周新軍,李佩悅,2,尚德興,吳建新

(1.中建材蚌埠玻璃工業(yè)設計研究院有限公司，蚌埠 233010；2.武漢理工大學環(huán)境與資源工程學院，武漢 430070)

硅微粉(SiO2)由于其獨特的物理化學性質，在航空航天、電子科技、機械、醫(yī)藥以及化妝品產業(yè)有廣泛的應用，隨著國內科學技術的飛速發(fā)展，硅微粉需求日益增加，對其性能和品質的要求也更加苛刻。

硅微粉一般由天然石英礦物經破碎、粉磨、浮選、酸浸提純和去離子水清洗處理等多重工藝加工制作而成。對硅微粉進一步采用改性劑等進行表面改性處理，可制得活性硅微粉?；钚怨栉⒎墼鰪娏斯栉⒎鄣脑魉阅堋⑻岣吡嘶旌狭弦约疤畛湎到y(tǒng)的機械和化學特性。目前國內普通硅微粉生產應用較多，生產加工工藝成熟，科研工作者對硅微粉的制備技術進行了較多研究。蔣述興等[1]采用釔穩(wěn)定氧化鋯球為研磨介質，研究了不同磨礦條件下硅微粉的形貌特征及硅微粉的污染情況。張宇平等[2]采用含斜綠泥石的粉石英制備硅微粉，研究了浮選和酸提純的作用和反應機理，制備的硅微粉中SiO2含量99.86%、Al2O30.090%、Fe2O30.010%。侯波等[3]以四川江油石英砂巖為原料，通過球磨擦洗工藝制備Fe2O3含量為0.009 8%，白度為87.5的電子硅微粉。

該試驗以太湖某地脈石英礦物為原料，在對其進行礦物學分析的基礎上，采用了多種選礦工藝嚴格控制石英中雜質含量，然后通過磨礦、離子清洗、改性等工藝制備出高品級電子硅微粉，對太湖地區(qū)大量的石英資源高效利用有一定借鑒意義。

1 原礦特征及預處理

1.1 化學成分

采用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)對礦樣進行化學成分分析，結果見表1。根據ICP分析，石英化學純度較高，SiO2高達99.67%，雜質元素含量較少，主要為Fe、Al、Ca、K及Na。

表1 石英礦樣品化學成分分析 /%

1.2 礦物組成及特征

礦物為塊狀構造，結構致密，硬度較大，外觀呈半透明或白色，有玻璃光澤，礦物表面部分鐵質浸染。光學顯微鏡分析，礦物主要成分為石英，脈石英礦物主要為少量云母、褐鐵礦和方解石，云母主要分布在石英邊緣或以礦物包裹體形式存在，褐鐵礦和方解石充填于石英顆粒內發(fā)育的少量裂隙中。石英表面和不同層面，可見大量的氣液包體，少數顆粒內可見鋯石礦物包體。

1.3 石英砂制備

采用鄂式破碎機對安徽太湖石英礦進行多段破碎，獲得-3.2 mm的石英砂。將石英砂加入濕式棒磨機進行磨礦，通過檢查篩分控制產物粒度在0.6 mm以下，然后礦漿通過水力分級和磁選進行分選，去除破碎和磨礦過程中摻入的部分鐵質，處理后的石英精砂雜質含量大幅降低，強磁精砂指標SiO2，99.84%；Al2O3，0.012%；Fe2O3，0.004 6%。

2 試驗研究

2.1 介質擦洗試驗

為繼續(xù)分離出強磁精砂中的雜質，對其采用酸性介質進行擦洗提純試驗。擦洗需要對石英礦物高速攪拌，利用機械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵，同時增加酸介質與礦物表面雜質的接觸概率，加快酸介質對含鐵化合物的溶解速度。

1)介質濃度對擦洗效果的影響 使用硫酸作為擦洗介質進行試驗，硫酸相對礦物用量分別為5 kg/t、10 kg/t、20 kg/t、30 kg/t、40 kg/t、50 kg/t，介質擦洗時間20 min，采用精砂中Fe2O3含量表征擦洗效果，硫酸用量與擦洗效果的關系如圖1所示。隨著介質濃度由5 kg/t增加至30 kg/t過程中，精砂中Fe2O3含量先顯著降低，硫酸用量增加至30 kg/t后，下降斜率趨緩，硫酸用量超過40 kg/t，Fe2O3含量不再降低，為達到最佳試驗效果，硫酸用量確定為40 kg/t比較合適。

2)攪拌時間對擦洗效果的影響 硫酸濃度為40 g/L，按照5 min、10 min、15 min、20 min、25 min的攪拌時間進行擦洗試驗，得到攪拌時間與擦洗效果的關系如圖2所示。隨著攪拌時間增加，精砂中Fe2O3含量先降低后趨于穩(wěn)定，作用時間15 min已經能夠達到最佳效果，石英中雜質含量明顯降低，分析精砂的化學組成為：SiO2，99.90%；Al2O3，0.050%；Fe2O3，0.001 9%，石英質量較好。

2.2 磨礦試驗

為制備滿足JGH-1000標準電子級硅微粉[4]，物料中-10 μm粒度含量需高于65%，采用XMCQ180×200瓷襯球磨機進行磨礦，磨礦介質為釔穩(wěn)定氧化鋯球。

2.2.1 磨礦時間與產品粒度的關系

按照磨礦時間分別為1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h、3.5 h、4 h進行磨礦，對磨礦產物采用馬爾文激光粒度儀進行粒度測試，分別統(tǒng)計粒度處于-10 μm、-25 μm粉體的質量分數，試驗結果如圖3所示，磨礦2 h后產物-10 μm含量為67.2%，可滿足JG-1000粉體的粒度要求。

2.2.2 球料比對產品的影響

磨礦介質是磨礦中能量轉換媒介，球料比直接關系到能量轉換的效率[5]。入料質量不變的條件下，采用不同質量氧化鋯球進行磨礦試驗，試驗結果如圖4所示。在磨礦介質球與物料質量比從10增加到至14過程中，粉體-10 μm含量依次增加，磨礦效率有較大提升，繼續(xù)增加磨礦介質，磨礦效率的提升較幅度微弱，球料比在14比較適合。

2.3 離子清洗試驗

電子級硅微粉廣泛應用于集成電路、電子元件的塑封料和包裝料中，硅微粉中存在的游離離子，會劣化其電學性能，因此成品中必須嚴格控制游離離子含量。硅微粉的加工過程中，由于石英內部解離和外部吸附的作用，硅微粉中會含有一定量的K+、Na+等離子，試驗采用去離子水對硅微粉多次清洗，每次清洗去離子水用量與硅微粉質量比為1∶1，清洗后測試硅微粉萃取液電導率，清洗次數與硅微粉萃取液電導率關系如圖5所示。

磨礦后所得的硅微粉萃取液電導率為12.3 μs/cm，不能滿足電子級硅微粉的質量要求，采用去離子水清洗后，硅微粉萃取液的電導率快速下降，清洗三次之后，電導率值已經到達一個穩(wěn)定區(qū)。為使硅微粉萃取液電導率達到5 μs/cm以下，清洗兩次即可滿足條件。

2.4 改性試驗

由于直接磨礦后硅微粉細顆粒的含量多且表面能高，這些顆粒處于不穩(wěn)定狀態(tài)，大量細顆粒傾向通過團聚降低表面能，造成其在樹脂體系中的分散性差，因此必須對硅微粉的表面進行改性。采用硅烷類偶聯(lián)劑KH-570對顆粒表面進行處理，可將硅微粉親水性表面轉變?yōu)橛H有機性表面，提高有機高分子材料對粉體的潤濕性，一方面改善粉體在樹脂體系中的分散性，另一方面通過官能團使硅微粉與有機高分子材料形成牢固的共價鍵界面結合。

偶聯(lián)劑KH-570用量相對硅微粉質量分別為0、0.05%、0.1%、0.15%，溫度120 ℃條件下，硅微粉在高速混合機中改性30 min，采用活化指數和吸油值表征改性效果，試驗結果如圖6所示。

改性后硅微粉的活化指數增加明顯，吸油值降低，KH570用量為0.1%，偶聯(lián)劑在硅微粉表面達到了較好包覆效果，粉體的表面性質得到明顯改善，對該條件下活性硅微粉的化學成分和水萃取液的測試結果見表2，各項指標高于電子工業(yè)部SJ/T10675—2002標準要求。

表2 硅微粉各項指標

3 結 論

a.工藝礦物學研究表明，安徽太湖脈石英礦物石英純度較高，礦物是少量云母、褐鐵礦和方解石，采用“磨礦—分級—磁選”流程處理后，在硫酸用量40 kg/t條件下擦洗15 min后獲得高品質石英精砂，化學組成為：SiO2，99.90%；Al2O3，0.050%；Fe2O3，0.001 9%，具有較高利用價值。

b.對擦洗后石英砂無污染球磨2 h，去離子水清洗兩次，然后120 ℃條件下采用0.1% KH-570改性，所得粉體-10 μm含量68.0%，萃取液電導率3.01 μs/cm，粉體活化指數82.3%，指標高于電子工業(yè)部SJ/T10675—2002中電子級活性硅微粉質量要求。