二氧化硅的工业化生产.doc

二氧化硅的工业化生产
1.1 二氧化硅的种类
二氧化硅也称硅质原料,不仅包括天然矿物,也包括各种合成产品,其产品可分为结晶态和无定形态两类。
二氧化硅天然矿物通常包括结晶态二氧化硅矿物石英砂、脉石英、粉石英和无定形硅矿物硅藻土。
合成产品主要是白炭黑(无定形二氧化硅),包括气相白炭黑(气相二氧化硅)、沉淀白炭黑(沉淀二氧化硅)。
石英是二氧化硅天然矿物的主要矿物组分,化学成分为SiO2,玻璃光泽,断口呈油脂光泽。贝壳状断口,莫氏硬度7,密度2.65~2.66 。颜色不一,无色透明的叫水晶,乳白色的叫乳石英。按其结晶习性分,三方晶系的为低温石英,又叫 -石英;六方晶系的为高温石英,又称 -石英。
石英砂是一个矿产品的专门名词,它泛指石英成分占绝对优势的各种砂,诸如海砂、河砂、湖砂等。地质学按成因将它们划分为冲积砂、洪积砂、残积砂等。石英砂的矿物含量变化很大,以石英为主,其次包含各类长石、岩屑、重矿石(石榴子石、电气石、辉石、角闪石、榍石、黄玉、绿帘石、钛铁矿等)以及云母、绿泥石、黏土矿物等。
石英砂岩,是一种固结的砂质岩石,常简称为砂岩,是自然界最常见、最普通的硅质矿物原料之一,其石英和硅质碎屑含量一般在95%以上,副矿物多为长石、云母和黏土矿物,重矿物含量很少。常见的重矿物有电气石、金红石、磁铁矿等。
石英岩是由石英砂岩或其他硅质岩石经过变质作用而形成的变质岩。脉石英是与花岗岩有关的岩浆热液矿脉,其矿物组成几乎全部为石英。
粉石英是一种颗粒极细、二氧化硅含量很高的天然石英矿。粉石英这一词过去叫法很多,它既包括天然的粉石英,同时也包括了由硅质矿物原料(石英岩、脉石英)加工而成的石英细粉。
硅砂是以石英为主要成分的砂矿飞总称。以天然颗粒状态从地表或地层中产出的硅砂,以及石英岩、石英砂岩风化后呈粒状产出的砂矿称为“天然硅砂”(或简称“硅砂”)。与此对应,将块状石英岩、石英砂岩粉碎成粒状则称“人造硅砂”。
1.2 二氧化硅的性质
1.2.1 性质
二氧化硅在自然界分布很广,如石英、石英砂等。白色或无色,含铁量较高的是淡黄色。密度2.65~2.66 。熔点1670℃(鳞石英);1710℃(方石英)。沸点2230℃。不溶于水微溶于酸,微粒时能与熔融和碱类起作用。
二氧化硅的化学式SiO2,式量60.08,也叫硅石,是一种坚硬难溶的固体。它常以石英、鳞石英、方石英三种变体出现。从地面往下16千米几乎65%为二氧化硅的矿石。天然的二氧化硅分为晶态和无定形两大类,晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。纯石英为无色晶体,大而透明的棱柱状石英为水晶。二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原子晶体,整个晶体又可以看作是一个巨大分子,SiO2是最简式,并不表示单个分子。无定形二氧化硅为白色固体或粉末。
二氧化硅的化学性质很稳定,不溶于水也不跟水反应,是酸性氧化物,不跟一般酸反应。二氧化硅的性质不活泼,它不与除氟、氟化氢和氢氟酸以外的卤素、卤化氢和氢卤素以及硫酸、硝酸、高氯酸作用。
氟化氢(氢氟酸)是唯一可使二氧化硅溶解的酸,生成易溶于水的氟硅酸。反应式如下所示:
SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O
二氧化硅与碱性氧化物
SiO2 + CaO =(高温) CaSiO3
二氧化硅能溶于浓热的强碱溶液:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
(盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞)
在高温下,二氧化硅能被碳、镁、铝还原:
SiO2+2C=Si+2CO↑
1.2.2 二氧化硅结构
在大多数微电子工艺感兴趣的温度范围内,二氧化硅的结晶率低到可以被忽略。尽管熔融石英不是长范围有序,但她却表现出短的有序结构,它的结构可认为是4个氧原子位于三角形多面的脚上。多面体中心是一个硅原子。这样,每4个氧原子近似共价键合到硅原子,满足了硅的化合价外壳。如果每个氧原子是两个多面体的一部分,则氧的化合价也被满足,结果就成了称为石英的规则的晶体结构。在熔融石英中,某些氧原子,成为氧桥位,与两个硅原子键合。某些氧原子没有氧桥,只和一个硅原子键合。可以认为热生长二氧化硅主要是由人以方向的多面体网络组成的。与无氧桥位相比,有氧桥的部分越大,氧化层的粘合力就越大,而且受损伤的倾向也越小。干氧氧化层的有氧桥与无氧桥的比率远大于湿氧氧化层。因此,可以认为,SiO2与其说是原子晶体,却更近似于离子晶体。氧原子与硅原子之间的价键向离子键过渡。
二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维和耐火材料的原料。
当二氧化硅结晶完美时就是水晶;二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙;二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石;二氧化硅晶粒小于几微米时,就组成玉髓、燧石、次生石英岩。
物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源,晶体属三方晶系的氧化物矿物,即低温石英(α-石英),是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英(β-石英)。石英块又名硅石, 主要是生产石英砂(又称硅砂)的原料, 也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料。
1.3 应用领域和用途
(1)玻璃
平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品(玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等)、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料
(2)陶瓷及耐火材料
瓷器的胚料和釉料,窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料
(3)冶金
硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂
(4)建筑
混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料(即水泥标准砂)等
(5)化工
硅化合物和水玻璃等的原料,硫酸塔的填充物,无定形二氧化硅微粉
(6)机械
铸造型砂的主要原料,研磨材料(喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等)
(7)电子
高纯度金属硅、通讯用光纤等
(8)橡胶、塑料 填料(可提高耐磨性)
在PVC地板中,粉石英主要作为填料,细度在320目,填充量为16%~18%;在PVC耐酸板管中,粉石英填料细度为400目,填充量为10%~15%,在塑料薄膜中,粉石英填料细度在600目以上,填充量为10%~12%。
(9)油漆、涂料 (可提高涂料的耐候性)
硅藻土由于具有不同的粒子形状和结构特征,再加上极高的吸油量,涂料中用它作为消光剂,主要用于平光乳胶漆和清漆、底漆及某些混凝土涂料中,它还在涂料中用作增加遮盖性颜料遮盖力的填料。
2.1 白炭黑
白炭黑是一种人工合成的无定形二氧化硅超微粒子填料,白炭黑是多孔性物质,化学名称水合二氧化硅,分子式SiO2?nH2O(其中nH2O是以表面羟基的形式存在),是微细粉末状或超细粒子状的二氧化硅,粒径小于100nm,通常为20~60nm,化学纯度高(高纯者SiO2达99.8%)。分散性好,比表面积大,密度2.319~2.653g/cm3,熔点1750℃。能溶于苛性碱和氢氟酸,不溶于水、溶剂和酸(氢氟酸除外)。耐高温、不燃、无味、无嗅、具有很好的电绝缘性。
白炭黑按制造工艺大体分为:气相法(气相法白炭黑、气相二氧化硅);沉淀法(沉淀法白炭黑、沉淀法二氧化硅)。
气相法白炭黑是利用氯硅烷经氢氧焰高温水解制得的一种精细、特殊的无定形粉体材料,制备工艺复杂,价格昂贵。气相法白炭黑常态下为白色无定形絮状半透明固体胶状纳米粒子(粒径小于100nm),无毒,平均原生粒径为7~40nm,有巨大的比表面积,可达400m2/g。产品纯度高,SiO2含量不小于99.8%,是一种多功能的添加剂,广泛用于涂料,可起到增稠、触变、消光等作用。
沉淀法白炭黑又分为传统沉淀法白炭黑和特殊沉淀法白炭黑,前者是指以硫酸、盐酸、CO2与水玻璃为基本原料生产的二氧化硅,后者