安徽太湖脉石英制备高品质电子级硅微粉的试验研究

周新军,李佩悦,2,尚德兴,吴建新

(1.中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司，蚌埠 233010；2.武汉理工大学环境与资源工程学院，武汉 430070)

硅微粉(SiO2)由于其独特的物理化学性质，在航空航天、电子科技、机械、医药以及化妆品产业有广泛的应用，随着国内科学技术的飞速发展，硅微粉需求日益增加，对其性能和品质的要求也更加苛刻。

硅微粉一般由天然石英矿物经破碎、粉磨、浮选、酸浸提纯和去离子水清洗处理等多重工艺加工制作而成。对硅微粉进一步采用改性剂等进行表面改性处理，可制得活性硅微粉。活性硅微粉增强了硅微粉的憎水性能、提高了混合料以及填充系统的机械和化学特性。目前国内普通硅微粉生产应用较多，生产加工工艺成熟，科研工作者对硅微粉的制备技术进行了较多研究。蒋述兴等[1]采用钇稳定氧化锆球为研磨介质，研究了不同磨矿条件下硅微粉的形貌特征及硅微粉的污染情况。张宇平等[2]采用含斜绿泥石的粉石英制备硅微粉，研究了浮选和酸提纯的作用和反应机理，制备的硅微粉中SiO2含量99.86%、Al2O30.090%、Fe2O30.010%。侯波等[3]以四川江油石英砂岩为原料，通过球磨擦洗工艺制备Fe2O3含量为0.009 8%，白度为87.5的电子硅微粉。

该试验以太湖某地脉石英矿物为原料，在对其进行矿物学分析的基础上，采用了多种选矿工艺严格控制石英中杂质含量，然后通过磨矿、离子清洗、改性等工艺制备出高品级电子硅微粉，对太湖地区大量的石英资源高效利用有一定借鉴意义。

1 原矿特征及预处理

1.1 化学成分

采用全谱直读等离子体发射光谱仪(ICP)对矿样进行化学成分分析，结果见表1。根据ICP分析，石英化学纯度较高，SiO2高达99.67%，杂质元素含量较少，主要为Fe、Al、Ca、K及Na。

表1 石英矿样品化学成分分析 /%

1.2 矿物组成及特征

矿物为块状构造，结构致密，硬度较大，外观呈半透明或白色，有玻璃光泽，矿物表面部分铁质浸染。光学显微镜分析，矿物主要成分为石英，脉石英矿物主要为少量云母、褐铁矿和方解石，云母主要分布在石英边缘或以矿物包裹体形式存在，褐铁矿和方解石充填于石英颗粒内发育的少量裂隙中。石英表面和不同层面，可见大量的气液包体，少数颗粒内可见锆石矿物包体。

1.3 石英砂制备

采用鄂式破碎机对安徽太湖石英矿进行多段破碎，获得-3.2 mm的石英砂。将石英砂加入湿式棒磨机进行磨矿，通过检查筛分控制产物粒度在0.6 mm以下，然后矿浆通过水力分级和磁选进行分选，去除破碎和磨矿过程中掺入的部分铁质，处理后的石英精砂杂质含量大幅降低，强磁精砂指标SiO2，99.84%；Al2O3，0.012%；Fe2O3，0.004 6%。

2 试验研究

2.1 介质擦洗试验

为继续分离出强磁精砂中的杂质，对其采用酸性介质进行擦洗提纯试验。擦洗需要对石英矿物高速搅拌，利用机械力和砂粒间的磨剥力来除去石英砂表面的薄膜铁，同时增加酸介质与矿物表面杂质的接触概率，加快酸介质对含铁化合物的溶解速度。

1)介质浓度对擦洗效果的影响 使用硫酸作为擦洗介质进行试验，硫酸相对矿物用量分别为5 kg/t、10 kg/t、20 kg/t、30 kg/t、40 kg/t、50 kg/t，介质擦洗时间20 min，采用精砂中Fe2O3含量表征擦洗效果，硫酸用量与擦洗效果的关系如图1所示。随着介质浓度由5 kg/t增加至30 kg/t过程中，精砂中Fe2O3含量先显著降低，硫酸用量增加至30 kg/t后，下降斜率趋缓，硫酸用量超过40 kg/t，Fe2O3含量不再降低，为达到最佳试验效果，硫酸用量确定为40 kg/t比较合适。

2)搅拌时间对擦洗效果的影响 硫酸浓度为40 g/L，按照5 min、10 min、15 min、20 min、25 min的搅拌时间进行擦洗试验，得到搅拌时间与擦洗效果的关系如图2所示。随着搅拌时间增加，精砂中Fe2O3含量先降低后趋于稳定，作用时间15 min已经能够达到最佳效果，石英中杂质含量明显降低，分析精砂的化学组成为：SiO2，99.90%；Al2O3，0.050%；Fe2O3，0.001 9%，石英质量较好。

2.2 磨矿试验

为制备满足JGH-1000标准电子级硅微粉[4]，物料中-10 μm粒度含量需高于65%，采用XMCQ180×200瓷衬球磨机进行磨矿，磨矿介质为钇稳定氧化锆球。

2.2.1 磨矿时间与产品粒度的关系

按照磨矿时间分别为1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h、3.5 h、4 h进行磨矿，对磨矿产物采用马尔文激光粒度仪进行粒度测试，分别统计粒度处于-10 μm、-25 μm粉体的质量分数，试验结果如图3所示，磨矿2 h后产物-10 μm含量为67.2%，可满足JG-1000粉体的粒度要求。

2.2.2 球料比对产品的影响

磨矿介质是磨矿中能量转换媒介，球料比直接关系到能量转换的效率[5]。入料质量不变的条件下，采用不同质量氧化锆球进行磨矿试验，试验结果如图4所示。在磨矿介质球与物料质量比从10增加到至14过程中，粉体-10 μm含量依次增加，磨矿效率有较大提升，继续增加磨矿介质，磨矿效率的提升较幅度微弱，球料比在14比较适合。

2.3 离子清洗试验

电子级硅微粉广泛应用于集成电路、电子元件的塑封料和包装料中，硅微粉中存在的游离离子，会劣化其电学性能，因此成品中必须严格控制游离离子含量。硅微粉的加工过程中，由于石英内部解离和外部吸附的作用，硅微粉中会含有一定量的K+、Na+等离子，试验采用去离子水对硅微粉多次清洗，每次清洗去离子水用量与硅微粉质量比为1∶1，清洗后测试硅微粉萃取液电导率，清洗次数与硅微粉萃取液电导率关系如图5所示。

磨矿后所得的硅微粉萃取液电导率为12.3 μs/cm，不能满足电子级硅微粉的质量要求，采用去离子水清洗后，硅微粉萃取液的电导率快速下降，清洗三次之后，电导率值已经到达一个稳定区。为使硅微粉萃取液电导率达到5 μs/cm以下，清洗两次即可满足条件。

2.4 改性试验

由于直接磨矿后硅微粉细颗粒的含量多且表面能高，这些颗粒处于不稳定状态，大量细颗粒倾向通过团聚降低表面能，造成其在树脂体系中的分散性差，因此必须对硅微粉的表面进行改性。采用硅烷类偶联剂KH-570对颗粒表面进行处理，可将硅微粉亲水性表面转变为亲有机性表面，提高有机高分子材料对粉体的润湿性，一方面改善粉体在树脂体系中的分散性，另一方面通过官能团使硅微粉与有机高分子材料形成牢固的共价键界面结合。

偶联剂KH-570用量相对硅微粉质量分别为0、0.05%、0.1%、0.15%，温度120 ℃条件下，硅微粉在高速混合机中改性30 min，采用活化指数和吸油值表征改性效果，试验结果如图6所示。

改性后硅微粉的活化指数增加明显，吸油值降低，KH570用量为0.1%，偶联剂在硅微粉表面达到了较好包覆效果，粉体的表面性质得到明显改善，对该条件下活性硅微粉的化学成分和水萃取液的测试结果见表2，各项指标高于电子工业部SJ/T10675—2002标准要求。

表2 硅微粉各项指标

3 结 论

a.工艺矿物学研究表明，安徽太湖脉石英矿物石英纯度较高，矿物是少量云母、褐铁矿和方解石，采用“磨矿—分级—磁选”流程处理后，在硫酸用量40 kg/t条件下擦洗15 min后获得高品质石英精砂，化学组成为：SiO2，99.90%；Al2O3，0.050%；Fe2O3，0.001 9%，具有较高利用价值。

b.对擦洗后石英砂无污染球磨2 h，去离子水清洗两次，然后120 ℃条件下采用0.1% KH-570改性，所得粉体-10 μm含量68.0%，萃取液电导率3.01 μs/cm，粉体活化指数82.3%，指标高于电子工业部SJ/T10675—2002中电子级活性硅微粉质量要求。