一种高纯大粒径硅溶胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高纯大粒径硅溶胶的制备方法，属于硅溶胶制备技术领域。具体的制备方法为将pH值为2‑3的酸性硅溶胶溶液和聚乙二醇2000‑10000混合，调节pH至为8‑9.5，加热煮沸得溶胶晶粒；加酸活化树脂，树脂洗至pH为3.0‑4.5，加入铝盐改性剂和水玻璃，水玻璃经过离子交换反应，制得铝改性硅酸；将铝改性硅酸加入溶胶晶粒中，加入碱溶液调节pH值为9.5‑10.5，边超滤边合成，加热合成高纯大粒径硅溶胶。本发明专利技术将酸性硅溶胶进行羟基化反应，使其凝胶聚集，形成大颗粒硅溶胶基质，以水玻璃为原料，采用离子交换法制备铝改性的活性硅酸，边超滤边合成，粒径增长快，能耗低，合成周期短，生产效率提高，可满足电子行业新型器件的抛光要求。

A preparation method of high purity silica sol with large particle size

【技术实现步骤摘要】
一种高纯大粒径硅溶胶的制备方法
本专利技术属于硅溶胶制备
，具体涉及一种高纯大粒径硅溶胶的制备方法。
技术介绍
硅溶胶是无定型二氧化硅的颗粒分散于水中的胶体溶液，是一种十分重要的无机材料，被广泛应用于石油催化、精密铸造、纺织、造纸、耐火材料、涂料及电子等领域。根据溶液pH值范围可分为酸性硅溶胶和碱性硅溶胶两种，而碱性硅溶胶是一种稳定体系。根据胶体理论，将硅溶胶胶粒大小分为5-100nm。但由于硅溶胶技术的发展与进步，硅溶胶已经突破传统100纳米的分界线，趋向于更大粒径且稳定存在的硅溶胶体系。目前硅溶胶的制备方法主要包括：单质硅水解法、离子交换法、溶胶凝胶法，目前在工业上被广泛采用的是单质硅水解法和离子交换法。溶胶凝胶法由于工艺复杂，因而有部分企业采用此种工艺。单质硅水解法合成的硅溶胶粒径一般为20-150nm左右，浓度为30-40％，但这种产品难以满足某些特殊行业对硅溶胶粒径和浓度的要求。专利CN101597066A公开的了一种水热法制备硅溶胶晶种的方法，反应时间2-48小时。专利CN102432027A公开的离子交换法制备单分散、大粒径、高稳定性的酸性硅溶胶及其制造方法，所制备的硅溶胶的粒径最大可以达到100nm，但是所得硅溶胶的粒径分布在1-100nm之间，无法满足现代集成电路制造的要求。离子交换法，目前合成的硅溶胶粒径在50-100nm，浓度在40-50％，无法实现很多特殊行业对硅溶胶的粒径要求，例如，氧化铝、氮化铝陶瓷的抛光，建筑涂料的固化等。专利106044786.B公开了一种离子交换法制备的多分散大粒径硅溶胶，以20-30nm的硅溶胶为晶种，以一定流速再滴加20-30硅溶胶以及硅酸，以获得多分散的20-95nm的硅溶胶。一般来说，大粒径高均匀性硅溶胶均匀颗粒用于化学机械抛光可以在增加材料去除速率的同时维持良好的表面平整度，而高浓度硅溶胶意味着单位体积中氧化硅颗粒数多，不仅有利于提高抛光速率也有利于硅溶胶的罐装和运输成本。由于300nm氧化铝溶胶的出现，具有更快的抛光速率，因此对于硅溶胶作为抛光成分，提出更高的要求，需要研制超大粒径的硅溶胶，实现电子行业新型器件的抛光要求。
技术实现思路
针对现有技术中存在的硅溶胶粒径小、粒径难以控制、分散度较大、稳定性差的问题，本专利技术提供了一种高纯大粒径硅溶胶的制备方法，可以合成粒径更大、浓度更高、粒度分布更均匀的硅溶胶，满足电子行业新型器件的抛光要求。本专利技术通过以下技术方案实现：一种高纯大粒径硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：(1)溶胶晶粒的制备：将pH值为2-3的酸性硅溶胶溶液和聚乙二醇2000-10000混合，调节pH至为8-9.5，加热煮沸得溶胶晶粒；(2)铝改性硅酸的制备：60℃下，加酸活化树脂，树脂洗至pH为3.0-4.5，加入铝盐改性剂和水玻璃，水玻璃经过离子交换反应，制得铝改性硅酸；(3)大粒径硅溶胶的制备：将步骤(2)中的铝改性硅酸加入步骤(1)中的溶胶晶粒中，加入碱溶液调节pH值为9.5-10.5，边超滤边合成，加热合成高纯大粒径硅溶胶。优选地，步骤(1)中所述的酸性硅溶胶溶液中二氧化硅的质量百分含量为30％，平均粒径为20nm；优选地，步骤(1)中所述的聚乙二醇的质量是酸性硅溶胶溶液质量的0.5-5％。优选地，步骤(2)中所述的铝盐改性剂为偏铝酸钠、硝酸铝、硫酸铝以及聚合氯化铝中的一种以上。优选地，步骤(2)中所述的铝盐改性剂的用量为水玻璃重量的0.1-1％。优选地，步骤(3)中所述的活性硅酸的流量是5-12mL/min；所述的碱溶液的流量为0.5-1.5mL/min。优选地，步骤(3)中所述的碱溶液为氢氧化钠、乙胺、乙醇胺、三甲胺或四羟基铵、四丙基氢氧化铵中的一种以上。优选地，步骤(3)中所述的反应温度为100℃，边超滤边合成，反应时间为4-8小时。优选地，步骤(3)中所述的溶胶晶粒、硅酸和碱溶液的体积比为8-15:84.8-91.8：0.2，更优选地，步骤(3)中所述的溶胶晶粒、硅酸和碱溶液的体积比为15：84.8：0.2。本专利技术中将酸性硅溶胶进行羟基化反应，使其凝胶聚集，形成大颗粒硅溶胶基质。以水玻璃为原料，采用离子交换法制备铝改性的活性硅酸，加入铝盐改性剂制备硅酸，可以获得颗粒较大，稳定性较好的的硅酸，在合成超大粒径的硅溶胶时，可以较快的富集在基质颗粒上，通过在种子溶液中滴加活性硅酸的方法制备大粒径、单分散硅溶胶；采用边超滤边合成的方法，在合成过程中，粒径增长快，能耗相对恒液位蒸发法能耗低，合成周期短，生产效率大大提高。因而，此专利技术可以合成粒径更大、浓度更高、粒度分布更均匀的硅溶胶，来满足电子行业新型器件的抛光要求。有益效果(1)本专利技术将酸性硅溶胶进行羟基化反应，使其向凝胶聚集，形成大颗粒硅溶胶晶粒。(2)将硅酸进行铝改性，可以获得颗粒较大，稳定性较好的的铝改性硅酸，在合成超大粒径的硅溶胶时，可以较快的富集在基质颗粒上，因而，此专利技术可以合成粒径更大、浓度更高、粒度分布更均匀的硅溶胶，满足电子行业新型器件的抛光要求。(3)采用本专利技术的方法可以获得平均粒径为120-400nm的硅溶胶；与现有的大粒径硅溶胶的方法相比，粒径更大、颗粒均一、粘度低、稳定性好，其制备方法步骤简单，生产周期和工艺流程较短，生产耗能和成本降低。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术的大粒径硅溶胶的制备方法作进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限定本专利技术的范围。以下实施例中所使用的技术，包括离子交换反应等，除非特别说明，均为本领域内的技术人员已知的常规技术；所使用的仪器设备等，除非是本说明书特别注明，均为一般本领域的研究和技术人员可以通过公共途径获得的。以下实施例中酸性硅溶胶溶液为：二氧化硅的质量分数为30％、pH值为2-4平均粒径为20nm，为市售产品,。水玻璃为市售优级水玻璃。本专利技术实施例中使用的水为高纯水，水电导率在>18兆欧。实施例1(1)溶胶晶粒的制备：在酸性硅溶胶溶液中加入质量是硅溶胶溶液的0.5％聚乙二醇2000，调节pH值为9.7，加热至100℃，获得平均粒径为50nm溶胶晶粒；(2)铝改性硅酸的制备：60℃下，加酸活化树脂，树脂洗至pH为3.0，加入硝酸铝和水玻璃，水玻璃经过离子交换反应制得平均粒径为9nm，稳定性好的铝改性硅酸，其中硝酸铝的加入量为水玻璃重量的0.3％。(3)大粒径硅溶胶的制备：步骤(1)的溶胶晶粒，加热至100℃，加入步骤(2)中制备的铝改性硅酸，铝改性硅酸的流量是14mL/min，同时加入氢氧化钠，调节pH值为9.6，边超滤边合成，100℃条件下加热反应5小时合成平均粒径为128nm的硅溶胶；其中，溶胶晶粒、铝改性硅酸和碱溶液的体积比为12：87.8：0.2。实施例2(1)溶胶晶粒的制备：在酸性硅溶胶溶液中加入质量是硅溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高纯大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)溶胶晶粒的制备：将pH值为2-3的酸性硅溶胶溶液和聚乙二醇2000-10000混合，调节pH至为8-9.5，加热煮沸得溶胶晶粒；/n(2)铝改性硅酸的制备：60℃下，加酸活化树脂，树脂洗至pH为3.0-4.5，加入铝盐改性剂和水玻璃，水玻璃经过离子交换反应，制得铝改性硅酸；/n(3)大粒径硅溶胶的制备：将步骤(2)中的铝改性硅酸加入步骤(1)中的溶胶晶粒中，加入碱溶液调节pH值为9.5-10.5，边超滤边合成，加热合成高纯大粒径硅溶胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种高纯大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)溶胶晶粒的制备：将pH值为2-3的酸性硅溶胶溶液和聚乙二醇2000-10000混合，调节pH至为8-9.5，加热煮沸得溶胶晶粒；
(2)铝改性硅酸的制备：60℃下，加酸活化树脂，树脂洗至pH为3.0-4.5，加入铝盐改性剂和水玻璃，水玻璃经过离子交换反应，制得铝改性硅酸；
(3)大粒径硅溶胶的制备：将步骤(2)中的铝改性硅酸加入步骤(1)中的溶胶晶粒中，加入碱溶液调节pH值为9.5-10.5，边超滤边合成，加热合成高纯大粒径硅溶胶。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的酸性硅溶胶溶液中二氧化硅的质量百分含量为30％，平均粒径为20nm。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的聚乙二醇的质量是酸性硅溶胶溶液质量的0.5-5％。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的铝盐改性剂为偏铝酸钠、硝酸铝、硫酸铝以...

【专利技术属性】
技术研发人员：康利彬，
申请(专利权)人：临沂市科翰硅制品有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37