专利名称：石英坩埚原料、石英坩埚原料的制备方法以及石英坩埚的制作方法
技术领域：
本发明属石英坩埚领域，具体涉一种石英坩埚原料、石英坩埚原料的制备方法以及一种石英坩埚。
背景技术：
石英坩埚是太阳能多晶硅铸锭中不可替代的消耗品，目前，市场主流制备方法为注浆成型工艺，属于典型的陶瓷湿法成型工艺，对注浆原料的性能要求较高。工艺性能良好的石英坩埚原料是获得高密度、微观结构均匀、无缺陷坯体的关键，也是提高材料的烧结性能和力学性能的重要因素。湿法成形技术的关键是如何制备固相含量高、粘度低、均匀稳定的浓悬浮浆料。石英坩埚原料的固相含量高(固相体积分数大于50%)，成型后素坯密度就大，素坯烧成后收缩小，尺寸变化小，而且强度也高。石英坩埚原料粘度低，即流动性好，才能保证注浆时石英坩埚原料能在石膏模具型腔中的流动，并易于流到模具型腔的各个部位，充满型腔，以得到外观完整的素坯。另外，石英坩埚原料的稳定性要好，注浆过程中不出现分层现象，确保素坯成型后各部分成分组成、密度相同。然而，石英坩埚原料的高固相含量和低粘度是一对矛盾的对立体，一般固相含量越高，固相颗粒间相对移动时，碰撞机会增加，碰撞阻力增大，流动性差，粘度也越大。再者，石英坩埚为大型铸件，熔融石英砂粉体细度达到微米级，固相粉体越细，含量越高，颗粒间的平均距离越小，吸引力越大，位移时所需克服的阻力越大，并且容易团聚沉降，使得流动性差，粘度大。因此，要制备出高固相含量、低粘度、稳定的石英坩埚原料并非易事。
发明内容
为了解决现有技术中制备的石英坩埚原料难以兼顾高固相含量及低粘度的技术问题，本发明提供一种石英坩埚原料及其制备方法，石英坩埚原料中石英砂固相含量高、粘度较低、稳定性好。本发明提供一种石英坩埚原料，包括石英混料和分散剂水溶液，石英混料包括熔融石英砂粉体和水；分散剂水溶液包括分散剂和水，分散剂包括水溶性低聚合度有机物和水溶性线型长链高分子有机物；水溶性低聚合度有机物的聚合度低于50，水溶性线型长链高分子有机物的聚合度为50-5000。本发明提供一种石英坩埚原料的制备方法，包括:将熔融石英砂粉体与水混合，球磨，得到石英混料，再将石英混料与分散剂水溶液一起，混合搅拌，得到石英坩埚原料。本发明还提供一种石英坩埚，该石英坩埚由本发明所提供的石英坩埚原料注浆成型烧结得到。本发明的发明人意外发现，以聚合度低于50的水溶性低聚合度有机物和聚合度为50-5000的水溶性线型长链高分子有机物的混合物作为分散剂，制备所得的石英坩埚原料固相含量高、粘度低、稳定性好，为注浆成型石英坩埚的生产提供了性能优异的原料，同时能够有效的提高石英坩埚产品的良率与性能。推测其原因为:聚合度为50-5000的水溶性线型长链高分子有机物能有效吸附SiO2颗粒，并伸展于水介质中，极大作用地阻止了微小颗粒因热运动产生碰撞而再次团聚。与聚合度低于50的水溶性低聚合度有机物混合后，由于长、短分子链相结合的空间位阻作用，阻止了固相颗粒的相互碰撞和团聚，降低了石英坩埚原料的粘度，改善了流动性和稳定性，同时也提高了石英坩埚的性能。本发明制备的石英坩埚原料中，本发明的发明人尤其发现，以聚乙二醇和阿拉伯树胶的混合物作为分散剂时，所得石英坩埚原料在具备较高固相含量的同时，粘度更低、稳定性更好，推测其原因为:具有短链分子结构的聚乙二醇填补阿拉伯树胶长分子链间形成的空隙，与微小的SiO2颗粒表面发生吸附作用，阻止了颗粒的团聚，而且，聚乙二醇和阿拉伯树胶能够更好的溶于酸性石英坩埚原料体系中，更为有效的吸附SiO2颗粒，且不影响表面电荷，也降低了颗粒聚集的几率。从表I中数据可以看出，以阿拉伯树胶与聚乙二醇的混合作为分散剂的石英坩埚原料，在68.4%的较高固含量下，同时还能达到120mPa *s以下的粘度和5s以下的流速。即采用阿拉伯树胶与聚乙二醇的混合作为分散剂，通过阿拉伯树胶和聚乙二醇与SiO2颗粒的共同作用， 可以获得最佳的分散效果，从而使制得的石英坩埚原料具有较高的固相含量、较低的粘度以及较好的稳定性。从表2中的数据也可以看出，以阿拉伯树胶与聚乙二醇的混合作为分散剂的石英坩埚原料，制备所得的石英坩埚，体积密度更大、显气孔率更低、抗折强度及耐压强度更高，即所得石英坩埚的性能更好。
具体实施例方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供一种石英坩埚原料，包括石英混料和分散剂水溶液，石英混料包括熔融石英砂粉体和水；分散剂水溶液包括分散剂和水，分散剂包括水溶性低聚合度有机物和水溶性线型长链高分子有机物；水溶性低聚合度有机物的聚合度低于50，水溶性线型长链高分子有机物的聚合度为50-5000。本发明提供的石英坩埚原料中，优选的，水溶性低聚合度有机物为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸中的一种或几种；更优选的，水溶性低聚合度有机物为聚乙二醇，聚乙二醇的分子量小于1000 ;进一步优选的，聚乙二醇可为聚乙二醇400、聚乙二醇200或聚乙二醇600中的一种或多种，以便于更好的填补石英坩埚原料中阿拉伯树胶长分子链间形成的空隙。本发明提供的石英坩埚原料中，优选的，水溶性线型长链高分子有机物为桃胶、明胶或阿拉伯树胶中的一种或几种；进一步优选的，水溶性线型长链高分子有机物为阿拉伯树胶，能够更好的溶于酸性石英坩埚原料体系中，更为有效的吸附SiO2颗粒，且不影响表面电荷，也降低了颗粒聚集的几率。本发明提供的石英坩埚原料中，优选的，以分散剂的质量百分含量为基准，水溶性低聚合度有机物的含量为30-70%，水溶性线型长链高分子有机物的含量为30-70%，从而达到更好的长短分子链比例。本发明提供的石英坩埚原料中，优选的，以石英坩埚原料的质量百分含量为基准，石英混料的含量为90-99.5%，分散剂水溶液的含量为10-0.5%，获得更为恰当的分散剂用量，从而更加有利于石英坩埚原料的分散。本发明提供的石英坩埚原料的制备方法中，优选的，以石英混料的质量百分含量为基准，熔融石英砂粉体的含量为75-85%，所述水的含量为15-25%，以便于更好的保证球磨效果以及石英坩埚原料的高固含量。本发明提供的石英坩埚原料中，优选的，以分散剂水溶液的质量百分含量为基准，分散剂的含量为10-33%，水的含量为67-90%，使分散剂溶解更为充分。本发明提供的石英坩埚原料中，优选的，熔融石英砂粉体包括粒度为4-20目的熔融石英砂粉体和粒度为40-75目的熔融石英砂粉体，以熔融石英砂粉体的质量百分含量为基准，粒度为4-20目的熔融石英砂粉体的含量为25-45%，所述粒度为40-75目的熔融石英砂粉体的含量为55-75%，从而使球磨效果更好，同时，也使得球磨后的石英坩埚原料能够获得更好的粒度分布。本发明提供的石英坩埚原料中，优选的，熔融石英砂粉体中SiO2的含量大于
99.95%，使石英坩埚原料具有更高的纯度，进一步提高石英坩埚原料性能。本发明提供一种石英坩 埚原料的制备方法，包括:将熔融石英砂粉体与水混合，球磨，得到石英混料，再将石英混料与分散剂水溶液一起，混合搅拌，得到石英坩埚原料。本发明提供的石英坩埚原料的制备方法中，优选的，在球磨过程中，熔融石英砂粉体与磨球的质量比为1:1-2,能够更好的提高球磨效率。优选的，球磨的速率为150-200rpm,球磨的时间不少于540min,有利于石英 甘祸原料粉体获得一定细度。本发明提供的石英坩埚原料的制备方法中，优选的，所采用的搅拌方式为机械搅拌，搅拌的时间不少于60min，搅拌的速率为100-300rpm，从而使得石英坩埚原料成分更为均匀。本发明还提供一种石英坩埚，该石英坩埚由本发明所提供的石英坩埚原料注浆成型烧结得到，该石英坩埚的强度高、气孔率低。下面结合一些具体的实施例对本发明作进一步的说明。实施例1
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1,转速为150rpm。再取1.05g阿拉伯树胶和1.95g聚乙二醇400,溶于17g水配成溶液，然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min,即制得均匀稳定的石英坩埚原料。该石英坩埚原料的固相含量体积分数为68.4%。实施例2
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1,转速为150rpm。再取1.35g阿拉伯树胶和1.65g聚乙二醇400,溶于17g水配成溶液，然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min,即制得均匀稳定的石英坩埚原料。该石英坩埚原料的固相含量体积分数为68.4%。实施例3
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1，转速为150rpm。再取2.25g阿拉伯树胶和2.75g聚乙二醇400，溶于15g水配成溶液，然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min,即制得均匀稳定的石英坩埚原料。该石英坩埚原料的固相含量体积分数为68.8%。
实施例4
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1,转速为150rpm。再取4.5g阿拉伯树胶和5.5g聚乙二醇400,溶于30g水配成溶液，然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min,即制得均匀稳定的石英坩埚原料。该石英坩埚原料的固相含量体积分数为65.8%。实施例5
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1,转速为150rpm。再取5.5g阿拉伯树胶和4.5g聚乙二醇400,溶于30g水配成溶液，然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min,即制得均匀稳定的石英坩埚原料。该石英坩埚原料的固相含量体积分数为65.8%。实施例6
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1,转速为150rpm。再取6.6g阿拉伯树胶和5.4g聚乙二醇200,溶于28g水配成溶液，然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min,即制得均匀稳定的石英坩埚原料。该石英坩埚原料的固相含量体积分数为66.2%。实施例7
采用与实施例3相同的方法制备石英坩埚原料，不同的是，以明胶代替阿拉伯树胶，以聚乙烯醇代替聚乙二醇。
实施例8
采用与实施例6相同的方法制备石英坩埚原料，不同的是，以明胶代替阿拉伯树胶，以聚乙烯醇代替聚乙二醇。对比例I
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1,转速为150rpm。再取阿拉伯树胶3g,溶于17g水配成溶液,然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min，即制得石英坩埚原料。对比例2
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1,转速为150rpm。再取5g聚乙二醇400,溶于15g水配成溶液,然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min，即制得石英坩埚原料。对比例3
取熔融石英砂粉体4-20目175g，40-75目325g，水88g，混合后球磨600min，球料比为1.5:1,转速为150rpm。再取12g羧甲基纤维素,溶于28g水配成溶液,然后倒入球磨后的石英混料。最后，再利用分散搅拌机以200rpm的转速均化75min，即制得石英坩埚原料。性能测试:
采用美国的BROOKFIELD DV-1粘度计测试各实施例和对比例石英坩埚原料的粘度；以IOOml石英坩埚原料流出奥斯托管所需时间表征各石英坩埚原料的流速。所得测试结果记于表I。将实施例1-8及对比例1-3的石英坩埚原料分别利用石膏模注浆成型坩埚坯体，并烧结(1136°C保温6小时)，得到的石英坩埚分别记作实施例11-88和对比例11-33。对石英坩埚进行体积密度、显气孔率、抗折强度及耐压强度的性能测试，所得结果记录于表2。1、体积密度、显气孔率
按照GB/T2997—2000 (致密定形耐火制品体积密度、显气孔率实验方法)进行测试。2、抗折强度
按照GB/T3001——2007 (定型耐火制品常温抗折强度实验方法)进行测试。3、耐压强度
按照GB/T5072.2——2004 (致密定形耐火制品常温耐压强度实验方法)进行测试。表权利要求
1.一种石英坩埚原料，包括石英混料和分散剂水溶液，所述石英混料包括熔融石英砂粉体和水；其特征在于，所述分散剂水溶液包括分散剂和水，所述分散剂包括水溶性低聚合度有机物和水溶性线型长链高分子有机物；所述水溶性低聚合度有机物的聚合度低于50，所述水溶性线型长链高分子有机物的聚合度为50-5000。
2.如权利要求1所述的石英坩埚原料，其特征在于，所述水溶性低聚合度有机物为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸中的一种或几种。
3.如权利要求2所述的石英坩埚原料，其特征在于，所述水溶性低聚合度有机物为聚乙二醇，所述聚乙二醇的分子量小于1000。
4.如权利要求1所述的石英坩埚原料，其特征在于，所述水溶性线型长链高分子有机物为桃胶、明胶或阿拉伯树胶中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的石英坩埚原料，其特征在于，所述分散剂包括聚乙二醇和阿拉伯树胶。
6.如权利要求1所述的石英坩埚原料，其特征在于，以分散剂水溶液的质量百分含量为基准，所述分散剂的含量为10-33%，所述水的含量为67-90%。
7.如权利要求1所述的·石英坩埚原料，其特征在于，以分散剂的质量百分含量为基准，所述水溶性低聚合度有机物的含量为30-70%，所述水溶性线型长链高分子有机物的含量为30-70%ο
8.如权利要求1所述的石英坩埚原料，其特征在于，以石英坩埚原料的质量百分含量为基准，所述石英混料的含量为90-99.5%，所述分散剂水溶液的含量为0.5-10%。
9.如权利要求1所述的石英坩埚原料，其特征在于，以石英混料的质量百分含量为基准，所述熔融石英砂粉体的含量为75-85%，所述水的含量为15-25%。
10.如权利要求1所述的石英坩埚原料，其特征在于，所述熔融石英砂粉体包括粒度为4-20目的熔融石英砂粉体和粒度为40-75目的熔融石英砂粉体。
11.如权利要求10所述的石英坩埚原料，其特征在于，以熔融石英砂粉体的质量百分含量为基准，所述粒度为4-20目的熔融石英砂粉体的含量为25-45%，所述粒度为40-75目的熔融石英砂粉体的含量为55-75%。
12.如权利要求1所述的石英坩埚原料，其特征在于，所述熔融石英砂粉体中SiO2的含量大于99.95%。
13.—种如权利要求1-12中任意一项所述的石英坩埚原料的制备方法，包括:将熔融石英砂粉体与水混合，球磨，得到石英混料，再将石英混料与分散剂水溶液一起，混合搅拌，得到石英坩埚原料。
14.如权利要求13所述的石英坩埚原料的制备方法，其特征在于，所述球磨包括熔融石英砂粉体、水及磨球之间的作用，所述熔融石英砂粉体与磨球的质量比为1:1-2。
15.如权利要求13所述的石英坩埚原料的制备方法，其特征在于，所述球磨的速率为150-200rpm,所述球磨的时间不少于540min。
16.如权利要求13所述的石英坩埚原料的制备方法，其特征在于，所述搅拌为机械搅拌，所述搅拌的时间不少于60min,所述搅拌的速率为100_300rpm。
17.一种石英坩埚，由石英坩埚原料注浆成型烧结得到，其特征在于，所述石英坩埚原料为权利要求1-12中任意一项所述的石英坩埚原料。
全文摘要
本发明提供了一种石英坩埚原料及其制备方法，石英坩埚原料包括石英混料和分散剂水溶液，石英混料包括熔融石英砂粉体和水；其中，分散剂水溶液包括分散剂和水，分散剂包括水溶性低聚合度有机物和水溶性线型长链高分子有机物；水溶性低聚合度有机物的聚合度低于50，水溶性线型长链高分子有机物的聚合度为50-5000。该石英坩埚原料中石英砂固相含量高、粘度较低、稳定性好。还提供一种由本发明所提供的石英坩埚原料所制得的石英坩埚，该石英坩埚强度高、气孔率低。
文档编号C03C3/06GK103073179SQ20111032880
公开日2013年5月1日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者李江恒, 沈益顺, 周勇, 陈杰 申请人:比亚迪股份有限公司