CN106744985B - 一氧化硅纳米材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一氧化硅纳米材料及其制备方法，本发明材料包括如下重量份原料：金刚线切割硅粉90‑120份，毫米级多晶硅粉20‑30份，硅氧化合物0‑90份。本发明方法；将原料按比例湿法或干法混均，将干燥混合料放入坩埚内，在混合料上面均匀覆盖一层毫米级多晶硅粉，送至真空炉；开启真空泵，升温至400‑700℃，负压保温一定时间，控制真空度500pa‑1000pa；开启氩气罐，维持上述负压和真空度，快速升温并维持温度为1300‑1400℃，控制氩气流量为0.5L/min‑10L/min，开启冷凝收集罐，保持温度在100‑200℃；反应结束后降温，关闭真空，真空炉和冷凝收集罐的真空度到常压时，关闭氩气罐，即得所述一氧化硅纳米材料，粒径为30‑100nm。
Description
技术领域
本发明属于氧化硅技术领域，特别是涉及一种一氧化硅纳米材料及其制备方法。
背景技术
光伏产业链中，有40％到50％的硅原料被切割成硅粉碎屑，其总量达到数万吨/年。随着技术不断革新，硅片切割主流方向为金刚线切割，该方式切割的硅粉粒径较小，属于亚微米范围，具有非常高的活性。由于在切割和后处理过程中表面氧化，同时粉体中含有金刚石、金属物、树脂粉末等其它杂质，因此在硅粉的再利用上，未见较高附加值方向。
光伏行业的切割硅粉粒径小、活性高、内核纯度高，同时市场上有大量的供应量，价格低，该原料的再利用可以大大降低锂电池硅碳负电极材料的生产成本。
一氧化硅纳米材料具备较高的理论比容量(1400Ahg-1以上)，具有纳米粒径的特性减少充放电过程中的剧烈体积变化。因此，利用金刚线切割硅粉来制备一氧化硅纳米材料具有重要的经济价值和环境价值。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一氧化硅纳米材料及其制备方法，大大降低了高纯一氧化硅的制备成本，同时解决了硅粉碎屑造成的环境污染问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种一氧化硅纳米材料，包括如下重量份的原料：金刚线切割硅粉90-120份，毫米级多晶硅粉20-30份，硅氧化合物0-90份。
所述金刚线切割硅粉的粒径为D50＝0.5-0.8um；所述毫米级多晶硅粉的粒径为D50＝2-5mm，所述硅氧化合物的粒径为D50＝20-50nm。
所述硅氧化合物为气相白炭黑、石英粉、非金属离子型硅溶胶或硅酸锂中的一种。
上述一氧化硅纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将金刚线切割硅粉，毫米级多晶硅粉与硅氧化合物按比例采用湿法或干法混合均匀，其中湿法混匀的混合料须经干燥去除水分；
(2)将上述干燥混合料放入坩埚内，在混合料上面再均匀覆盖一层毫米级多晶硅粉，送至真空炉；
(3)开启真空泵，升温至400-700℃，负压保温一定时间，控制真空度为500pa-1000pa，去除物料中残留的水分和有机杂质；
(4)开启氩气预热加热器，开启氩气罐，向真空炉内通入氩气，维持上述负压和真空度，将真空炉快速升温并维持温度为1300-1400℃，升温过程调节氩气罐阀门，控制氩气流量为0.5L/min-10L/min，开启冷凝收集罐，打开冷凝收集罐排气口，保持冷凝收集罐温度在100-200℃；
(5)反应结束后降温，关闭真空，真空炉和冷凝收集罐的真空度到常压时，关闭氩气罐，即得所述一氧化硅纳米材料。
所述步骤(1)中湿法混合的方式为：原料混合于高纯水中，以800-2000rpm/min的转速高速搅拌0.5-1.5小时，混匀后的浆料用隔膜压滤机去除水分，形成滤饼，滤饼通过刮片薄膜干燥器烘干，形成均匀的干燥混合料。
所述步骤(2)中混合料放入坩埚时保持物料疏松，覆盖的毫米级多晶硅粉的厚度为20mm。
所述步骤(3)中压力为-900-20KPa，保温时间为0.5-1.5小时。
所述步骤(4)中氩气的通入方法为：坩埚底部设置有多孔陶瓷过滤器，氩气管连接多孔陶瓷过滤器底部接口，氩气从混合料底部的多孔陶瓷过滤器通入，多孔陶瓷过滤器孔径大小为1-5um。
所述金刚线切割硅粉预先经过处理，以去除有机杂质和金属杂质。
所述真空炉的加热方式为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热或微波加热中的一种。
本发明的原理如下：
金刚线切割硅粉是一种具有良好活性的内核高纯材料，金属硅与二氧化硅在高温下可以发生歧化反应，反应产物一氧化硅升华以气态形式存在。
Si(S)+SiO2(S)＝＝＝＝＝＝2SiO(g)
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)采用粒径在亚微米范围内的金刚线切割硅粉，具有较大的比表面积，因此有非常高的活性，有效减少了反应时间，大大降低能耗，同时解决了硅粉碎屑造成的环境污染问题。
(2)原料硅粉粒径较小，在抽真空的过程中极易被抽走，通过多孔陶瓷过滤器和毫米级多晶硅粉的阻隔作用来解决，并在原料底部通入高温氩气，氩气流速控制，避免金刚线硅粉被真空泵抽走，多孔陶瓷过滤器利于气体在原料内部均匀分散，减少物料烧结团聚，同时添加毫米级多晶硅粉从而形成均匀孔隙，有利于反应后升华的一氧化硅从孔隙中向上逸出，大大提高一氧化硅的逸出率。
(3)高纯氩气的流量控制和冷凝收集罐的温度控制可以有效的控制一氧化硅纳米材料的粒径和减少歧化反应。
(4)本发明的一氧化硅纳米材料的制备方法，采用蒸发冷凝工艺，显著提高了反应率，制备原料易得，生产成本低，易于大规模的工业化生产；制备的一氧化硅纳米材料纯度高，粒径为30-100nm。
附图说明
图1为本发明的一氧化硅纳米材料SEM电镜图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种一氧化硅纳米材料，包括如下重量份的原料：金刚线切割硅粉90-120份，毫米级多晶硅粉20-30份，硅氧化合物0-90份。
金刚线切割硅粉的粒径为D50＝0.5-0.8um；毫米级多晶硅粉的粒径为D50＝2-5mm，硅氧化合物的粒径为D50＝20-50nm。
硅氧化合物为气相白炭黑、石英粉、非金属离子型硅溶胶或硅酸锂中的一种。
上述一氧化硅纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将金刚线切割硅粉，毫米级多晶硅粉与硅氧化合物按比例采用湿法或干法混合均匀，其中湿法混匀的混合料须经干燥去除水分。
(2)将上述干燥混合料放入坩埚内，在混合料上面再均匀覆盖一层毫米级多晶硅粉，送至真空炉。
(3)开启真空泵，升温至400-700℃，负压保温一定时间，控制真空度为500pa-1000pa，去除物料中残留的水分和有机杂质，避免杂质的存在对产物纯度造成影响，以此提高产品品质。
(4)开启氩气预热加热器，开启氩气罐，向真空炉内通入氩气，维持上述负压和真空度，将真空炉快速升温并维持温度为1300-1400℃，升温过程调节氩气罐阀门，控制氩气流量为0.5L/min-10L/min，开启冷凝收集罐，打开冷凝收集罐排气口，保持冷凝收集罐温度在100-200℃；冷凝收集罐连接在线监控仪，根据每M3气体中含有一氧化硅颗粒数来监控反应情况。
(5)反应结束后降温，关闭真空，真空炉和冷凝收集罐的真空度到常压时，关闭氩气罐，即得一氧化硅纳米材料。
步骤(1)中湿法混合的方式为：原料混合于高纯水中，以800-2000rpm/min的转速高速搅拌0.5-1.5小时，混匀后的浆料用隔膜压滤机去除水分，形成滤饼，滤饼通过刮片薄膜干燥器烘干，形成均匀的干燥混合料。
步骤(2)中混合料放入坩埚时保持物料疏松，覆盖的毫米级多晶硅粉的厚度为20mm。
步骤(3)中压力为-900-20KPa，保温时间为0.5-1.5小时。
步骤(4)中氩气的通入方法为：坩埚底部设置有多孔陶瓷过滤器，氩气管连接多孔陶瓷过滤器底部接口，氩气从混合料底部的多孔陶瓷过滤器通入，多孔陶瓷过滤器孔径大小为1-5um。有利于氩气均匀地通入，从而推动一氧化硅逸出，防止原料烧结凝固堵塞孔隙；高纯氩气须预热至1300-1400℃，避免气态一氧化硅凝固；氩气流量根据真空度和上层覆盖毫米级多晶硅粉厚度调节；多孔陶瓷过滤器为碳化硅多孔陶瓷过滤器。
金刚线切割硅粉预先经过处理，以去除有机杂质和金属杂质。
金刚线切割硅粉中有机杂质的去除采用有机溶剂洗涤或高温灼烧挥发，所用有机溶剂为乙醇或丙酮。
金刚线切割硅粉中金属杂质的去除采用酸处理，使其金属杂质低于100ppm，所用酸为盐酸、草酸或醋酸中的一种。
真空炉的加热方式为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热或微波加热中的一种。
实施例1
取金刚线切割硅粉120份，毫米级多晶硅粉30份，干法混合均匀，将干燥混合料放入底部设置多孔陶瓷过滤器的坩埚内，保持物料疏松，在混合料上面再均匀覆盖一层厚度为20mm的毫米级多晶硅粉，送至真空炉；开启真空泵，升温至400-700℃，压力为-900-20KPa条件下，保温时间为0.5-1.5小时，控制真空度为500pa-1000pa，去除物料中残留的水分和有机杂质；开启氩气预热加热器，开启氩气罐，向真空炉内通入氩气，氩气从混合料底部的多孔陶瓷过滤器通入，维持上述压力和真空度，将真空炉快速升温并维持温度为1300-1400℃，升温过程调节氩气罐阀门，控制氩气流量为10L/min，开启冷凝收集罐，打开冷凝收集罐排气口，保持冷凝收集罐温度在100-200℃；冷凝收集罐连接在线监控仪，根据每M3气体中含有一氧化硅颗粒数来监控反应情况；反应结束后降温，关闭真空，真空炉和冷凝收集罐的真空度到常压时，关闭氩气罐，即得一氧化硅纳米材料，粒径为30nm。
实施例2
取金刚线切割硅粉90份，毫米级多晶硅粉20份，硅氧化合物50份，混合于高纯水中，以800-2000rpm/min的转速高速搅拌0.5-1.5小时，混匀后的浆料用隔膜压滤机去除水分，形成滤饼，滤饼通过刮片薄膜干燥器烘干，形成均匀的干燥混合料；将干燥混合料放入底部设置多孔陶瓷过滤器的坩埚内，保持物料疏松，在混合料上面再均匀覆盖一层厚度为20mm的毫米级多晶硅粉，送至真空炉；开启真空泵，升温至400-700℃，压力为-900-20KPa条件下，保温时间为0.5-1.5小时，控制真空度为500pa-1000pa，去除物料中残留的水分和有机杂质；开启氩气预热加热器，开启氩气罐，向真空炉内通入氩气，氩气从混合料底部的多孔陶瓷过滤器通入，维持上述压力和真空度，将真空炉快速升温并维持温度为1300-1400℃，升温过程调节氩气罐阀门，控制氩气流量为5L/min，开启冷凝收集罐，打开冷凝收集罐排气口，保持冷凝收集罐温度在100-200℃；冷凝收集罐连接在线监控仪，根据每M3气体中含有一氧化硅颗粒数来监控反应情况；反应结束后降温，关闭真空，真空炉和冷凝收集罐的真空度到常压时，关闭氩气罐，即得一氧化硅纳米材料，粒径为80nm。
实施例3
取金刚线切割硅粉90份，毫米级多晶硅粉20份，硅氧化合90份，混合于高纯水中，以800-2000rpm/min的转速高速搅拌0.5-1.5小时，混匀后的浆料用隔膜压滤机去除水分，形成滤饼，滤饼通过刮片薄膜干燥器烘干，形成均匀的干燥混合料；将干燥混合料放入底部设置多孔陶瓷过滤器的坩埚内，保持物料疏松，在混合料上面再均匀覆盖一层厚度为20mm的毫米级多晶硅粉，送至真空炉；开启真空泵，升温至400-700℃，压力为-900-20KPa条件下，保温时间为0.5-1.5小时，控制真空度为500pa-1000pa，去除物料中残留的水分和有机杂质；开启氩气预热加热器，开启氩气罐，向真空炉内通入氩气，氩气从混合料底部的多孔陶瓷过滤器通入，维持上述压力和真空度，将真空炉快速升温并维持温度为1300-1400℃，升温过程调节氩气罐阀门，控制氩气流量为0.5L/min，开启冷凝收集罐，打开冷凝收集罐排气口，保持冷凝收集罐温度在100-200℃；冷凝收集罐连接在线监控仪，根据每M3气体中含有一氧化硅颗粒数来监控反应情况；反应结束后降温，关闭真空，真空炉和冷凝收集罐的真空度到常压时，关闭氩气罐，即得一氧化硅纳米材料，粒径为100nm。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将金刚线切割硅粉90-120份，毫米级多晶硅粉20-30份与硅氧化合物0-90份采用湿法或干法混合均匀，其中湿法混匀的混合料须经干燥去除水分；
(2)将上述干燥混合料放入坩埚内，在混合料上面再均匀覆盖一层毫米级多晶硅粉，送至真空炉；
(3)开启真空泵，升温至400-700℃，负压保温一定时间，控制真空度为500pa-1000pa，去除物料中残留的水分和有机杂质；
(4)开启氩气预热加热器，开启氩气罐，向真空炉内通入氩气，维持上述负压和真空度，将真空炉快速升温并维持温度为1300-1400℃，升温过程调节氩气罐阀门，控制氩气流量为0.5L/min-10L/min，开启冷凝收集罐，打开冷凝收集罐排气口，保持冷凝收集罐温度在100-200℃；
(5)反应结束后降温，关闭真空，真空炉和冷凝收集罐的真空度到常压时，关闭氩气罐，即得所述一氧化硅纳米材料。
2.根据权利要求1所述的一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述金刚线切割硅粉的粒径为D50＝0.5-0.8um；所述毫米级多晶硅粉的粒径为D50＝2-5mm，所述硅氧化合物的粒径为D50＝20-50nm。
3.根据权利要求1所述的一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述硅氧化合物为气相白炭黑、石英粉、非金属离子型硅溶胶或硅酸锂中的一种。
4.根据权利要求1所述的一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中湿法混合的方式为：原料混合于高纯水中，以800-2000rpm/min的转速高速搅拌0.5-1.5小时，混匀后的浆料用隔膜压滤机去除水分，形成滤饼，滤饼通过刮片薄膜干燥器烘干，形成均匀的干燥混合料。
5.根据权利要求1所述的一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中混合料放入坩埚时保持物料疏松，覆盖的毫米级多晶硅粉的厚度为20mm。
6.根据权利要求1所述的一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中压力为-900-20KPa，保温时间为0.5-1.5小时。
7.根据权利要求1所述的一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中氩气的通入方法为：坩埚底部设置有多孔陶瓷过滤器，氩气管连接多孔陶瓷过滤器底部接口，氩气从混合料底部的多孔陶瓷过滤器通入，多孔陶瓷过滤器孔径大小为1-5um。
8.根据权利要求1所述的一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述金刚线切割硅粉预先经过处理，以去除有机杂质和金属杂质。
9.根据权利要求1所述的一氧化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述真空炉的加热方式为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热或微波加热中的一种。
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