專利名稱：硅微粉及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無機材料的制備方法，特別是指高純高白硅微粉的制備 方法以及由該方法所制得的硅微粉。
背景技術(shù)：
硅微粉是指二氧化硅微粉，其作為一種無機材料由于具有良好的介 電性能、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)、高化學(xué)穩(wěn)定性并且有獨特的光學(xué)性 質(zhì)，硅微粉廣泛應(yīng)用在航空、航天、化工及電子工業(yè)中，特別是電子、 微電子、電器工業(yè)的灌封、包封料、模塑料、硅橡膠、油漆、涂料等領(lǐng) 域。在這些領(lǐng)域中對硅微粉的純度要求很高，例如電子、電器工業(yè)的灌
封、包封料等需要采用高純硅微粉(Si02〉99.8。/。、 Fe2O3<0.01%、 Al2O3<0.015%);微電子、大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路用塑封料、灌封 料要求的硅微粉純度更高(Si02〉99.9%、 Fe2O3<40ppm、 A1203< 35ppm、放射性元素總合〈0.05-lppm);光纖、光導(dǎo)纖維、航空工業(yè)尖 端領(lǐng)域中可作電容器材料、敏感元件材料等要求Si02>99.99%— 99.9999。/o放射性元素總合〈0.1-lppb。
同時高級油漆、涂料、船舶甲板漆、硅橡膠、熱塑性路標(biāo)漆、防滑 地板漆、日用化妝品等工業(yè)要求使用白度〉92度的高白硅微粉。
傳統(tǒng)的硅微粉是以脈石英、粉石英、微晶硬質(zhì)石英礦等為原料，通 過選礦、清洗、濾干、粗碎、細(xì)碎、研磨、酸洗、堿中和、離子水反復(fù) 清洗、壓濾、烘干、打散解聚、回轉(zhuǎn)爐煅燒、冷卻、成品這樣的工藝步 驟制備。但由于原料中含有一些對其應(yīng)用有害的元素例如Fe、 Al、 Ca、 Mg，常規(guī)采用酸堿處理以降低有害元素的量，然而處理過程中酸 堿的引入會導(dǎo)致Cl離子、Na離子和羥基的二次污染，而且酸堿處理過 程中需要大量的水，會導(dǎo)致水污染。同時原料礦中還夾雜有Ra、 U、 Th 等放射性元素。在硅微粉的應(yīng)用中，特別是在微電子行業(yè)應(yīng)用中，要求每百KG硅微粉中Cl離子、Na離子、羥基含量必需小于3xlO-6KG，在 大型集成電路應(yīng)用中Ra、 U、 Th等放射性元素含量必需小于O.lPPb， 如果無法滿足上述指標(biāo)要求，會導(dǎo)致導(dǎo)電率過高、電氣性能低等缺點。
另一方面，傳統(tǒng)工藝完全依靠研磨來滿足對產(chǎn)品的粒度要求，由于 原料硬度大，研磨介質(zhì)磨損大、能耗高，并會引入Fe、 Al等雜質(zhì)。傳 統(tǒng)工藝的煅燒溫度比降低， 一般在800-1 OO(TC，這樣的溫度不能使得原 料達(dá)到膨脹飽和系數(shù)，會產(chǎn)生二次膨脹，使得成品收縮性大，難以控 制。而電子產(chǎn)品封裝要求極低的吸水率和透濕性，熱膨脹系數(shù)低，收縮 小等一列嚴(yán)格要求，這些都是傳統(tǒng)工藝難以滿足的。
總之傳統(tǒng)工藝路線長，觸點多，對產(chǎn)品的品質(zhì)、純度、精度難以控 制。而且這樣的工藝路線是無法達(dá)到對高純高白度產(chǎn)品的要求的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上述所提到的現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種制備高純 高白硅微粉的方法以及由此所得硅微粉。
本發(fā)明提供一種硅微粉制備方法，其包括如下工藝步驟
1) 石英礦原礦料篩選并清洗；
2) 干燥后破碎并磁選，得到平均粒徑不超過30mm的粗料；
3) 將粗料投入高溫焙燒爐中焙燒，所述焙燒步驟包括預(yù)熱階段、 活化階段及冷卻階段，其中活化階段溫度為1200-1450°C，焙燒 總時間為20-30小時；
4) 打散解聚后分級得成品。
所述的硅微粉制備方法中打散解聚后的分級工序中進(jìn)一步含有研磨 工序。
其中所述石英礦原礦料選自脈石英、粉石英、微晶硬質(zhì)石英。 其中所述活化溫度優(yōu)選為1300-1400°C。 其中所述焙燒總時間優(yōu)選為22-27小時。
其中所述預(yù)熱階段指將粗料從環(huán)境溫度加熱到活化溫度的階段，所 述預(yù)熱階段時間為12-16小時。
其中所述活化階段時間為5-10小時。其中所述冷卻階段指活化后物料冷卻到環(huán)境溫度的階段，所述冷卻
階段時間為2-5小時。
本發(fā)明還提供一種硅微粉，其由前述方法制得。
本發(fā)明所提供的方法制得的硅微粉的白度可從65-90度提高到92-98度(用南京萊步科技有限公司的WSB-1白度儀檢測R457藍(lán)光白 度)。
由于本發(fā)明所提供的工藝不采用化學(xué)提純工藝，并且工藝路線短， 所得硅微粉不含有Cl離子、Na離子和羥基，同時也將原料礦中結(jié)晶水 高溫去除，原料礦中的高價有色金屬、放射性元素以及堿金屬韓/鎂化合 物的含量顯著降低。由于石英礦晶型轉(zhuǎn)化速度非常慢，要達(dá)到膨脹飽和 系數(shù)必須設(shè)定適當(dāng)?shù)念A(yù)熱、高溫活化以及冷卻時間，這樣才能保證產(chǎn)品 各種物理指標(biāo)的穩(wěn)定性，本發(fā)明所提供的焙燒工藝使得制備的硅微粉達(dá) 到膨脹飽和系數(shù)(14-16%)，不會產(chǎn)生二次膨脹和收縮，同時有效增 白。
本發(fā)明對原料礦中存在的有害元素經(jīng)過高溫活化焙燒后，有機質(zhì)燃 燒炭化，在炭質(zhì)參與下礦體內(nèi)存在的有色金屬三價Fe、 Al等。還原成 二價Fe、 Al等。原料礦內(nèi)所存在的堿金屬是以CaC02、 MgC02形態(tài)所 存在。堿金屬體系經(jīng)過高溫焙燒全部轉(zhuǎn)化為CaO、 MgO等形態(tài)。放射 性元素鐳的熔點為700°C，鈾的熔點U3(TC且在高溫受熱時生成 U208;釷能與所有非金屬元素生成二元化合物。隨著高溫焙燒，石英礦
的膨脹系數(shù)不斷增大，Si02與以上其他元素也在不斷的分離，隨著分離
的同時，由于受到高溫?zé)釟饬鞯臎_刷，雜質(zhì)被清除。同無法去除有害物 質(zhì)傳統(tǒng)工藝相比，本發(fā)明所提供的方法能有效去除石英礦體內(nèi)30-50% 的有害元素。
與此同時，影響硅微粉白度的有害雜質(zhì)包括水(結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水、 自由水)和炭質(zhì)(有機質(zhì))。原料中的結(jié)構(gòu)水是指呈IT、 OH'或H30+ 的離子狀態(tài)加入礦物晶體構(gòu)造的水，常見于脈石英礦；原料中的結(jié)晶水 以中性分子(H20)的形式參加礦物的結(jié)構(gòu)，并占有固定的位置，水分 子的數(shù)量與礦物中其他成分成簡單的整數(shù)比，常見于微晶石英礦；原料 中的自由水是指不參與礦物的晶體組成，而是以機械吸附的形式存在與礦物中的水(吸附水)因而含量不定，常見于粉石英礦。原礦中的炭質(zhì) (有機質(zhì))主要是指粉石英，由于粉石英屬沉積淋濾形礦體，在沉積淋 濾過程中，把表面的有機質(zhì)滲透到礦體內(nèi)而逐漸變?yōu)樘抠|(zhì)。本發(fā)明利用 高溫焙燒可以有效去除上述影響硅微粉白度的有害雜質(zhì)。傳統(tǒng)工藝中盡
管也有煅燒步驟，但是其煅燒溫度僅為800-1000°C，煅燒時間也不夠， 當(dāng)原料礦中夾雜有有機雜質(zhì)時石英的膨脹系數(shù)達(dá)不到飽和，礦體內(nèi)很容 易出現(xiàn)黑點，同時Si02與其它元素達(dá)不到分離效果，得不到純凈的 Si02所有白度不夠。純凈的Si02是無色透明晶體，經(jīng)過研磨成粉后為
純白色，白度最高可達(dá)98度。
脈石英為微晶硬質(zhì)，屬致密堅硬難以研磨成細(xì)粉的硅微粉料，脈 石英的原始粒徑一般在0.15-0.25mm間，微晶硬質(zhì)石英的原始粒徑一般 在10-40pm之間；粉石英的原始粒徑l-20^im之間。以上原料經(jīng)過本發(fā) 明所提供的焙燒工藝，致密的膠結(jié)體系完全松散，從而達(dá)到恢復(fù)原始粒 子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過機械打散解聚，用分級機系統(tǒng)分級出不同粒徑的產(chǎn)品來滿 足不同的用戶。
具體實施例方式
下面結(jié)合非限制性實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，下列實施例并不限 制本發(fā)明的保護(hù)范圍，所有基于本發(fā)明的思想做的修改和調(diào)整都屬于本 發(fā)明保護(hù)的范圍。
例中白度檢測使用南京萊步科技有限公司的WSB-1白度儀檢測R457 藍(lán)光白度。
例1
基于脈石英礦制備高純高白硅微粉
1) 脈石英礦原礦料1500KG人工篩選并清洗；
2) 自然濾干表明水分，破碎并磁選，得到平均粒徑25-30mm的粗 料；3) 將粗料置于匣缽中投入隧道式焙燒爐中預(yù)熱12小時使得礦料溫 度提升到1200'C，活化10小時，然后在5小時內(nèi)快速冷卻到環(huán) 境溫度；
4) 將焙燒好的礦料投入球磨機，球磨機采用剛玉研磨介質(zhì)球，將 礦料打散解聚，分級得白度為92的硅微粉成品。
所得成品經(jīng)國家建筑材料工業(yè)放射性及優(yōu)惠物質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心 檢測，產(chǎn)品規(guī)格為中位粒徑8.12%,樣品呈粉狀，根據(jù)GB6566-2001 《建筑材料放射性核素限量》標(biāo)準(zhǔn)要求，本產(chǎn)品用量不受限制，放射性 核素比活度(Bq/kg) 226Ra、 232Th、 4GK、 23817均未檢出。
例2
基于脈石英礦制備高純高白硅微粉
5) 脈石英礦原礦料1500KG人工篩選并清洗；
6) 自然濾干表明水分，破碎并磁選，得到平均粒徑15-20mm的粗 料；
7) 將粗料置于匣缽中投入隧道式焙燒爐中預(yù)熱16小時使得礦料溫 度提升到1200°C，活化9小時，然后在5小時內(nèi)快速冷卻到環(huán) 境溫度；
8) 將焙燒好的礦料投入振動磨機，振動磨機采用剛玉研磨介質(zhì) 球，將礦料打散解聚，分級得4500目、白度為94的硅微粉成
叫o
例3
基于粉石英礦制備高純高白硅微粉
1) 粉石英礦原礦料IOOOKG篩選并清洗；
2) 烘干使得含水量<1%，磁選，得到平均粒徑5-10mm的粗料；
3) 將粗料置于匣缽中投入隧道式焙燒爐中預(yù)熱15小時使得礦料溫 度提升到1200°C，活化5小時，然后在2小時內(nèi)快速冷卻到環(huán) 境溫度；4)將焙燒好的礦料投入球磨機，球磨機采用剛玉研磨介質(zhì)球，將
礦料打散解聚，分級得6000目、白度為98的硅微粉成品。 經(jīng)上海硅酸鹽研究所檢測 粉石英原礦相關(guān)成分為(％重量比) Si02 99.38, Fe2O3 0.08, A1203 0.18， CaO 0.10 MgO 0.0043 Na20 0.0011, K20 0.0049, Ti02 0.0045，灼燒失量0.2452
所得硅微粉相關(guān)成分為(％重量比)
Si02 99.924， Fe203 0.00818， A1203 0.042, CaO 0扁2 MgO 0.0025 Na20 0.0001， K20 0.0029, Ti02 0.0012，灼燒失量0.016。
例4
基于微晶硬質(zhì)石英制備硅微粉
1) 微晶硬質(zhì)石英礦原礦料粗碎至50-100mm，進(jìn)入轉(zhuǎn)筒自磨擦洗；
2) 自然濾干表面水分，破碎并磁選，得到平均粒徑l-5mm的粗 料.，
3) 將粗料置于匣缽中投入隧道式焙燒爐中預(yù)熱13小時使得礦料溫 度提升到1200°C，活化6小時，然后在3小時內(nèi)快速冷卻到環(huán) 境溫度；
4) 將焙燒好的礦料投入球磨機，球磨機采用剛玉研磨介質(zhì)球，將 礦料打散解聚，分級得5500目、白度為98的硅微粉成品。
權(quán)利要求
1. 一種硅微粉制備方法，其包括如下工藝步驟1)石英礦原礦料篩選并清洗；2)干燥后破碎并磁選，得到平均粒徑不超過30mm的粗料；3)將粗料投入高溫焙燒爐中焙燒，所述焙燒步驟包括預(yù)熱階段、活化階段及冷卻階段，其中活化溫度為1200-1450℃，焙燒總時間為20-30小時；4)打散解聚后分級得成品。
2. 如權(quán)利要求1所述的硅微粉制備方法，其中打散解聚后的分級工 序中進(jìn)一步含有研磨工序。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的硅微粉制備方法，其中所述石英礦原礦 料選自脈石英、粉石英、微晶硬質(zhì)石英。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的硅微粉制備方法，其中所述活化溫度為 1300-1400 °C。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的硅微粉制備方法，其中所述焙燒總時間 為22-27小時。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的硅微粉制備方法，其中所述預(yù)熱階段指 將粗料從環(huán)境溫度加熱到活化溫度的階段，所述預(yù)熱階段時間為12-16 小時。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的硅微粉制備方法，其中所述活化階段時 間為5-10小時。
8. 如權(quán)利要求1或2所述的硅微粉制備方法，其中所述冷卻階段指 活化后冷卻到環(huán)境溫度的階段，所述冷卻階段時間為2-5小時。
9. 一種硅微粉，其由權(quán)利要求1或2所述方法制得。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種硅微粉制備方法，其包括如下工藝步驟石英礦原礦料篩選并清洗；干燥后破碎并磁選，得到平均粒徑不超過30mm的粗料；將粗料投入高溫焙燒爐中焙燒，所述焙燒步驟包括預(yù)熱階段、活化階段及冷卻階段，其中活化溫度為1200-1450℃，焙燒總時間為20-30小時；打散解聚后分級得成品。本發(fā)明的方法可以有效降低硅微粉中雜質(zhì)，提高硅微粉成品的純度和白度。本發(fā)明還提供一種高純高白的硅微粉。
文檔編號C01B33/12GK101417806SQ20071018156
公開日2009年4月29日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者陳小平 申請人:貴州金沙高科硅業(yè)開發(fā)有限公司