專利名稱：一種用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃的生產方法
技術領域：
本發明屬于無機精細化學品生產領域，具體涉及水玻璃的生產方法。
背景技術：
超純硅溶膠(金屬元素與二氧化硅的質量之比小于1000ppm的硅溶膠)具有金屬元素含 量低的特點，用于半導體器件生產過程的化學機械拋光、高檔耐火材料生產等行業，是一 種在當前很有市場前景的無機精細化學品。
目前超純硅溶膠的生產方法是采用昂貴的有機硅為原料經水解制得，或者采用昂貴的氣 相白碳黑為原料在機械力的作用下分散成膠體溶液。
水玻璃可用于生產普通硅溶膠，但是現有工藝生產的水玻璃產品由于雜質問題無法生產 獲得超純硅溶膠。
發明內容
本發明的目的是提供一種新的水玻璃生產方法，經過本發明工藝生產獲得的水玻璃完全 可作為超純硅溶膠的原料，用于生產超純硅溶膠。
研究表明，傳統的水玻璃離子交換法之所以生產不出超純硅溶膠，其原因在于傳統工藝 生產的水玻璃中含有大量的雜質陰離子，雜質陰離子的存在影響了金屬離子的交換程度， 水玻璃經陽離子樹脂交換后尚有大量的金屬離子殘留在溶液中，用該溶液合成的硅溶膠其 二氧化硅膠粒內部、膠粒表面以及溶液中尚含有較多的金屬元素，因此采用水玻璃為原料 難以達到生產超純硅溶膠的目的。
本發明以硅為原料，在堿性條件下與水反應放出氫氣生成水玻璃，本發明的工藝通過原 料及工藝條件的控制，使得獲得水玻璃雜質陰離子含量低，該工藝獲得的水玻璃可作為超 純硅溶膠的原料生產獲得超純硅溶膠。
本發明公開了一種用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，包括下列步驟
1.在加有去離子水的容器中，在攪拌狀態下加入水可溶性堿溶解，然后加入工業硅粉， 常壓下逐漸升溫，反應溫度控制在40-IO(TC，最佳溫度控制在85-IO(TC，隨反應產
3生的氣體排出的水蒸汽經冷卻回流至反應容器內。 2.反應結束后，冷卻，經過濾或沉降后獲得水玻璃水溶液。
上述超純硅溶膠指金屬元素與二氧化硅的質量之比小于lOOO卯m的硅溶膠。
上述去離子水經硝酸根檢測無氯離子。
上述水可溶性堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
上述工業硅粉的主要成份為單質硅，符合GB288卜9標準，可經市售途徑獲得。工業硅 粉的粒徑優選20-400目。
上述工業硅粉按GB2881-9標準檢測，硅元素的重量百分含量在98%以上(含98%)。 步驟1中，加入去離子水的量是依據所需水玻璃的濃度來加減的，通常加入去離子水的 質量與工業硅的質量比在7-20，優選為8-12。
所述工業硅粉中，雜質陰離子的量必須有所控制，所選的工業硅粉原料中，硅的摩爾 數與雜質陰離子(Cr、 S—2、 S(V2等所有水溶性陰離子之和)摩爾數之比大于100，符合該要 求的原料可經市售途徑獲得，如濟南銀峰硅業的553#120目硅粉。
上述硅粉中硅元素的摩爾數與雜質陰離子摩爾數總和之比是研究獲得的反映所生成水 玻璃雜質陰離子多少的一個參數，大于100意味著雜質陰離子數量相對較抵，試驗表明， 比值大于100能夠達到超純硅溶膠的要求，反之不能達到超純硅溶膠的要求。
步驟1中，堿的加入量是依據所需水玻璃模數來確定的，通常，原料中，硅元素的摩爾 數與水可溶性堿中的金屬化合物折算為金屬氧化物(包括氧化鈉和/或氧化鉀)后的摩爾數 之比為1.0-5.0，優選3. 5。
所述水可溶性堿中所含鹽份的重量百分比(以雜質陰離子價位摩爾數折算成等同摩爾數 的氯離子對應的氯化鈉的重量后計算重量百分比)含量必須小于8%，更優的是小于2%。
上述步驟2中反應結束的判斷標準是容器中不再產生氫氣， 一般須經4-10小時。
步驟2中的過濾方式可為濾布過濾。
本發明通過調整硅、堿(種類、純度、數量)、水(數量、純度)的配比可以很方便地 對水玻璃的模數、純度、固含量實行有效的控制；且本方法在常壓下生產，無需高溫煅燒 和加壓高溫水解；本方法生產的水玻璃經濾布過濾或沉降后外觀澄清透明；本發明的工藝 制得的水玻璃水溶液澄清透明，雜質陰離子獲得了有效的控制，可用作生產超純硅溶膠的 原料，有效降低了超純硅溶膠的生產成本。
具體實施例方式
以下列舉具體實施例以進一步闡述本發明，應理解，實施例并非用于限制本發明的保 護范圍。
原料 工業硅粉
20目 濟南銀峰硅業 純度為98.5%
80目 濟南銀峰硅業純度為98. 3%
400目濟南銀峰硅業純度為98. 7% 氫氧化鈉鹽分的重量百分含量為0.2% 氫氧化鉀鹽分的重量百分含量為0. 2%
去離子水經硝酸根檢測無氯離子 指標檢測方法
工業硅粉中硅的摩爾數與雜質陰離子摩爾數之比的檢測方法
硅粉中硅的摩爾數按GB2881-9檢測。
工業硅粉中的雜質陰離子摩爾數為將生成的水玻璃經帶H+的陽離子交換樹脂充分交換后 用氫氧化鈉滴定酸的摩爾數，然后減去堿中雜質陰離子的摩爾數(即將堿溶液經帶fT的陽 離子交換樹脂充分交換后用氫氧化鈉滴定酸的摩爾數)獲得。 堿中鹽分重量百分含量的檢測方法-將堿溶液經帶H+的陽離子交換樹脂充分交換后用氫氧化鈉滴定酸值，把酸值換算成cr的 摩爾數，再折算成氯化鈉的重量百分比。
實施例1
在1000ml帶有回流冷凝器的三口燒餅中加入去離子水800ml,氫氧化鈉(純度為98%) 40克，工業硅粉(80目)30克，逐漸升溫至80-95°C，反應8個小時后冷卻，再經沉降或 過濾得澄清透明的水玻璃溶液。以該水玻璃為原料按常規方法經離子交換后制得原硅酸， 然后將原硅酸按常規方法聚合制得超純硅溶膠，經檢測，超純硅溶膠中二氧化硅的質量百 分比濃度為30%，金屬元素含量為9ppm，金屬元素與二氧化硅的質量之比為30ppm。
硅的摩爾數與雜質陰離子摩爾數之比〉100 硅的摩爾數與雜質陰離子摩爾數之比>100 硅的摩爾數與雜質陰離子摩爾數之比〉100
5實施例2
在1000ml帶有回流冷凝器的三口燒餅中加入去離子水800ml,氫氧化鉀(含量98%) 57 克，工業硅粉(80目)30克，逐漸升溫至80-95°C,反應8個小時后冷卻，再經沉降或過 濾得水玻璃。以該水玻璃為原料經離子交換后制得原硅酸，然后將原硅酸聚合制得超純硅 溶膠，經檢測，超純硅溶膠中二氧化硅的質量百分比濃度為30%，金屬元素含量為12ppm， 金屬元素與二氧化硅的質量之比為40ppm。
實施例3
在1000ml帶有回流冷凝器的三口燒餅中加入去離子水800ml，氫氧化鈉(含量9鄉)23 克，工業硅粉(20目)30克，逐漸升溫至85-IO(TC，反應10個小時后冷卻，再經沉降或 過濾得水玻璃。以該水玻璃為原料經離子交換后制得原硅酸，然后將原硅酸聚合制得超純 硅溶膠，經檢測，超純硅溶膠中二氧化硅的質量百分比濃度為30%，金屬元素含量為30ppm, 金屬元素與二氧化硅的質量之比為100ppm)。
實施例4
在1000ml帶有回流冷凝器的三口燒餅中加入去離子水800ml，氫氧化鉀(含量98%) 33 克，工業硅粉(400目)30克，逐漸升溫至40-55°C，反應6個小時后冷卻，再經沉降或過 濾得水玻璃。以該水玻璃為原料經離子交換后制得原硅酸，然后將原硅酸聚合制得超純硅 溶膠，經檢測，超純硅溶膠中二氧化硅的質量百分比濃度為30%，金屬元素含量為33ppm， 金屬元素與二氧化硅的質量之比為110ppm。
權利要求
1. 一種用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，包括下列步驟a、在加有去離子水的容器中，加入水可溶性堿溶解，然后加入工業硅粉，常壓下逐漸升溫，反應溫度控制在40-100℃，隨反應產生的氣體排出的水蒸汽經冷卻回流至反應容器內；b、反應結束后，冷卻，經過濾或沉降后獲得水玻璃水溶液。
2. 如權利要求1所述用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，其特征在于，所述去離 子水用硝酸銀檢測無氯離子。
3. 如權利要求l所述用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，其特征在于，所述水可 溶性堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
4. 如權利要求1所述用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，其特征在于，所述工業 硅粉的粒徑為20-400目。
5. 如權利要求1所述用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，其特征在于，所述工業 硅粉按GB2881-91標準，硅元素的重量百分含量在98%以上。
6. 如權利要求1所述用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，其特征在于，所述水可 溶性堿中所含鹽份的重量百分含量小于8%。
7. 如權利要求1-6中任一權利要求所述用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，其特 征在于，所述工業硅粉中，硅的摩爾數與雜質陰離子摩爾數之比大于100。
全文摘要
本發明公開了一種用作超純硅溶膠生產原料的水玻璃生產方法，包括下列步驟在加有去離子水的容器中，加入水可溶性堿溶解，然后加入工業硅粉，常壓下逐漸升溫，反應溫度控制在40-100℃，隨反應產生的氣體排出的水蒸汽經冷卻回流至反應容器內，反應結束后，冷卻，經過濾或沉降后獲得水玻璃水溶液。本發明的工藝制得的水玻璃可用作生產超純硅溶膠的原料，有效降低了超純硅溶膠的生產成本。
文檔編號C01B33/32GK101462729SQ20081020499
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者劉衛麗, 宋志棠, 潘忠才 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所