热爆裂法去除SiO2微粉中的杂质.pdf

第5 7 卷第3 期 2005 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 7 ，N o ．3 A u g u s t 2 0 0 5 热爆裂法去除S i 0 2 微粉中的杂质 李清海，翟玉春，田彦文，赵乃仁，霍玉秋 东北大学材料与冶金学院，沈阳”0 0 0 4 摘要通过显微镜观察和x 一射线衍射分析方法，研究用热爆裂法除去二氧化硅微粉中杂质的过程。结果表明，加热到一 定温度后矿物中的包裹体发生爆裂。热爆裂处理后的二氧化硅微粉分别采用超声波水洗和酸洗处理，8 0 0 ℃热爆裂比7 0 0 “ C 除杂 质效果好，酸洗除杂效果较好于水洗。热爆裂处理过程伴随有二氧化硅粉体的晶型转化。 关键词无机非金属材料；二氧化硅微粉；热爆裂；除杂质；浸出 中图分类号T B 3 8 3 ；T B 3 2 1 ；T F l 2 3 ．9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 3 0 0 4 1 0 3 二氧化硅微粉广泛应用于耐高温润滑油、高强 度耐磨橡胶、工程塑料、焊条保护层、塑封料、陶瓷材 料等。在制造大规模集成电路时所应用的封装材料 中，二氧化硅微粉占7 0 ％，对其纯度要求很高L lJ 。 开采出来的石英矿一般要经过人工拣选、机械擦洗、 粗碎、磨碎、分级、水洗、烘干、细磨、分级、水洗、烘干 后获得一定粒度的石英粉。经历过这些步骤后获得 的二氧化硅微粉粒子中的杂质仍然存在。因为石英 中存在大量的含有杂质的包裹体，其数量可达1 0 9 个／c m 3 ，在研磨过程中会有一部分包裹体被打开， 但是粉体内部的包裹体仍完整存在【2J 。应用爆裂 法打开石英粒子内部包裹体有良好效果，再经过酸 浸出、水洗、烘干可获得更高纯度的二氧化硅微粉。 1实验方法 1 ．1 热爆裂观察 将石英矿石切割成薄片，经打磨抛光成约l m m 厚的透明石英片，放置到显微镜观察台上逐渐加热， 在放大1 0 0 倍下观察石英片中的包裹体爆裂状况。 1 ．2 打开包裹体 将二氧化硅粉用去离子水洗净，于1 0 0 ℃烘干 后，称取约2 0 9 倒入石英吊筒内，吊人立式高温炉恒 温区，通入氮气，1 h 后取出冷却至室温。把热爆后 的二氧化硅粉倒入石英烧杯，用1 0 ％硫酸超声浸泡 1 0 h ，用去离子水洗至无硫酸根检出，1 0 0 ℃烘干。 1 ．3 实验装置 试验所用装置示意图如图1 所示。 收稿日期2 0 0 4 0 4 0 1 作者简介李清海 1 9 7 1 一 ，男，吉林农安县人，教授，博士生 1 一气瓶；2 一控温仪；3 一石荚吊简； 5 一气体吸收管 c a o ；4 一炉体；6 一气体指示瓶 图1 爆裂法打开包体装置 F i g ．1E q u i p m e n tu s e df o ri n c l u s i o nb r e a k i n g b yt h e r m a lc r a c km e t h o d 2 试验结果与讨论 2 ．1 包裹体热爆裂观察结果 图2 中 a ～ d 分别为2 0 ℃，1 5 0 ℃，2 5 0 ℃， 4 1 0 ℃含有包裹体的石英矿薄片照片。从图2 可以 发现，随温度升高，照片中间的包裹体有明显的变 化。图 a 中箭头所指的是几个包裹体，其中a 包裹 体含有圆球形液滴，加热到2 5 0 ℃液滴逐渐模糊，加 热到2 5 0 ℃液滴已完全汽化消失，继续升高温度到 4 1 0 “ C 包体内气压增大使包体暴裂。由此可见，采用 热爆法可以打开二氧化硅粉中包裹体。 气液包裹体是矿物形成时或形成后由某种机理 而封闭在晶体内的一些小体积的流体。几乎所有矿 物都有气液包体存在。石英中的气液包裹体十分丰 富，大小一般在1 ～1 0 0 肚m [ 3 I 。爆裂法打开包裹体 万方数据 4 2有色金属第5 7 卷 a 一2 0 ℃； b 一1 5 0 1 2 ； c 一2 5 0 ℃； d 一4 1 0 ℃ 图2 包裹体随温度变化图 F i g ．2C h a n g e so fi n c l u s i o n sw i t ht e m p e r a t u r e 的根据是对于比熔低的液态包体，亦即以熔体为主 的气液包体或所谓起源于液相的包体，当其温度升 高时包体中的压力将逐渐增加。当均化后气泡消失 已无缓冲余地，只要在略微加热，压力将骤然增加， 以至对矿物产生巨大压力而发生爆裂。位于矿物颗 粒表面的包体可能在低于均化温度下即发生爆炸。 而位于矿物颗粒深部的包体，将在高于均化温度以 后的一段时间内发生较强烈爆炸，但大多数包体的 爆裂将在略高于均化温度的条件下骤然发生。对天 然石英的研究表明，如果包体十分细小，爆裂温度远 高于均化温度，甚至在加热到很高温度时也不爆裂。 从图2 a 中包裹体b 和C 与温度升高到4 1 0 ℃图2 d 的对应包裹体比较，此时温度能打开大的包裹体a ，但 是对于小的包裹体b 和c 仍然没有打开。因此采用 爆裂法打开包裹体除杂质选择高温效果会更好。 2 ．2 热爆裂除杂效果 从表中1 数据可以看出，二氧化硅微粉经 7 0 0 ℃热爆后水洗酸洗除杂效果比较，酸洗效果好。 这可能是爆裂出来的物质有些易溶于酸而不溶于水 所造成的。8 0 0 ℃与7 0 0 ℃打开包体酸洗除杂质的 结果比较，8 0 0 ℃打开包体除杂质的效果要好。说明 温度的升高更有利于去除杂质。 2 ．3 差热分析和X 射线衍射分析结果 图3 为二氧化硅微粉的差热分析图。图中显示 有4 个吸热峰，1 1 8 ．8 “ C 吸收峰是由于表面吸附水蒸 发所产生的。5 7 7 ．7 9 ℃吸收峰是由于口一石英转变 为p 石英引起的，1 1 4 5 ．1 5 ℃吸收峰是由于p 石英 转变为a 一方石英所造成的【4J ，1 3 6 5 ．3 8 ℃吸收峰是 由于二氧化硅粉逐渐转变成玻璃态所造成的。图4 为二氧化硅微粉的X 射线衍射图，通过与标准图谱 对比，说明此二氧化硅微粉为a 一石英粉。 表1 不同温度热爆裂后酸洗、 水洗除杂质结果X i ／1 0 。6 T a b l ei I m p u r i t yc o n t e n t si ns i l i c ap o w d e rc r a k i n ga tv a r i o u s t e m p e r a t u r e sa f t e ra c i da n dw a t e rl e a c h i n g 成分 二氧化硅粉原料 7 0 0 ℃热爆料水洗 7 0 0 ℃热爆料酸洗 8 0 0 ℃热爆料酸洗 F eK 8 ．O6 ．5 6 ．25 ．1 3 ．02 ．5 1 ．7 51 ．3 N a M g L iM n 9 ．00 ．30 ．40 ．1 5 ．60 ．10 ．10 ．1 3 ．30 ．10 ．10 ．1 1 ．2O ．10 ．1 0 ．1 温度／。C 图3 差热分析图 F i g ．3 R e s u l tf r o mD T Ao fs i l i c ap o w d e r 万方数据 第3 期李清海等热爆裂法去除S i 0 2 微粉中的杂质 4 3 4 0 0 0 3 0 o 赵2 0 0 0 嘣 l J o O JI h ⋯J - ．一I ．I L 一 1 62 03 04 05 06 07 0 2 0 ／ 0 1 图4x 射线衍射图 F i g ．4X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so fs i l i c ap o w d e r 参考文献 [ 1 ] 孙成林 [ 2 ] 何知礼 [ 3 ] 陈安福 [ 4 ] 张祥麟 3结论 1 升高温度可以打开包裹体，包裹体越小所需 温度越高。 2 爆裂法能有效的去除石英粉中杂质，爆裂温 度在8 0 0 ℃比在7 0 0 ℃时去除杂质效果好。 3 打开包裹体的二氧化硅微粉经酸洗除杂效 果比水洗除杂效果好。 4 二氧化硅微粉从室温升高到1 4 0 0 ℃过程 中，出现口一石英转变为p 石英，和p 石英转变为口． 方石英的转化。 伍膺洁．石英深加工生产高纯石英粉[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，1 9 9 5 ， 1 3 7 4 2 ． ．包体矿物学[ M ] ．北京地质出版社，1 9 8 2 1 2 ． 卢焕章，余铁阶，等．矿物中的包裹体[ M ] ．北京科学出版社，1 9 8 9 1 6 1 7 ． 王曾隽．应用无机化学[ M ] ．北京高等教育出版社，1 9 9 2 1 8 0 1 8 5 ． I m p u r i t yR e m o v e m e n tf r o mF i n eS i l i c aP o w d e rb yT h e r m a lC r a c kM e t h o d L jQ i n g - h a i ，Z H A IY u c h u n ，T I A NY a n w e n ，Z H A ON a i r e n ，H U O ‰一q i u S c h o o lo fM a t e r i a l s m e t a l l u r g y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n 3 n n g11 0 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r o c e s so fi m p u r i t yr e m o v i n gf r o mf i n es i l i c ap o w d e r sw i t ht h e r m a lc r a c km e t h o di s i n v e s t i g a t e db y m e a n so fD T Aa n dX R D ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n c l u s i o ni sc r a c k e dw h i l et h ep o w d e ri sh e a t e dt Oc e r t a i n t e m p e r a t u r e ．T h ec r a c k e ds i l i c ap o w d e ri S1 e a c h e dw i t ha c i ds o l u t i o no rw a t e rt or e m o v et h ei m p u r i t i e s ．t h er e ． s u i t si sb e t t e rf o r8 0 0 ℃c r a c k i n gt h a nt h a t7 0 0 ℃．a n dl c a c h i n gw i t ha c i ds o l u t i o ni sm o r ee f f e c t i v et h a nt h a t w i t hw a t e r ．T h ep h a s et r a n s f o r m a t i o no ft h es i l i c ao c c u r sd u r i n gt h et r e a t m e n tw i t ht h e r m a lc r a c km e t h o d ． K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n m e t a lm a t e r i a l ；f i n es i l i c ap o w d e r ；t h e r m a lc r a c k ；r e m o v i n gi m p u r i t y ；l e a c h i n g 万方数据