CN101462727A

CN101462727A - 球形二氧化硅的制备方法

Info

Publication number: CN101462727A
Application number: CNA2008101213828A
Authority: CN
Inventors: 李文; 熬洲; 钱军
Original assignee: ZHEJIANG HUAFEI ELECTRONIC PACKING BASE MATERIAL CO Ltd
Current assignee: ZHEJIANG HUAFEI ELECTRONIC PACKING BASE MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2009-06-24

Abstract

本发明涉及一种微细的球形颗粒状二氧化硅的制备方法。它包括以下步骤：角形二氧化硅通过天然气和氧气的燃烧火焰的步骤；通过冷却区的步骤；颗粒分级的步骤。本发明采用纯氧和天然气相对格价低的能源，用高温火焰熔融角形二氧化硅颗粒，靠其熔融后的表面张力使之球化，由于纯氧和天然气的流量大，能将二氧化硅颗粒有效分散，减少了二氧化硅颗粒在表面熔融情况下结团的可能性，保证了最终产品的真球度。

Description

球形二氧化硅的制备方法

技术领域

本发明涉及一种微细的球形颗粒状二氧化硅的制备方法。

背景技术

SiO₂大量用于塑封料行业，将SiO₂、树脂、固化剂、阻燃剂、其他助剂等用特殊工艺进行混合，可制成塑封料，封装厂再用塑封料去封装电子元器件，如二极管、三极管、集成电路等电子元件。SiO₂在塑封料中占到60％—90％的比例，因此，是塑封料的重要材料。

角形SiO₂主要是封装二极管、三极管等电子元件，市场需求量大，国内需求量约在2-3万吨/年，每年还在以20％的速度增长，每吨价格只在1300-1500多元，价格很低。因角形SiO₂的生产工艺简单，只是球磨破碎和分级，生产企业较多，价格竞争激烈。

球形SiO₂是高端塑封料里用的填料，用于封装集成电路及大规模集成电路，环保型三极管、二极管等电子元件的塑封料中。因其是真球状(真球度大于90％以上)，具有高流动性；因其是高纯度的(SiO₂：99.8％以上，高温蒸煮后电导率在3-4us/cm)，有良好的绝缘性能；同时可以满足塑封料的高填充(填充量在85—90％wt)。提高封装器件的热传导率、机械强度、电气抵抗率，降低热膨胀率和吸湿率，减少封装时对集成电路的损伤。球形二氧化硅粉末的没有尖角，对模具的磨损小，使模具的使用寿命延长。

由于二氧化硅的添加量提高使得溴类阻燃剂的添加量减少，从而满足了产品的环保、阻燃要求。

目前球形SiO₂的每吨售价在30000-40000元人民币左右，是角形SiO₂售价的十到二十几倍。集成电路主要用于手机、平板电视、汽车、数码相机、笔记本电脑。目前全世界球形SiO₂的用量在60000吨/年，而且以15％的速度在增长，中国目前年用量在5000吨，预计10年内用量在40000吨，市场前景非常广阔。但球形二氧化硅的生产技术目前掌握在国外企业手中。

在已经公开的现有技术中，球形硅颗粒主要有两种制造方法：第一种溶胶-凝胶合成球形二氧化硅，它以价格低廉的石英矿物为基本原料，采用溶胶-凝胶技术，在分散剂和球形催化剂存在的条件下，制备出符合电子封装材料要求的高纯球形非晶态硅微粉，可见公开号为CN1830774，名为一种用天然粉石英制备高纯球形纳米非晶态硅微粉的方法的中国发明专利申请。另外一种是采用高频等离子制备球形硅微粉，如中国专利申请号为200580031471.8。但上述两种方法存在着设备要求高、成本过高、产品品质不够稳定等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备真球度高的二氧化硅非晶质球形颗粒的方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种球形二氧化硅的制备方法，它包括以下步骤：

A.角形二氧化硅通过天然气和氧气的燃烧火焰的步骤；

B.通过冷却区的步骤；

C.颗粒分级的步骤。

本发明所述的角形二氧化硅原料须符合纯度等性能要求，其具体要求是Fe₂O₃≤30ppm，电导率≤10us/cm，SiO₂≥99.8。

本发明利用天然气和氧气产生火焰，让角形二氧化硅颗粒通过上述火焰，角形二氧化硅能被所述的火焰熔融，在自由落体时通过表面的张力形成球状。氧气和天然气作为本发明的选择是因为：天然气作燃烧气体和氧气助燃的火焰温度达到2000摄氏度左右，恰好能够熔融二氧化硅，且不会过高造成能量浪费，且最大限度地降低了隔热保温设备的成本；天然气和氧气燃烧所需的气体流量大能够充分分散二氧化硅颗粒，避免其熔融后的相互碰撞；天然气和氧气是气体与气体之间的燃烧，其火焰、气流稳定，较少产生乱流，有效地减少了二氧化硅颗粒在被加热过程中相互碰撞的可能性；天然气便于利用，能够有效地降低本发明的工艺成本。

本发明角形二氧化硅颗粒经过火焰熔融后即由于表面张力成为球状，其还要经过一个冷却的步骤，二氧化硅在冷却的过程中逐渐定型，冷却后经过风力分级，选择分出不同粒径的二氧化硅颗粒。

本发明的一个关键是控制燃烧火焰有足够的稳定性，作为本发明的优选，燃烧氧气和天然气的摩尔比值大于2.3小于3.2。过量的氧气使得天然气的燃烧完全且火焰稳定，如果氧气的余量过大则会导致成球率较低。

控制本发明所述的火焰在一个燃烧炉中，有利于火焰的稳定，同时也有利于热量的保持，燃烧炉的大小对本发明所得的球形二氧化硅的形状有较大影响，作为本发明的优选，所述的A步骤具体是：角形二氧化硅颗粒、天然气、氧气通过同一入口从上向下地加入到一个燃烧炉中，氧气和天然气在燃烧炉中燃烧。在燃烧炉的上端天然气和氧气燃烧，角形二氧化硅颗粒从燃烧炉的上端加入，在高温火焰中被加热熔融，后经冷却。角形二氧化硅颗粒在高温火焰中，表面熔融，由于表面张力的存在形成球形。

通过试验表明，采用本发明所述的方法制得的球形二氧化硅材料的成球率高、分散性好、球化后粒度分布与原料保持一致性。

控制本发明所述角形二氧化硅颗粒在火焰中停留的时间对本发明最终所得的二氧化硅的成球率有较大影响，作为本发明的一个优选，本发明的角形二氧化硅颗粒在火焰中停留的时间为0.4-0.6秒。

在分散性上，采用天然气、氧气高温火焰法成球方法的气体总流量高，使天然气、氧气成球高温火焰方法中单位体积内的二氧化硅粉体的浓度低，颗粒间碰撞的机会少，熔融过程度中颗粒间极少会产生因碰撞团聚而使粒度分布粗大化现象。

二氧化硅颗粒和氧气、天然气同一方向喷出，即二氧化硅、氧气、天然气通过同一入口进入燃烧炉中。这样，二氧化硅颗粒被气体分散，其相互接触的几率降低。同时，二氧化硅颗粒能和产生火焰的气体同步运动，这样能保证颗粒处于火焰中的时间，有效的利用火焰的长度。

作为本发明的优选，所述的燃烧炉的内部是直径为3-6m，长为10-15m的圆柱体。通常本发明的燃烧炉可采用高温耐火砖砌筑，保温效果好。

由于火焰从燃烧炉的上端中心处喷出，可能将大量的二氧化硅颗粒送到燃烧炉的炉壁上。这样不仅造成了二氧化硅颗粒的浪费还会引起整条生产线的故障。为了解决这一问题，本实用新型在燃烧炉的上端四周设有开口。由于炉内的负压，在炉内会形成延炉壁向下的冷风，上述冷风阻止二氧化硅颗粒和炉壁的碰撞。

作为本发明的优选，采用压缩空气输送角形二氧化硅颗粒进入燃烧炉。通过压缩空气输送二氧化硅颗粒使其分散性更好。

作为本发明的优选，所述的氧气、天然气、角形二氧化硅颗粒通过同一喷嘴喷入燃烧炉中，所述的喷嘴为三层的同心圆，内层为角形二氧化硅层，中层为天然气层，外层为氧气层。即喷嘴喷出三股物料，中间为圆形的角形二氧化硅流柱，中将的是天然气环柱，外层的是氧气环柱，通过如此设计，角形二氧化硅颗粒能够充分地吸收火焰所产生的热量，且各种气流不会相互激荡。

本发明的天然气、氧气备制球形二氧化硅的方法完全能生产出符合大规模、超大规模集成电路、封装用球形二氧化硅材料所要求的各项性能指标。进行大批量工业化生产，成球工艺可靠度、质量合格率和工程稳定性等都就具有高可靠性。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明选用较好的二氧化硅原料，它有效的避免加工过程中其它杂质的混入，保证球形二氧化硅的原料不受污染；

2、本发明采用纯氧和天然气相对格价低的能源，用高温火焰熔融角形二氧化硅颗粒，靠其熔融后的表面张力使之球化，由于纯氧和天然气的流量大，能将二氧化硅颗粒有效分散，减少了二氧化硅颗粒在表面熔融情况下结团的可能性，保证了最终产品的真球度；

3、本发明选择稳定的燃烧炉，并且优选了氧气和天然气的比值，使得本发明的火焰燃烧稳定，二氧化硅不易在燃烧炉中杂乱碰撞；

4、本发明优选了二氧化硅颗粒在火焰中的停留时间，使得二氧化硅有足够的熔融时间且不会浪费能源；

5、本发明在燃烧炉的上端四周开设了通口，在燃烧炉内四周形成下冷风，防止了高温的二氧化硅碰撞炉壁，同时形成了保温层，提高了炉的保温效果；

附图说明

图1是本发明实施例1中生产设备的结构示意图；

图2是图1中喷嘴部的放大图。

具体实施例

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例1：选二氧化硅原料通过互相碰撞、剪切等物理作用，磨粉碎得角形二氧化硅颗粒。所得的角形二氧化硅颗粒放入二氧化硅颗粒料斗1中。如图1、2所示，将天然气、氧气、二氧化硅颗粒的管道接入燃烧炉2中，燃烧用的氧气、天然气和二氧化硅颗粒通过同一喷嘴3进入燃烧炉中，喷嘴3有内层3a、中层3b、外层3c三层构成，其中内层3a接通二氧化硅颗粒料斗1，中层3b接通天然气，外层3c接通氧气。本实施例中氧气的通入量是天然气的通入量2.3倍(物质的量的比)。所述的燃烧炉2内部空间是直径为3m，高为10m的圆柱体，其周壁是耐火砖砌成，在燃烧炉2的上端中心出接入喷嘴3，在燃烧炉2的上端四周开有开口2a，天然气和氧气约在离开喷嘴的1-6m处产生火焰，二氧化硅颗粒通过上述1-6m火焰的停留时间是0.4s。二氧化硅颗粒通过上述火焰区后被熔融，在燃烧炉2的下端被冷却。在燃烧炉2的下端，已经成为球形的二氧化硅被风机10通过管道7吸出，进过颗粒分级收集罐8和颗粒分级收集罐9的收集后得到分级的球形二氧化硅颗粒。

表1是本发明实施例1和实施例2对国外的球形二氧化硅粉体成份、电导、离子含量实测结果对比。从上表可以看出，本发明所得的球形二氧化硅的各项性能接近日本龙森公司的最高水平，优于其它国外公司的产品。

实施例2：本实施例与实施例1不同的是，所述氧气的通入量为天然气的通入量的3.2倍，所述的燃烧炉内部是之间为6m高为15m的圆柱体；所述的二氧化硅在火焰中的停留时间是0.6s；本实施例中的二氧化硅颗粒是通过压缩空气送入燃烧炉中。

表1

Claims

1、一种球形二氧化硅的制备方法，它包括以下步骤：

A.角形二氧化硅通过天然气和氧气的燃烧火焰的步骤；

B.通过冷却区的步骤；

C.颗粒分级的步骤。

2、根据权利要求1所述的球形二氧化硅的制备方法，其特征在于：A步骤中的氧气和天然气的摩尔比值大于2.3小于3.2。

3、根据权利要求1所述的球形二氧化硅的制备方法，其特征在于：所述的A步骤具体是：角形二氧化硅颗粒、天然气、氧气通过同一入口从上向下地加入到一个燃烧炉中，氧气和天然气在燃烧炉中燃烧。

4、根据权利要求1所述的球形二氧化硅的制备方法，其特征在于：角形二氧化硅颗粒在所述的燃烧火焰中停留的时间为0.4-0.6秒。

5、根据权利要求3所述的球形二氧化硅的制备方法，其特征在于：所述的燃烧炉的内部是直径为3-6m，长为10-15m的圆柱体。

6、根据权利要求3所述的球形二氧化硅的制备方法，其特征在于：燃烧炉的上端四周设有开口。

7、根据权利要求3所述的球形二氧化硅的制备方法，其特征在于：采用压缩空气输送角形二氧化硅颗粒进入燃烧炉。

8、根据权利要求3所述的球形二氧化硅的制备方法，其特征在于所述的氧气、天然气、角形二氧化硅颗粒通过同一喷嘴喷入燃烧炉中，所述的喷嘴为三层的同心圆，内层为角形二氧化硅层，中层为天然气层，外层为氧气层。