气相二氧化硅的制备方法及其特性

2020-11-26张吉武

商品与质量 2020年9期

张吉武

新疆晶硕新材料有限公司新疆乌鲁木齐 830000

1 气相二氧化硅的制备方法

在制备气相二氧化硅时，需要制备人员对气相二氧化硅的原材料进行分析，主要为卤硅烷、四氟化硅以及甲基三氯化硅等，根据上述物质的性质，确定制备方法。在制备过程中，需要将卤硅烷放置在氢气环境中进行充分的燃烧，随后进行水解，制备人员提炼水解中的二氧化硅粒子，并经过一系列的操作，包括骤冷、聚集、分离以及脱酸等，最终得到气相二氧化硅。

在上世纪中期，制备气相二氧化硅时，主要使用四氯化硅，该原料只需简单的制备方法，即可获得气相二氧化硅，但是需要花费较高的成本。在有机硅单体技术发展过程中，该技术用于制备气相二氧化硅时，会产生甲基三氯硅烷等副产物，即便控制制备成本，但是质量无法满足使用标准。在上世纪八十年代开始，研究人员利用制备过程中产生的副产物，将副产物与四氯化硅进行混合，即可得到成本更低的气相二氧化硅，并且操作较为简单[1]。

在气相二氧化硅制备过程中，根据制备原理，依照化学公式SiCl4+2H2+O2=SiO2+H2O+4HCl、CH3SiCl3+2H2+3O2=SiO2+3HC l+CO2+2H2O。上述化学反应作为制备气相二氧化硅的新方法，可以使有机硅单体和气相二氧化硅，在连续的制备过程中获得，从而提高副产物的利用率。在制备期间产生的副产物，与有机硅单体继续反应。硅元素与氯甲烷反应后，会产生二甲基二氯硅烷和甲基三氯硅烷，二甲基三氯硅烷继续反应，最终得到气相二氧化硅，气相二氧化硅可以投入到生产硅橡胶等有机硅产品。此外根据上述制备过程，生产气相二氧化硅的企业，需要与大型有机硅单体公司建立长期的合作关系，才能提高生产效率，获得良好的经济效益。

2 气相二氧化硅的性质

2.1 气相二氧化硅的结构

气相二氧化硅具有无定性氧化物性质，在制备过程中，将有机卤硅烷物质放入到氢环境中高温燃烧，随后进行水解后，会产生粒径在7-40nm范围内的粒子，该粒子在热分子运动状态下，在远离火源的过程中聚集成气相二氧化硅，此时的粒子组成的形态具有不规则特点，通常以支链型结构为主，同时粒子在相互作用后，不断增强气相二氧化硅聚集能力，气相二氧化硅不会受到外力的作用而发生变化。

2.2 气相二氧化硅的表面性质

组成气相二氧化硅的原生粒子，在聚集过程中，其表面性质主要参考液氮BET表面积中粒子大小为参考依据。现阶段在对液氮BET表面积粒子进行分析时，通常按照产品的牌号，比较不同牌号粒径大小，以便确定表面性质。通常情况下，气相二氧化硅的表面积，会在每克100-400平方米范围内。此外气相二氧化硅若由卤化硅烷原料制备，进入到水解环节，羟基聚集在气相二氧化硅表面，该物质会影响到气相二氧化硅的表面性质，并且将水解温度提升至850℃时，才能去除该物质。

在气相二氧化硅的表面，会由以下结构组成，包括硅氧基、孤立羟基、邻位羟基以及双重羟基。在对有机硅烷进行处理时，需要将ClSiR基团转变为SiRCl。在对醇类处理时，SiOH会与ROH反应，反应后生成水和SiOR。在对胺类进行处理时，SiOH物质反应后，最终生成SiONRRR和水。

2.3 气相二氧化硅的表面处理

在气相二氧化硅的表面，会存在较多的硅羟基，硅羟基具有较强的吸水性，气相二氧化硅在使用过程中，会吸收周围环境的水分，无法发挥气相二氧化硅的防水作用。此外由于表面存在硅羟基，无法与硅橡胶中的氧氢结合，在无法结合的状态下，气相二氧化硅会使橡胶的结构性状态更加明显。所以在对气相二氧化硅的表面处理时，首先进行疏水处理，使表面的有机物和硅羟基，通过反应建立化学键，在化学键的建立过程中，硅羟基数量不断减少，有效提升气相二氧化硅的相容性。现阶段在工业生产过程中，对表面进行处理时，使用二甲基二氯硅烷、三甲基氯烷等处理剂，通常会与硅羟基反应[2]。

早期使用的处理方法，以间歇式方法为主，尽管该方法操作简单，但是无法提高处理质量，同时会消耗较多的处理剂，造成表面处理成本不断提高。许多国家在处理气相二氧化硅的表面时，采用连续化在线处理方法，在气相二氧化硅制备的同时，加入表面处理剂与硅羟基进行反应，不仅提高处理效率，还能降低成本，避免硅羟基等物质产生的污染物破坏生态环境。

2.4 气相二氧化硅的其他性质

提高气相二氧化硅制备纯度，需要使用纯度较高的原料，并且在制备期间，在密闭性的环境中进行，避免杂质进入影响制备纯度。高纯度的气相二氧化硅中，二氧化硅含量在99．8%以上，并且折光率为1．46，此时气相二氧化硅具备良好的导电功能。

3 气相二氧化硅的产品标准

在气相二氧化硅制备过程中，制备的气相二氧化硅需要按照相应的标准进行检验。现阶段产品检验标准，依据ISO3262-20:2000标准，一方面明确气相二氧化硅的制备标准，另一方面明确产品标准。此外在气相二氧化硅应用在不同领域时，都需要依照不同的标准。以军工领域制备气相二氧化硅为例，军工领域的产品标准要高于民用产品标准，而民用标准都会由企业自行制定。所以规范气相二氧化硅产品标准，需要更多的企业参与，如广州某企业制定的气相二氧化硅产品标准，基于ISO3262-20：2000标准的同时，经过不断的优化和完善，已经满足各领域使用气相二氧化硅产品的需求。我国正在积极的制定气相二氧化硅产品标准，为推动我国气相二氧化硅发展奠定坚实的基础[3]。