硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英經(jīng)高溫熔融、冷卻后的非晶態(tài)SiO2）經(jīng)破碎、球磨（或振動(dòng)、氣流磨）、浮選、酸洗提純、高純水處理等多道工藝加工而成的微粉。硅微粉體材料是近年來逐漸發(fā)展起來的一種重要的新型功能材料，具有廣泛的市場(chǎng)空間和應(yīng)用領(lǐng)域。
硅微粉從結(jié)構(gòu)上可分為結(jié)晶和非結(jié)晶（無一定型或角型）兩種。目前國內(nèi)生產(chǎn)結(jié)晶硅微粉均采用先磨細(xì)再酸處理除雜的工藝，對(duì)開發(fā)天然高純石英而言，在加工過程中引入的雜質(zhì)成了主要雜質(zhì)，增加了酸處理的成本，同時(shí)也造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，減少加工工藝過程中的成本，是當(dāng)前開發(fā)高純石英制品的熱點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)提出一種新的球磨工藝，采用聚氨酯球磨罐、氧化鋯陶瓷球，在酸性介質(zhì)下進(jìn)行球磨，不僅能夠避免球磨過程中雜質(zhì)的引入，而且能夠在一定程度上去除硅微粉中的含鐵雜質(zhì)，有效降低了結(jié)晶硅微粉的生產(chǎn)成本。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
實(shí)驗(yàn)所用的石英原料為湖北省通山縣天然產(chǎn)出的石英巖，其純度極高，僅含有微量雜質(zhì)，其主要化學(xué)成分（wt%）為：SiO2，99.81；Al2O3，0.0156；CaO，0.0116；MgO，0.0023；Fe2O3，0.0192；K2O，0.0017；Na2O，0.0032；燒失，0.13。
鹽酸(分析純)、硫酸析純)、硝酸（分析純）、草酸（分析純）。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
HERZOG HSM 100H 型振動(dòng)磨， QM-ISP-2-CL 球磨機(jī), DL-5-B 離心機(jī)，HIACHI220A 分光光度計(jì)， JL-1155 型激光粒度分布測(cè)試儀，四川輕工業(yè)研究設(shè)計(jì)院。
1.3 實(shí)驗(yàn)工藝流程
石英原料→粗碎→粗磨（振動(dòng)磨）→酸洗→水洗→球磨→洗滌→固液分離（離心）→烘干
2 結(jié)果與討論
2.1 粗碎工藝
工業(yè)上常用的石英粗碎工藝有顎破、煅燒- 水淬法。其中顎破工藝破碎效率高，能耗較低，但在破碎過程中，會(huì)引入較多雜質(zhì)，對(duì)高純石英原料造成污染；煅燒- 水淬法即將硅石經(jīng)過高溫煅燒（900~1150℃）后，水淋冷卻，硅石經(jīng)過急冷急熱，在其表面和塊體內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂紋，從而使硅石強(qiáng)度大幅下降。雖然水淬能耗較高，效率相對(duì)較低，但對(duì)原料無污染，在高純石英原料的粗碎中經(jīng)常采用。
本實(shí)驗(yàn)的石英塊的粗碎采用水淬工藝，即將石英塊在1000℃左右的高溫下煅燒0.5h，取出后用冷水淋洗，得到石英顆粒。
2.2 振動(dòng)磨磨礦時(shí)間對(duì)石英砂產(chǎn)品性能的影響
振動(dòng)磨進(jìn)樣為Φ10~15mm 的石英顆粒，振動(dòng)磨的罐及內(nèi)芯都是鐵合金，在磨礦過程中，會(huì)不可避免地引入鐵雜質(zhì)，由于振動(dòng)過程中溫度較高，鐵雜質(zhì)也有可能轉(zhuǎn)變?yōu)槿趸F，因而引入的雜質(zhì)主要為鐵單質(zhì)和三氧化二鐵。實(shí)驗(yàn)研究了磨礦時(shí)間對(duì)產(chǎn)品粒度及Fe2O3 含量的關(guān)系，結(jié)果見表1 及圖1、2。
2.3 酸洗工藝
振動(dòng)磨磨礦會(huì)對(duì)石英砂造成較大污染，為保證石英砂的純度，需要對(duì)石英砂進(jìn)行酸洗，據(jù)包申旭等人研究表明，石英砂除鐵最佳酸洗工藝為采用混合酸工藝，混合酸為10% 鹽酸與5% 草酸按1∶1 混合配制，在室溫下，高速攪拌2h 后水洗即可。不同粒度石英砂經(jīng)酸洗前后的主要技術(shù)指標(biāo)，見表2。
從表2 可看出，對(duì)比原礦化學(xué)成分，經(jīng)過酸洗，兩種粒級(jí)的石英砂中Fe2O3 含量均比原礦要低，這充分說明在振動(dòng)磨磨礦階段引入的含鐵雜質(zhì)已經(jīng)全部去除掉，同時(shí)原礦石中的部分含鐵雜質(zhì)也被溶解去除。
這主要是因?yàn)樵谀サV后，隨著石英砂粒度變細(xì)，原礦石中含有的雜質(zhì)暴露出來，在酸處理工程中，被酸溶解去除掉。對(duì)比不同粒度的石英砂酸洗后Fe2O3 含量，可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)磨磨礦時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)品粒度越細(xì)，所引入的雜質(zhì)含量將會(huì)進(jìn)一步增大，采用同樣的酸洗工藝，去除效果略有下降，石英砂產(chǎn)品Fe2O3 含量相對(duì)較高。
2.4 球磨工藝
球磨工藝過程中，難免會(huì)引入雜質(zhì)，為了降低球磨過程中球磨介質(zhì)對(duì)石英粉的污染，本試驗(yàn)采用聚氨酯的球磨罐（100ml），氧化鋯陶瓷球作為球磨介質(zhì)，按礦漿濃度比例加入10% 的鹽酸，采用濕法球磨。本試驗(yàn)主要研究了球磨時(shí)間對(duì)硅微粉的粒度及純度的影響，其它工藝參數(shù)為：球料比為5∶1，大小球質(zhì)量比為3∶5（Φ12mm、Φ6mm），礦漿濃度為50%，球磨轉(zhuǎn)速為580r/min。球磨后采用蒸餾水洗滌5 次，經(jīng)離心固液分離后烘干。粉體中Fe2O3 含量隨球磨時(shí)間的變化關(guān)系曲線，見圖3。
 從圖3 可看出，在球磨過程中，采用鹽酸作為球磨介質(zhì)，球磨過程中可能引入的Fe 雜質(zhì)能夠完全溶解在鹽酸中，能隨著水洗去除掉；與此同時(shí)，球磨過程中以鹽酸作為介質(zhì)，相當(dāng)于酸處理的過程，對(duì)原料中的雜質(zhì)也能起到一定的去除效果?！峨娮蛹半娖鞴I(yè)用二氧化硅微粉》標(biāo)準(zhǔn)要求電子級(jí)硅微粉Fe2O3 含量≤ 80μg/g，對(duì)比該標(biāo)準(zhǔn)要求，采用該方法所制得的硅微粉產(chǎn)品Fe 雜質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)要求。
石英粉體粒度指標(biāo)隨著球磨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，見圖4。從圖4 可看出，石英粉體粒度的d90、d97指標(biāo)在球磨初始階段，即迅速下降，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，粒度下降速度漸趨緩慢，在粒度降低到一定程度時(shí)，粉體粒度基本上不再下降。原因是球磨過程中，球料之間的研磨作用產(chǎn)生的機(jī)械作用力使粉體粒度下降，粉體表面能增大，粉體越細(xì)，粒度下降所需消耗的能量急劇增加，粉體的細(xì)化將更加困難。同時(shí)，球磨過程的球體直徑，球料比等因素也會(huì)對(duì)粉體研磨效率有一定影響。
3 結(jié)論
以湖北省通山縣天然產(chǎn)出的高純石英為原料，通過粗碎、粗磨、酸洗、球磨、水洗、烘干等工藝，制備硅微粉產(chǎn)品，產(chǎn)品化學(xué)成分達(dá)到《電子及電器工業(yè)用二氧化硅微粉》標(biāo)準(zhǔn)要求。球磨過程提出一種新的球磨設(shè)備及工藝，采用聚氨酯球磨罐、氧化鋯陶瓷球作為球磨設(shè)備，使用酸性溶液作為球磨介質(zhì)，能夠成功避免球磨過程中雜質(zhì)的引入，而且可在一定程度上去除硅微粉中的含鐵雜質(zhì)，有效降低結(jié)晶硅微粉的生產(chǎn)成本。
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