一种用作超纯硅溶胶生产原料的水玻璃的生产方法

摘要

本发明公开了一种用作超纯硅溶胶生产原料的水玻璃生产方法，包括下列步骤：在加有去离子水的容器中，加入水可溶性碱溶解，然后加入工业硅粉，常压下逐渐升温，反应温度控制在40－100℃，随反应产生的气体排出的水蒸汽经冷却回流至反应容器内，反应结束后，冷却，经过滤或沉降后获得水玻璃水溶液。本发明的工艺制得的水玻璃可用作生产超纯硅溶胶的原料，有效降低了超纯硅溶胶的生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于无机精细化学品生产领域，具体涉及水玻璃的生产方法。

背景技术

超纯硅溶胶(金属元素与二氧化硅的质量之比小于1000ppm的硅溶胶)具有金属元素含量低的特点，用于半导体器件生产过程的化学机械抛光、高档耐火材料生产等行业，是一种在当前很有市场前景的无机精细化学品。

目前超纯硅溶胶的生产方法是采用昂贵的有机硅为原料经水解制得，或者采用昂贵的气相白碳黑为原料在机械力的作用下分散成胶体溶液。

水玻璃可用于生产普通硅溶胶，但是现有工艺生产的水玻璃产品由于杂质问题无法生产获得超纯硅溶胶。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的水玻璃生产方法，经过本发明工艺生产获得的水玻璃完全可作为超纯硅溶胶的原料，用于生产超纯硅溶胶。

研究表明，传统的水玻璃离子交换法之所以生产不出超纯硅溶胶，其原因在于传统工艺生产的水玻璃中含有大量的杂质阴离子，杂质阴离子的存在影响了金属离子的交换程度，水玻璃经阳离子树脂交换后尚有大量的金属离子残留在溶液中，用该溶液合成的硅溶胶其二氧化硅胶粒内部、胶粒表面以及溶液中尚含有较多的金属元素，因此采用水玻璃为原料难以达到生产超纯硅溶胶的目的。

本发明以硅为原料，在碱性条件下与水反应放出氢气生成水玻璃，本发明的工艺通过原料及工艺条件的控制，使得获得水玻璃杂质阴离子含量低，该工艺获得的水玻璃可作为超纯硅溶胶的原料生产获得超纯硅溶胶。

本发明公开了一种用作超纯硅溶胶生产原料的水玻璃生产方法，包括下列步骤：

1.在加有去离子水的容器中，在搅拌状态下加入水可溶性碱溶解，然后加入工业硅粉，常压下逐渐升温，反应温度控制在40-100℃，最佳温度控制在85-100℃，随反应产生的气体排出的水蒸汽经冷却回流至反应容器内。

2.反应结束后，冷却，经过滤或沉降后获得水玻璃水溶液。

上述超纯硅溶胶指金属元素与二氧化硅的质量之比小于1000ppm的硅溶胶。

上述去离子水经硝酸根检测无氯离子。

上述水可溶性碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

上述工业硅粉的主要成份为单质硅，符合GB2881-9标准，可经市售途径获得。工业硅粉的粒径优选20-400目。

上述工业硅粉按GB2881-9标准检测，硅元素的重量百分含量在98％以上(含98％)。

步骤1中，加入去离子水的量是依据所需水玻璃的浓度来加减的，通常加入去离子水的质量与工业硅的质量比在7-20，优选为8-12。

所述工业硅粉中，杂质阴离子的量必须有所控制，所选的工业硅粉原料中，硅的摩尔数与杂质阴离子(Cl^-、S^-2、SO₄^-2等所有水溶性阴离子之和)摩尔数之比大于100，符合该要求的原料可经市售途径获得，如济南银峰硅业的553#120目硅粉。

上述硅粉中硅元素的摩尔数与杂质阴离子摩尔数总和之比是研究获得的反映所生成水玻璃杂质阴离子多少的一个参数，大于100意味着杂质阴离子数量相对较抵，试验表明，比值大于100能够达到超纯硅溶胶的要求，反之不能达到超纯硅溶胶的要求。

步骤1中，碱的加入量是依据所需水玻璃模数来确定的，通常，原料中，硅元素的摩尔数与水可溶性碱中的金属化合物折算为金属氧化物(包括氧化钠和/或氧化钾)后的摩尔数之比为1.0-5.0，优选3.5。

所述水可溶性碱中所含盐份的重量百分比(以杂质阴离子价位摩尔数折算成等同摩尔数的氯离子对应的氯化钠的重量后计算重量百分比)含量必须小于8％，更优的是小于2％。

上述步骤2中反应结束的判断标准是容器中不再产生氢气，一般须经4-10小时。

步骤2中的过滤方式可为滤布过滤。

本发明通过调整硅、碱(种类、纯度、数量)、水(数量、纯度)的配比可以很方便地对水玻璃的模数、纯度、固含量实行有效的控制；且本方法在常压下生产，无需高温煅烧和加压高温水解；本方法生产的水玻璃经滤布过滤或沉降后外观澄清透明；本发明的工艺制得的水玻璃水溶液澄清透明，杂质阴离子获得了有效的控制，可用作生产超纯硅溶胶的原料，有效降低了超纯硅溶胶的生产成本。

具体实施方式

以下列举具体实施例以进一步阐述本发明，应理解，实施例并非用于限制本发明的保护范围。

原料：

工业硅粉：

20目      济南银峰硅业        纯度为98.5％          硅的摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比>100

80目      济南银峰硅业        纯度为98.3％          硅的摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比>100

400目     济南银峰硅业        纯度为98.7％          硅的摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比>100

氢氧化钠：盐分的重量百分含量为0.2％

氢氧化钾：盐分的重量百分含量为0.2％

去离子水：经硝酸根检测无氯离子

指标检测方法：

工业硅粉中硅的摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比的检测方法：

硅粉中硅的摩尔数按GB2881-9检测。

工业硅粉中的杂质阴离子摩尔数为将生成的水玻璃经带H+的阳离子交换树脂充分交换后用氢氧化钠滴定酸的摩尔数，然后减去碱中杂质阴离子的摩尔数(即将碱溶液经带H⁺的阳离子交换树脂充分交换后用氢氧化钠滴定酸的摩尔数)获得。

碱中盐分重量百分含量的检测方法：

将碱溶液经带H⁺的阳离子交换树脂充分交换后用氢氧化钠滴定酸值，把酸值换算成Cl^-的摩尔数，再折算成氯化钠的重量百分比。

实施例1

在1000ml带有回流冷凝器的三口烧饼中加入去离子水800ml，氢氧化钠(纯度为98％)40克，工业硅粉(80目)30克，逐渐升温至80-95℃，反应8个小时后冷却，再经沉降或过滤得澄清透明的水玻璃溶液。以该水玻璃为原料按常规方法经离子交换后制得原硅酸，然后将原硅酸按常规方法聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超纯硅溶胶中二氧化硅的质量百分比浓度为30％，金属元素含量为9ppm，金属元素与二氧化硅的质量之比为30ppm。

实施例2

在1000ml带有回流冷凝器的三口烧饼中加入去离子水800ml，氢氧化钾(含量98％)57克，工业硅粉(80目)30克，逐渐升温至80-95℃，反应8个小时后冷却，再经沉降或过滤得水玻璃。以该水玻璃为原料经离子交换后制得原硅酸，然后将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超纯硅溶胶中二氧化硅的质量百分比浓度为30％，金属元素含量为12ppm，金属元素与二氧化硅的质量之比为40ppm。

实施例3

在1000ml带有回流冷凝器的三口烧饼中加入去离子水800ml，氢氧化钠(含量98％)23克，工业硅粉(20目)30克，逐渐升温至85-100℃，反应10个小时后冷却，再经沉降或过滤得水玻璃。以该水玻璃为原料经离子交换后制得原硅酸，然后将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超纯硅溶胶中二氧化硅的质量百分比浓度为30％，金属元素含量为30ppm，金属元素与二氧化硅的质量之比为100ppm)。

实施例4

在1000ml带有回流冷凝器的三口烧饼中加入去离子水800ml，氢氧化钾(含量98％)33克，工业硅粉(400目)30克，逐渐升温至40-55℃，反应6个小时后冷却，再经沉降或过滤得水玻璃。以该水玻璃为原料经离子交换后制得原硅酸，然后将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超纯硅溶胶中二氧化硅的质量百分比浓度为30％，金属元素含量为33ppm，金属元素与二氧化硅的质量之比为110ppm。