一种超纯无色斑高档全透明石英材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种超纯无色斑高档全透明石英材料及其制备方法和应用，本发明专利技术通过精选石英硅矿、水淬、“王水”去杂、酯化、浮选、磁选、高温真空处理、超声波提纯等工艺步骤对国产石英硅矿进行提纯处理后，可获得制备无色斑高档全透明石英玻璃锭用超纯石英材料。本发明专利技术结合工业生产规模要求，进一步完善了微波处理生产超纯无色斑高档全透明石英材料的工艺条件，尤其是针对我国的超纯石英砂原料来源，切实提供了确定了国产石英硅矿生产出超纯石英砂原料的生产工艺条件，成熟、合理、技术效果稳定，为超纯石英玻璃锭的规模化生产、真正降低超纯石英玻璃锭的生产成本制备提供技术支持。

A Super Pure Colorless Spotless High-grade Transparent Quartz Material and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a super-pure stainless high-grade transparent quartz material and its preparation method and application. The super-pure quartz glass ingot for producing stainless stainless high-grade transparent quartz glass ingot can be obtained by purifying domestic quartz silica ore through such technological steps as concentrating quartz silica ore, water quenching, \aqua regia\ de-impurity, esterification, flotation, magnetic separation, high-temperature vacuum treatment and ultrasonic purification. Quartz material. According to the requirement of industrial production scale, the process conditions for producing ultra-pure, colorless, high-grade and transparent quartz materials by microwave treatment are further improved. Especially for the source of ultra-pure quartz sand raw materials in China, the process conditions for producing ultra-pure quartz sand raw materials from domestic quartz silica ores are determined, which are mature, reasonable and stable in technical effect, and are suitable for ultra-pure quartz glass. The large-scale production of ingots and the real reduction of production cost of ultra-pure quartz glass ingots provide technical support.

【技术实现步骤摘要】
一种超纯无色斑高档全透明石英材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及超纯石英材料制备
，更具体地，涉及一种超纯无色斑高档全透明石英材料及其制备方法和应用。
技术介绍
近些年随着制造业和建筑工业产生的粉尘PM2.5、CO2、SO2形成雾霾、温室效应与酸雨等，严重污染环境。而不可再生的一次性传统化石能源资源减少，寻找新的能源与绿色能源技术成为目前世界性重大课题。比如太阳能，是当前新能源开发的首选，在光伏产业中高档石英材料必不可少。随着高科技的发展，高档全透明石英材料需求量不断增加，而天然水晶却已枯竭，上世纪80年代来，人们只得找水晶的替代品，开始探索采用硅矿石代替水晶的深度精制研究。高档全透明石英玻璃锭是SiO2单一含量高达99.99％以上的特种石英材料，具有化学稳定、全透明性、杂质含量低、光谱透过宽、抗热冲击(可在1420℃高温环境下反复长时间使用不变形)、耐射线辐照、紫外线全穿透、抗析晶性能强、硬度达莫氏七级、膨胀系数小、耐热震强、电绝缘性好、耐除氢氟酸和热磷酸外的几乎所有酸的腐蚀等优越的物理化学性能。目前，全世界拥有生产SiO2含量达到99.99％的超纯石英材料的核心技术的生产厂家屈指可数，其中美国的尤尼明公司(UNIMIN)和通用电气公司(GE)几乎垄断了整个超纯石英砂材料供应市场。无论是外国企业还是中国企业大多都是采用国外进口石英硅矿作为原材料进行提纯制备超纯无色斑高档全透明石英材料，如马达加斯加、挪威等进口石英硅矿，由于国外石英硅矿中的羟基、气液包裹体含量低于一级水晶中羟基、气液包裹体含量，同时也比我国石英硅矿低一个数量级，因此较适宜通过精制作为替代水晶原料。但进口矿价格昂贵，且受出口国的限制和汇率影响，这给超纯无色斑高档全透明石英材料原料进口来源带来了很大的限制，同时也提高了生产成本。我国石英硅矿资源储备虽然十分丰富，价格低廉，但是，国产石英硅矿中羟基、气液包裹体杂质含量远高于国外进口石英硅矿，用其制备不出超纯无色斑高档全透明石英材料，其原因是羟基含量高，同时含有B、P、甲烷、乙烷等气液包裹体比较均匀的分布在矿中，然石英材料用的超纯石英砂又不可能无限磨细，这给国产石英硅矿制备超纯无色斑高档全透明石英材料带来了技术上的困难，严重限制了国产石英硅矿资源的推广应用，而且往往只能用于制备一些低端的石英砂产品，无法用来制备石英碇等高端产品。现有技术通过中国产石英硅矿制备的石英砂中羟基、B、P含量均远高于水晶砂，而且国产矿制备的石英砂中的气液包裹体含量剔除不完全，制备出的石英玻璃锭往往带有蓝斑，这限制了普通硅矿石精制超纯无色斑高档全透明石英材料替代水晶砂制备石英材料，也是我国用硅矿石替代水晶制备石英玻璃锭材料的瓶颈。由于目前工艺限制，国产石英硅矿生产的石英砂SiO2含量至多只能到达99.96％，工艺稳定性不佳，且所得石英砂品质不高，工艺稳定性不佳，制备出的石英玻璃锭往往内层不透明或者含有色斑，透明性不够好。随着我国高科技术发展的需要，对超纯无色斑高档全透明石英材料的需求将会越来越大，因此，为了打破国外在该领域长期的技术垄断，充分发挥我国资源优势，亟需实现国产超纯无色斑高档全透明石英材料工业化生产。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有国产石英砂中羟基含量以及B、P杂质含量高，导致制备的石英玻璃锭出现蓝斑的不足，提供一种羟基含量低、杂质少的超纯无色斑高档全透明石英材料。本专利技术要解决的另一技术问题是针对现有技术中超纯无色斑高档全透明石英材料制备工艺无法剔除羟基的不足，提供一种采用普通国产石英硅矿制备石英玻璃锭用超纯无色斑高档全透明石英材料的提纯工艺，该工艺方法可以实现超纯无色斑高档全透明石英材料(石英砂)工业化规模生产，完全使用国产原料，成本低，技术效果稳定。本专利技术还一要解决的技术问题是提供所述超纯无色斑高档全透明石英材料应用于石英玻璃锭、高温容器领域。本专利技术提供的超纯无色斑高档全透明石英材料粒径为90～220目，石英材料中SiO2含量大于99.999％，羟基含量<6mg/kg，P和B的总含量<5mg/kg。选择合适粒径的超纯石英砂不仅有利于石英砂的提纯，另一方还可保障后续高档全透明制品的高品质。粒径过大提纯过程中难以除去气液包裹体等杂质同时影响熔融，粒径过小一方面破坏了石英砂的晶格结构，同时淬火时粉末状的颗粒挥飞造成浪费，挥飞的过细粉尘还有可能引起爆炸。具体具体包括以下制备步骤：S1..精选石英硅矿：将多个地区的国产普通石英硅矿进行反复ICP分析比较，筛选出适合本研究所需的国产普通硅矿，然后，用低浓度酸溶液浸以清洗表面杂质，再用去离子水快速冲洗，得到石英硅矿粗品；S2.水淬：将步骤S1所得石英硅矿粗品酸浸后加热，然后快速放入水中遇冷炸裂，去除大量的气液包裹体，得到粗品颗粒；S3.酸浸：将步骤S2所得粗品颗粒经雷蒙磨粉碎，过筛，“王水”浸泡，去除金属杂质，再用去离子水冲洗，即得石英砂粗品；S4.酯化：将步骤S4得到的石英砂粗品浸泡于含有酸酐的乙醚中，并且通有保护气体的条件下，磁力搅拌，石英砂表面羟基被酯化；S5.浮选：将步骤S4所得酯化石英砂粗品加入浮选溶剂中浮选剔除出非石英砂颗粒；S6.磁选：将步骤S5浮选后的石英砂粗品用去离子水冲洗，烘干后，再用磁选机磁选；S7.高温真空处理：将步骤S6磁选出来的石英砂颗粒置于高温、真空条件下保温，降温后再通氯气处理，超导提纯；S8.超声波处理：将步骤S7所得石英砂颗粒通过超声波处理，即得超纯无色斑高档全透明石英材料。进一步地，步骤S1中筛选出碱金属总含量为300～400mg/kg、气液包裹体总含量低于2600mg/kg、B和P总含量低于38mg/kg的石英硅矿。优选地，步骤S1中筛选出的碱金属总含量为320～380mg/kg、气液包裹体总含量为2000～2400mg/kg的石英硅矿；B和P总含量低于22mg/kg的石英硅矿。进一步地，步骤S1中所述酸溶液为草酸、盐酸、磷酸、硫酸中的一种或几种，所述酸溶液浓度为1～10％。所用酸溶液完全排除使用原腐蚀性最强且能对环境产生永久性破坏、同时产生永远无法消亡F-1的HF酸。优选地，步骤S1中所述酸溶液为盐酸、磷酸中的一种或几种，所述酸溶液浓度为3％。酸浓度过低，反应慢，耗时长，并且除杂效果差；酸浓度过高易挥发，导致成本偏高，同时污染环境，另一方面会腐蚀容器和SiO2；酸浸温度过低反应速率慢、反应不彻底，温度过高酸易挥发，浓度易降低，因此，适宜的酸浸浓度和酸浸温度不但对产品性能影响较大，同时还会影响成本控制。进一步地，步骤S1所述浸洗时间为60～120min，浸洗温度为60～72℃。进一步地，步骤S2所述的加热温度为600～700℃；所述放入水中炸裂5～20s。优选地，步骤S2中所述的加热温度为630～680℃，所述放入水中炸裂8s。进一步地，步骤S3所述的粉碎过筛筛网目数为90～220目，“王水”与石英硅矿粗品颗粒质量比为1:0.5～4，浸泡时间为10～15h，浸泡温度为30～50℃，所述粉碎使用雷蒙磨，所用雷蒙球为高密度石英球。本专利技术使用高密度石英球可避免粉碎摩擦引入新的金属杂质。进一步地，步骤S4中所述酸酐浓度为0.03～0.5mol/L，磁力搅拌3～7小时。进一步地，步骤S5中所述浮选溶剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超纯无色斑高档全透明石英材料，其特征在于，所述超纯无色斑高档全透明石英材料粒径为90~220目，石英材料中SiO2含量大于99.999%，羟基含量

【技术特征摘要】
1.一种超纯无色斑高档全透明石英材料，其特征在于，所述超纯无色斑高档全透明石英材料粒径为90~220目，石英材料中SiO2含量大于99.999%，羟基含量<6mg/kg，P和B的总含量<5mg/kg。2.一种超纯无色斑高档全透明石英材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.精选石英硅矿：将多个地区的国产石英硅矿反复进行ICP分析比较，筛选，然后，用低浓度酸溶液浸洗表面杂质，再用去离子水快速冲洗，得到石英硅矿粗品；S2.水淬：将步骤S1所得石英硅矿粗品加热，然后快速放入水中遇冷炸裂，去除大量的气液包裹体，得到粗品颗粒；S3.酸浸：将步骤S2所得粗品颗粒经雷蒙磨粉碎，过筛，“王水”浸泡，去除金属杂质，再用去离子水冲洗，即得石英砂粗品；S4.酯化：将步骤S4得到的石英砂粗品浸泡于含有酸酐的乙醚中，并且通有保护气体的条件下，磁力搅拌，石英砂表面羟基被酯化；S5.浮选：将步骤S4所得酯化石英砂粗品加入浮选溶剂中浮选剔除非石英砂颗粒；S6.磁选：将步骤S5浮选后的石英砂粗品用去离子水冲洗，烘干后，再用磁选机磁选；S7.高温真空处理：将步骤S6磁选出来的石英砂颗粒置于高温、真空条件下保温，降温后再通氯气处理，超导提纯；S8.超声波处理：将步骤S7所得石英砂颗粒通过超声波处理，即得超纯无色斑高档全透明石英材料。3.根据权利要求2所述的超纯无色斑高档全透明石英材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述酸溶液为草酸、盐酸、磷酸、硫酸中的一种或几种，所述酸溶液浓度为1~10%；筛选出的碱金属总含...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯清麟，侯熠徽，田靓，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43