытиях, электротехнической изоляции и клеях:
- Покрытия: Это улучшает коррозионную стойкость, износостойкость, электроизоляцию и термостойкость. Оптимизируя распределение размеров частиц (0,1-10 мкм), разработчики рецептур могут увеличить плотность пленки. Замена части диоксида титана (TiO2) порошком диоксида кремния сохраняет непрозрачность, одновременно улучшая термостойкость.
- Электроизоляция: Высокое удельное сопротивление и термическая стабильность делают порошок диоксида кремния незаменимым компонентом высоковольтных изоляторов и кабельной арматуры, предотвращая утечку тока и обеспечивая безопасность оборудования.
- Клеи и герметики: Порошок диоксида кремния повышает прочность адгезионного соединения и снижает пиковые температуры экзотермического эффекта в процессе отверждения, что приводит к улучшению механических свойств и повышению устойчивости к старению.
4. Резюме и перспективы
Порошок диоксида кремния, являясь высокоэффективным неметаллическим неорганическим материалом, улучшает ключевые свойства композитов, включая износостойкость, химическую стойкость, термостойкость, электроизоляцию и механическую прочность, одновременно снижая термическое расширение и затраты на сырье. Несмотря на прогресс в технологиях обработки, отечественные производители по-прежнему сталкиваются с трудностями в разработке высококачественной продукции из диоксида кремния.
- Ориентация на высокотехнологичные рубежи: По мере ускорения промышленной модернизации исследования будут сосредоточены на использовании высокочистого порошка диоксида кремния в высококачественных медных ламинатах, современных покрытиях, высокоэффективных клеях и ответственных изоляционных материалах. Эти сложные задачи требуют строгого контроля чистоты, однородности размера частиц и сферической морфологии.
- В центре внимания – тонкая и функциональная обработка: Технологии обработки в будущем будут сосредоточены на высокой чистоте, ультрамелких размерах частиц и сферической форме. В то же время модификация поверхности будет развиваться дальше с помощью органических, неорганических и композитных методов. Адаптация свойств поверхности к конкретным полимерным матрицам останется ключевым фактором для удовлетворения меняющихся потребностей высокотехнологичных отраслей промышленности следующего поколения.
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с представителем Zelda Online по любым вопросам.
— Опубликовано Эмили Чен
