专利名称：超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法
技术领域：
本发明属于无机精细化学品生产领域，具体涉及水玻璃的生产方法。
背景技术：
超纯硅溶胶(金属元素与二氧化硅的质量之比小于lOOOppra的硅溶胶)具有金属元素含 量低的特点，用于半导体器件生产过程中的化学机械抛光、高档耐火材料生产等行业，是 一种在当前很有市场前景的无机精细化学品。
目前超纯硅溶胶的生产方法是采用昂贵的有机硅为原料经水解制得，或者采用昂贵的气 相白碳黑为原料在机械力的作用下分散成胶体溶液。
水玻璃可用于生产普通硅溶胶，但是现有工艺生产的水玻璃产品由于杂质问题无法生产 获得超纯硅溶胶。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的水玻璃生产方法，经过本发明工艺生产获得的水玻璃完全 可作为超纯硅溶胶的原料，用于生产超纯硅溶胶。
研究表明，传统的水玻璃离子交换法之所以生产不出超纯硅溶胶，其原因在于传统工艺 生产的水玻璃中含有大量的杂质阴离子，杂质阴离子的存在影响了金属离子的交换程度， 水玻璃经阳离子树脂交换后尚有大量的金属离子残留在溶液中，用该溶液合成的硅溶胶其 二氧化硅胶粒内部、胶粒表面以及溶液中尚含有较多的金属元素，因此采用水玻璃为原料 难以达到生产超纯硅溶胶的目的。
本发明以石英砂或石英粉及碱为原料，经煅烧法或湿法生成水玻璃，本发明的工艺通 过控制原料中杂质阴离子的含量，使得获得水玻璃杂质阴离子含量低，该工艺获得的水玻 璃可作为超纯硅溶胶的原料生产获得超纯硅溶胶。
本发明公开了一种超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，以石英砂或石英粉及碱 为原料，经煅烧法或湿法生成水玻璃，其中-
3石英砂或石英粉中，二氧化硅摩尔数与杂质阴离子摩尔数(cr、 so4—2等所有水溶性阴 离子)之比大于ioo，比值越大所制成的水玻璃中杂质阴离子相对含量越小，实验表明比值 大于ioo能达到制作超纯硅溶胶的要求。
碱中，将含钠化合物折算为氧化钠，将含钾化合物折算为氧化钾，折算后的氧化钠与 氧化钾的摩尔数之和与杂质阴离子(cr、s(v2等所有水溶性阴离子)的摩尔数之比大于ioo。 比值越大所制成的水玻璃中杂质阴离子相对含量越小，实验表明比值大于ioo能达到制作 超纯硅溶胶的要求。
上述碱中无机盐(除碳酸钠和碳酸钾之外的无机盐)含量必须小于鄉。
上述煅烧法即为将石英砂(主要成分为二氧化硅)与碱磨细拌匀后，在熔炉内于
1300-140(TC下熔化，生成固体水玻璃，溶解于水成液体水玻璃。
上述湿法即为将石英粉与烧碱为原料，加水成浆液，在高压釜内通入7-8个大气压的 水蒸汽，直接生成液体水玻璃。
煅烧法或湿法生成的固体水玻璃采用去离子水溶解。上述去离子水经硝酸根检测无氯 离子。
上述超纯硅溶胶指金属元素与二氧化硅的质量之比小于1000ppm的硅溶胶。 上述石英砂或石英粉为天然石英石经机械粉碎而成，主要成分为二氧化硅。 上述石英砂或石英粉中，二氧化硅的重量百分含量在98%以上(包括98%)。 石英砂或石英粉原料中的杂质阴离子的量必须有所控制，二氧化硅摩尔数与杂质阴离
子摩尔数(cr、 scv2等所有水溶性阴离子)之比需大于ioo，符合该要求的原料可经市售途
径获得，如连云港贸原石英制品有限公司的特级石英砂。必要时可釆用去离子水漂洗，至 洗出液用硝酸银检测无氯离子为止。
上述碱可选自烧碱、纯碱、碳酸钾、氢氧化钾中的任意一种或几种，采用湿法生产时 的碱是烧碱或氢氧化钾中的 一种或两种。
上述碱的纯度通常在98%以上。
经本发明的方法生产的水玻璃中，杂质阴离子能得到有效的控制(二氧化硅的摩尔数 与杂质阴离子的摩尔数之比大于150)。可用作生产超纯硅溶胶的原料，有效降低了超纯硅 溶胶的生产成本。
具体实施例方式
以下列举具体实施例以进一步阐述本发明，应理解，实施例并非用于限制本发明的保 护范围。
原料-
石英砂或石英粉
60目连云港贸原石英制品有限公司的特级石英砂二氧化硅 纯度99.9% 二氧化硅 的摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比〉100
120目 连云港贸原石英制品有限公司的一级石英砂二氧化硅纯度99.8% 二氧 化硅的摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比M00
400目 连云港贸原石英制品有限公司的二级石英砂二氧化硅纯度为99.9% 二氧 化硅的摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比>100
氢氧化钠纯度98%无机盐(除碳酸钠及碳酸钾之外的无机盐)的重量百分含量为0. 3%氧 化钠与氧化钾的摩尔数之和与杂质阴离子的摩尔数之比〉100
氢氧化钾纯度98%无机盐(除碳酸钠及碳酸钾之外的无机盐)的重量百分含量为0.3%氧 化钠与氧化钾的摩尔数之和与杂质阴离子的摩尔数之比〉100 去离子水经硝酸根检测无氯离子
指标检测方法
石英砂中二氧化硅的摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比的检测方法-
二氧化硅摩尔数的检测方法按SJ3228. 4-1989。
石英砂中杂质阴离子的检测方法把制成的水玻璃配成二氧化硅含量1%左右溶液，经带 H+的阳离子树脂充分交换，用氢氧化钠滴定酸的摩尔数，然后减去碱中杂质阴离子的摩尔 数(将对应量的碱配成溶液经带H+的阳离子交换树脂充分交换后用氢氧化钠滴定酸的摩尔 数后获得，碳酸钾与碳酸钠经S0(TC高温煅烧后成氧化钠和氧化钾后按相同方法测定杂 质阴离子的摩尔数)。
碱中盐份的测定方法将碱溶解经带H+的阳离子树脂充分交换后用氢氧化钠溶液进行酸碱 滴定，把酸值换算成Cr的摩尔数，再折算成氯化钠的重量百分比。碳酸钾与碳酸钠经800°C高温煅烧后成氧化钠和氧化钾后按相同方法测定盐份的含量。
实施例1
将石英砂100份(二氧化硅含量99.9%、 60目、经去离子水漂洗至用硝酸银检测洗液无 氯离子存在)与38.1份烧碱(含量98.0%)混合，经高温煅烧至熔融，冷却后加250份去 离子水，再经高温G35'C)溶解得液体水玻璃，以该水玻璃为原料按常规方法经离子交换 后制得原硅酸，然后按常规方法将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超纯硅溶胶中二 氧化硅的浓度为30%，金属元素含量为9ppm，金属元素与二氧化硅的质量之比为30ppm。
实施例2
将石英粉100份(二氧化硅含量98.0%、 120目、经去离子水漂洗至用硝酸银检测洗液 无氯离子存在)与71份纯碱(含量98.0%)混合，经高温煅烧至熔融，冷却后加250份去离 子水，再经高温(135°C)溶解得液体水玻璃，以该水玻璃为原料经离子交换后制得原硅酸， 然后将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超纯硅溶胶中二氧化硅的浓度为30%，金属元 素含量为12ppm，金属元素与二氧化硅的质量之比为40ppm。
实施例3
将石英砂100份(二氧化硅含量98.0%、 60目、经去离子水漂洗至用硝酸银检测洗液无 氯离子存在)与140份碳酸钾(含量98.0%)混合，经高温煅烧至熔融，冷却后加250份去离 子水，再经高温(135'C)溶解得液体水玻璃，以该水玻璃为原料经离子交换后制得原硅酸， 然后将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超纯硅溶胶中二氧化硅的浓度为30%,金属元 素含量为3ppm，金属元素与二氧化硅的质量之比为10ppm。
实施例4
将石英粉100份(二氧化硅含量98.0%、 120目、经去离子水漂洗至用硝酸银检测洗液 无氯离子存在)与78份氢氧化钾(含量98.0%)混合，经高温煅烧至熔融，冷却后加250份 去离子水，再经高温(135°C)溶解得液体水玻璃，以该水玻璃为原料经离子交换后制得原 硅酸，然后将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超纯硅溶胶中二氧化硅的浓度为30%， 金属元素含量为0. 9ppm，金属元素与二氧化硅的质量之比为3ppm。实施例5
将石英砂100份(二氧化硅含量99.9%、 60目、经去离子水冲洗至用硝酸银检测洗液无 氯离子存在)、55份烧碱(含量98.0%)、 350份去离子水，经高温溶解得液体水玻璃，以该 水玻璃为原料经离子交换后制得原硅酸，然后将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经检测，超 纯硅溶胶中二氧化硅的浓度为30%，金属元素含量为9ppm，金属元素与二氧化硅的质量之 比为30ppm。
实施例6
将石英粉100份(二氧化硅含量98.0%、 120目、经去离子水冲洗至用硝酸银检测洗液 无氯离子存在)与97份氢氧化钾(含量98.0%)、 300份去离子水，经高温溶解得液体水玻 璃，以该水玻璃为原料经离子交换后制得原硅酸，然后将原硅酸聚合制得超纯硅溶胶，经 检测，超纯硅溶胶中二氧化硅的浓度为30%，金属元素含量为12ppm，金属元素与二氧化硅 的质量之比为40ppm。
权利要求
1. 一种超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，以石英砂或石英粉及碱为原料，经煅烧法或湿法生成水玻璃，其特征在于所述石英砂或石英粉中，二氧化硅摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比大于100；碱中，将含钠化合物折算为氧化钠，将含钾化合物则算为氧化钾，折算后的氧化钠与氧化钾的摩尔数之和与杂质阴离子的摩尔数之比大于100。
2. 如权利要求1所述超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，其特征在于所述碱中除 碳酸钠和碳酸钾之外的无机盐含量小于8%。
3. 如权利要求1所述超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，其特征在于所述石英砂或石英粉的纯度在98%以上，所述碱的纯度在98%以上。
4. 如权利要求1所述超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，其特征在于采用煅烧法时，所述碱选自烧碱、纯碱、碳酸钾或氢氧化钾中的任意一种或几种，采用湿法时，所 述碱选自烧碱或氢氧化钾中的 一种或两种。
5. 如权利要求1所述超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，其特征在于煅烧法或湿法生成的固体水玻璃所采用去离子水溶解。
6. 如权利要求5所述超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，其特征在于所述去离子水经硝酸根检测无氯离子。
7. 如权利要求1-6中任一权利要求所述超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，其特征 在于所述石英砂采用去离子水漂洗至洗出液用硝酸银检测无氯离子为止。
全文摘要
本发明公开了一种超纯硅溶胶生产原料用水玻璃的制造方法，以石英砂或石英粉及碱为原料，经煅烧法或湿法生成水玻璃，其中，石英砂或石英粉中，二氧化硅摩尔数与杂质阴离子摩尔数之比大于100；碱中，将氧化钠与氧化钾的摩尔数之和与杂质阴离子的摩尔数之比大于100。本发明的工艺制得的水玻璃可用作生产超纯硅溶胶的原料，有效降低了超纯硅溶胶的生产成本。
文档编号C01B33/32GK101462730SQ20081020499
公开日2009年6月24日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者刘卫丽, 宋志棠, 潘忠才 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所