一种高纯硅溶胶的制备方法及由该制备方法制得的硅溶胶技术

本发明专利技术涉及一种高纯硅溶胶的制备方法及由该制备方法制得的硅溶胶，所述方法包括如下步骤：(1)将活化硅粉加入碱性水溶液中得到硅溶胶基质溶液，再将该硅溶胶基质溶液加热熟化，得到溶胶基质；(2)以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，所述活性硅酸经酸化后，调节硅酸pH值为1.0‑1.5以去除阳离子杂质，经阴离子交换去除阴离子，再经阳离子交换，制得纯化后的硅酸；(3)往步骤(1)的溶胶基质中加入步骤(2)中纯化后的硅酸，同时加入碱溶液调节pH值，经加热合成所述硅溶胶。本发明专利技术通过采用上述方法可获得高纯大粒径的硅溶胶，其金属杂离子含量小于50ppm，并且操作方便，生产周期短，效率高。

A preparation method of high purity silica sol and the silica sol prepared by the preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高纯硅溶胶的制备方法及由该制备方法制得的硅溶胶
本专利技术涉及硅溶胶制备
，具体涉及一种硅溶胶的制备方法及由该制备方法制得的硅溶胶，尤其涉及一种高纯硅溶胶的制备方法及由该制备方法所制得的硅溶胶。
技术介绍
硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液，其胶粒大小可以为5～120nm。由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，故硅溶胶也可以表述为mSiO2.nH2O。由于硅溶胶中二氧化硅颗粒表面具有大量的羟基，具有较大的反应活性，因此被广泛应用于化工、精密铸造、纺织、造纸、涂料、食品、电子、选矿等领域。硅溶胶的制备方法主要包括：单质硅水解法、离子交换法、胶溶法和分散法，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。到目前为止，硅溶胶仍然是集成电路平坦化过程中最重要的磨粒。大粒径硅溶胶可以提高平坦化速率，进而提高制造效率、增加产能。除此之外，在平坦化过程中硅溶胶的粒径分布，对集成电路的影响也较大：相同固含量大粒径的硅溶胶，粒径分布均匀的颗粒可以获得较高的平坦化效率和表面质量；如果硅溶胶的纯度不高，在集成电路抛光上会污染拋片，因此获得高纯度的大粒径硅溶胶是电子行业的必然趋势。单质硅水解法合成的硅溶胶粒径一般为20～120nm，浓度为30～40％，这种产品过滤工艺比较难，一般会产生漂浮物或者沉淀，可用于金属抛光、玻璃抛光等行业，然而这种产品难以满足某些特殊行业例如电子领域对硅溶胶纯度的要求。CN103896289A中公开了一种制备大粒径硅溶胶的方法，其采用以硅粉、水玻璃为原料分两步进行：先用硅粉在氢氧化钠水溶液条件下制备小粒径硅溶胶原料；用离子交换树脂处理小粒径原料，并将处理得到的原料滴加到反应温度下的种子溶液中，通过控制滴加速度实现硅溶胶粒子的分级长大，得到大粒径硅溶胶。尽管利用该方法能够制备得到粒径达30-40nm以上的大粒径硅溶胶，然而，其对于硅溶胶的纯度并没有明显改善。CN106044786A中公开了一种多分散大粒径硅溶胶及其制备方法，其采用：以粒径为20nm-30nm的单分散球形硅溶胶为晶种，搅拌并加热，同时向反应体系不断的滴加粒径为20nm-30nm的单分散球形硅溶胶晶种和活性硅酸，在整体反应过程中采用加热浓缩法维持恒液位，期间，滴加无机碱稀溶液以保持体系的pH值在9.5-10.5，保温后冷却。尽管采用本专利技术制备的硅溶胶能够有效的提高抛光速度，同时减少划痕产生，然而，其同样没有对硅溶胶的纯度进行改善。因此，如何合成纯度更高的硅溶胶，同时还能满足粒径更大、粒度分布更均匀要求的硅溶胶，已成为目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高纯硅溶胶的制备方法及由该制备方法所制得的硅溶胶，通过优化硅溶胶的制备方法，尤其是对于活性硅酸经酸化后pH值的精确调控，使得最终制备得到的硅溶胶具有金属杂离子含量小于50ppm的优势，从而获得了一种高纯硅溶胶。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种硅溶胶的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将活化硅粉加入碱性水溶液中得到硅溶胶基质溶液，再将该硅溶胶基质溶液加热熟化，得到溶胶基质；(2)以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，所述活性硅酸经酸化后，调节硅酸pH值为1.0-1.5以去除阳离子杂质，经阴离子交换去除阴离子，再经阳离子交换，制得纯化后的硅酸；(3)向步骤(1)的溶胶基质中加入步骤(2)纯化后的硅酸，同时加入碱溶液调节pH值，经加热合成所述硅溶胶。本专利技术中，通过对步骤(2)中活性硅酸经酸化后的硅酸pH值进行精确调控，使其pH在1.0-1.5的范围内，可以使阳离子杂质的去除更加彻底，进一步结合阴离子交换和阳离子交换等处理，使最终制备得到的硅溶胶具有高纯的特点，其金属杂离子含量达到了小于50ppm的程度。本专利技术中所述“高纯”意指硅溶胶中的金属杂离子含量小于50ppm。本专利技术中，步骤(2)所述酸化后调节硅酸的pH值为1.0-1.5，例如可以是1.0、1.1、1.2、1.3、1.4或1.5。优选地，步骤(1)中所述碱性水溶液由碱性溶液和蒸馏水混合而成，其中碱性溶液的质量分数为0.1-3％，例如可以是0.1％、0.5％、0.9％、1.3％、1.7％、2.1％、2.5％或3％。优选地，步骤(1)中所述蒸馏水的温度为85-95℃，例如可以是85℃、86℃、87℃、88℃、90℃、92℃或95℃。优选地，步骤(1)中所述硅溶胶基质溶液的合成时间为3-5h，例如可以是3h、3.5h、4h、4.5h或5h。优选地，步骤(1)中所述溶胶基质的加热熟化时间为20-40min，例如可以是20min、25min、30min、35min或40min。优选地，步骤(1)中所述硅溶胶基质溶液的粒径为10-50nm，例如可以是10nm、20nm、25nm、30nm、40nm、45nm或50nm。优选地，步骤(1)中所述溶胶基质的质量分数为8-15％，例如可以是8％、10％、12％、14％或15％。优选地，步骤(2)中所述离子交换的温度为20-60℃，例如可以是20℃、30℃、40℃、50℃或60℃。优选地，步骤(2)中所述酸化所使用的酸为硫酸或硝酸。优选地，步骤(2)中所述去除阴离子使用的阴离子交换床为阴离子树脂床。优选地，步骤(2)中所述去除阴离子后的pH调节至7.0-9.0，例如可以是7.0、7.5、8.0、8.5或9.0。优选地，步骤(2)中所述经阳离子交换出硅酸的pH控制在2.0-4.0，例如可以是2.0、2.2、2.5、3.0、3.2、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4.0。除了对活性硅酸经酸化后的硅酸进行pH的控制外，本专利技术中还对硅酸制备过程中各环节的pH值进行了精确调控，这一系列的调控可以使得硅酸具有更优异的纯化效果。优选地，步骤(3)中所述溶胶基质、硅酸和碱溶液的质量比为(8-14.8):(85-91.8):0.2，例如可以是8:91.8:0.2、10:89.8:0.2、12:87.8:0.2、14:85.8:0.2或14.8:85:0.2，优选为8:91.8:0.2。优选地，步骤(3)中所述加入纯化后硅酸的流量为1000-5000g/min，例如可以是1000g/min、2000g/min、3000g/min、4000g/min或5000g/min。优选地，步骤(3)中所述加入碱溶液的流量为10-50g/min，例如可以是10g/min、20g/min、30g/min、40g/min或50g/min。优选地，步骤(3)中所述加入碱溶液后的pH值调节为9.0-10.5，例如可以是9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、10.0、10.1、10.2、10.3、10.4或10.5。优选地，步骤(3)中所述碱溶液为硅酸钠、氨水、乙胺、乙醇胺、二甲胺、三甲胺或四羟基铵中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n(1)将活化硅粉加入碱性水溶液中得到硅溶胶基质溶液，再将该硅溶胶基质溶液加热熟化，得到溶胶基质；/n(2)以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，所述活性硅酸经酸化后，调节硅酸pH值为1.0-1.5以去除阳离子杂质，经阴离子交换去除阴离子，再经阳离子交换，制得纯化后的硅酸；/n(3)向步骤(1)的溶胶基质中加入步骤(2)纯化后的硅酸，同时加入碱溶液调节pH值，经加热合成所述硅溶胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将活化硅粉加入碱性水溶液中得到硅溶胶基质溶液，再将该硅溶胶基质溶液加热熟化，得到溶胶基质；
(2)以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，所述活性硅酸经酸化后，调节硅酸pH值为1.0-1.5以去除阳离子杂质，经阴离子交换去除阴离子，再经阳离子交换，制得纯化后的硅酸；
(3)向步骤(1)的溶胶基质中加入步骤(2)纯化后的硅酸，同时加入碱溶液调节pH值，经加热合成所述硅溶胶。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述碱性水溶液由碱性溶液和蒸馏水混合而成，其中碱性溶液的质量分数为0.1-3％；
优选地，所述蒸馏水的温度为85-95℃。


3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述硅溶胶基质溶液的合成时间为3-5h；
优选地，所述硅溶胶基质溶液的加热熟化时间为20-40min；
优选地，所述硅溶胶基质溶液的粒径为10-50nm；
优选地，所述溶胶基质的质量分数为8-15％。


4.如权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述离子交换反应的温度为20-60℃；
优选地，所述酸化使用的酸为硫酸或硝酸；
优选地，所述去除阴离子使用的阴离子交换床为阴离子树脂床；
优选地，所述去除阴离子后pH调节至7.0-9.0；
优选地，所述经阳离子交换出硅酸的pH控制在2.0-4.0。


5.如权利要求1-4之一所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述溶胶基质、纯化后的硅酸和碱溶液的质量比为(8-14.8):(85-91.8):0.2，优选为8:91.8:0.2。


6.如权利要求1-5之一所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述加入纯化后硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国顺，李薇薇，范渊卿，梁裕辉，
申请(专利权)人：阳江市惠尔特新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44