硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英經(jīng)高溫熔融、冷卻后的非晶態(tài)SiO2）經(jīng)破碎、球磨（或振動(dòng)、氣流磨）、浮選、酸洗提純、高純水處理等多道工藝加工而成的微粉。硅微粉體材料是近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一種重要的新型功能材料，具有廣泛的市場(chǎng)空間和應用領(lǐng)域。
硅微粉從結構上可分為結晶和非結晶（無(wú)一定型或角型）兩種。目前國內生產(chǎn)結晶硅微粉均采用先磨細再酸處理除雜的工藝，對開(kāi)發(fā)天然高純石英而言，在加工過(guò)程中引入的雜質(zhì)成了主要雜質(zhì)，增加了酸處理的成本，同時(shí)也造成了資源的嚴重浪費，減少加工工藝過(guò)程中的成本，是當前開(kāi)發(fā)高純石英制品的熱點(diǎn)。本實(shí)驗提出一種新的球磨工藝，采用聚氨酯球磨罐、氧化鋯陶瓷球，在酸性介質(zhì)下進(jìn)行球磨，不僅能夠避免球磨過(guò)程中雜質(zhì)的引入，而且能夠在一定程度上去除硅微粉中的含鐵雜質(zhì)，有效降低了結晶硅微粉的生產(chǎn)成本。
1 實(shí)驗部分
1.1 實(shí)驗原料
實(shí)驗所用的石英原料為湖北省通山縣天然產(chǎn)出的石英巖，其純度極高，僅含有微量雜質(zhì)，其主要化學(xué)成分（wt%）為：SiO2，99.81；Al2O3，0.0156；CaO，0.0116；MgO，0.0023；Fe2O3，0.0192；K2O，0.0017；Na2O，0.0032；燒失，0.13。
鹽酸(分析純)、硫酸析純)、硝酸（分析純）、草酸（分析純）。
1.2 實(shí)驗儀器
HERZOG HSM 100H 型振動(dòng)磨， QM-ISP-2-CL 球磨機, DL-5-B 離心機，HIACHI220A 分光光度計， JL-1155 型激光粒度分布測試儀，四川輕工業(yè)研究設計院。
1.3 實(shí)驗工藝流程
石英原料→粗碎→粗磨（振動(dòng)磨）→酸洗→水洗→球磨→洗滌→固液分離（離心）→烘干
2 結果與討論
2.1 粗碎工藝
工業(yè)上常用的石英粗碎工藝有顎破、煅燒- 水淬法。其中顎破工藝破碎效率高，能耗較低，但在破碎過(guò)程中，會(huì )引入較多雜質(zhì)，對高純石英原料造成污染；煅燒- 水淬法即將硅石經(jīng)過(guò)高溫煅燒（900~1150℃）后，水淋冷卻，硅石經(jīng)過(guò)急冷急熱，在其表面和塊體內部產(chǎn)生大量的微裂紋，從而使硅石強度大幅下降。雖然水淬能耗較高，效率相對較低，但對原料無(wú)污染，在高純石英原料的粗碎中經(jīng)常采用。
本實(shí)驗的石英塊的粗碎采用水淬工藝，即將石英塊在1000℃左右的高溫下煅燒0.5h，取出后用冷水淋洗，得到石英顆粒。
2.2 振動(dòng)磨磨礦時(shí)間對石英砂產(chǎn)品性能的影響
振動(dòng)磨進(jìn)樣為Φ10~15mm 的石英顆粒，振動(dòng)磨的罐及內芯都是鐵合金，在磨礦過(guò)程中，會(huì )不可避免地引入鐵雜質(zhì)，由于振動(dòng)過(guò)程中溫度較高，鐵雜質(zhì)也有可能轉變?yōu)槿趸F，因而引入的雜質(zhì)主要為鐵單質(zhì)和三氧化二鐵。實(shí)驗研究了磨礦時(shí)間對產(chǎn)品粒度及Fe2O3 含量的關(guān)系，結果見(jiàn)表1 及圖1、2。
2.3 酸洗工藝
振動(dòng)磨磨礦會(huì )對石英砂造成較大污染，為保證石英砂的純度，需要對石英砂進(jìn)行酸洗，據包申旭等人研究表明，石英砂除鐵最佳酸洗工藝為采用混合酸工藝，混合酸為10% 鹽酸與5% 草酸按1∶1 混合配制，在室溫下，高速攪拌2h 后水洗即可。不同粒度石英砂經(jīng)酸洗前后的主要技術(shù)指標，見(jiàn)表2。
從表2 可看出，對比原礦化學(xué)成分，經(jīng)過(guò)酸洗，兩種粒級的石英砂中Fe2O3 含量均比原礦要低，這充分說(shuō)明在振動(dòng)磨磨礦階段引入的含鐵雜質(zhì)已經(jīng)全部去除掉，同時(shí)原礦石中的部分含鐵雜質(zhì)也被溶解去除。
這主要是因為在磨礦后，隨著(zhù)石英砂粒度變細，原礦石中含有的雜質(zhì)暴露出來(lái)，在酸處理工程中，被酸溶解去除掉。對比不同粒度的石英砂酸洗后Fe2O3 含量，可以發(fā)現，振動(dòng)磨磨礦時(shí)間越長(cháng)，產(chǎn)品粒度越細，所引入的雜質(zhì)含量將會(huì )進(jìn)一步增大，采用同樣的酸洗工藝，去除效果略有下降，石英砂產(chǎn)品Fe2O3 含量相對較高。
2.4 球磨工藝
球磨工藝過(guò)程中，難免會(huì )引入雜質(zhì)，為了降低球磨過(guò)程中球磨介質(zhì)對石英粉的污染，本試驗采用聚氨酯的球磨罐（100ml），氧化鋯陶瓷球作為球磨介質(zhì)，按礦漿濃度比例加入10% 的鹽酸，采用濕法球磨。本試驗主要研究了球磨時(shí)間對硅微粉的粒度及純度的影響，其它工藝參數為：球料比為5∶1，大小球質(zhì)量比為3∶5（Φ12mm、Φ6mm），礦漿濃度為50%，球磨轉速為580r/min。球磨后采用蒸餾水洗滌5 次，經(jīng)離心固液分離后烘干。粉體中Fe2O3 含量隨球磨時(shí)間的變化關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。
 從圖3 可看出，在球磨過(guò)程中，采用鹽酸作為球磨介質(zhì)，球磨過(guò)程中可能引入的Fe 雜質(zhì)能夠完全溶解在鹽酸中，能隨著(zhù)水洗去除掉；與此同時(shí)，球磨過(guò)程中以鹽酸作為介質(zhì)，相當于酸處理的過(guò)程，對原料中的雜質(zhì)也能起到一定的去除效果?！峨娮蛹半娖鞴I(yè)用二氧化硅微粉》標準要求電子級硅微粉Fe2O3 含量≤ 80μg/g，對比該標準要求，采用該方法所制得的硅微粉產(chǎn)品Fe 雜質(zhì)含量遠遠低于該標準要求。
石英粉體粒度指標隨著(zhù)球磨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。從圖4 可看出，石英粉體粒度的d90、d97指標在球磨初始階段，即迅速下降，隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)，粒度下降速度漸趨緩慢，在粒度降低到一定程度時(shí)，粉體粒度基本上不再下降。原因是球磨過(guò)程中，球料之間的研磨作用產(chǎn)生的機械作用力使粉體粒度下降，粉體表面能增大，粉體越細，粒度下降所需消耗的能量急劇增加，粉體的細化將更加困難。同時(shí)，球磨過(guò)程的球體直徑，球料比等因素也會(huì )對粉體研磨效率有一定影響。
3 結論
以湖北省通山縣天然產(chǎn)出的高純石英為原料，通過(guò)粗碎、粗磨、酸洗、球磨、水洗、烘干等工藝，制備硅微粉產(chǎn)品，產(chǎn)品化學(xué)成分達到《電子及電器工業(yè)用二氧化硅微粉》標準要求。球磨過(guò)程提出一種新的球磨設備及工藝，采用聚氨酯球磨罐、氧化鋯陶瓷球作為球磨設備，使用酸性溶液作為球磨介質(zhì)，能夠成功避免球磨過(guò)程中雜質(zhì)的引入，而且可在一定程度上去除硅微粉中的含鐵雜質(zhì)，有效降低結晶硅微粉的生產(chǎn)成本。
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