高品级硅微粉选矿试验研究

硅微粉表面改性中试一试验研究报告在中国矿业大学（北京）郑老师研究成就的的支撑下，我公司于2015 年5 月14 日进行了板材用硅微粉改性试验。

依据粒度、白度、水分以及吸油值等指标观察改性成效，并要点经过客户的试用状况确立改性后的硅微粉能否能降低树脂用量，能否能提升混淆浆料的流动性。

经过中试一试验，为此后的工业化生产供给依照。

一、试验背景及目的板材用硅微粉是一种制造人造石英石板材的主要原料，该产品成分纯净， SiO2 含量大于 99.0%，不含任何放射性元素，具备高档填料所要求的低杂质、高细度、高填补量、高硬度、高电阻率、耐酸碱等特征。

它不单给予人造石材优秀的致密性和耐酸碱腐化性，还可以有效改良石材加工流动，分别工艺，使合成品能够采取较高比率的填补料，有效降低生产成本。

因为人造石英板材与人造大理石板材对比的诸多优势，渐渐被国内外广大用户所喜爱，特别是橱柜板行业已全面开始使用，需求量大增，进而带动了板材用硅微粉家产的迅速发展。

现板材年生产量为1500 万平方米，板材用硅微粉年用量 18.6 万吨，年增加比率 10%。

陪伴着板材用硅微粉用量的增加，人造石英板材生产商对板材用硅微粉的质量要求也愈来愈高。

此中，低吸油值的板材用硅微粉不单能够改良石英石板材的加工性能，并且能够降低板材生产过程中的树脂用量，进而大幅度降低生产成本。

当前，已有几家客户反应我公司生产的板材用硅微粉存在着树脂用量偏高，加工过程中混淆浆料的流动性差等问题。

与此同时，与我公司存在竞争关系几家板材粉供给商已经开始批量生产经改性的板材用硅微粉，并经客户反应该产品的性能优于我公司生产的板材用硅微粉。

为此，我公司拟经过对硅微粉进行表面改性的方法降低产品吸油值，适应客户需求，提升我公司板材用硅微粉的市场竞争力。

中国矿业大学（北京）的郑水林教授是粉体加工领域的专家，特别是在粉体表面改性技术方面具备丰富的经验，先后参加或主持过数项与之有关的国家级、省级和公司拜托科研项目。

硅微粉纯化试验研究的开题报告题目：硅微粉纯化试验研究一、研究背景硅微粉是一种广泛应用于电子、半导体、光学等领域的重要原料。

其质量和纯度直接影响到制备出的材料性能和应用效果。

目前市场上存在很多不同生产厂家的硅微粉，但质量和纯度参差不齐，限制了制备出的材料的性能和应用范围。

因此，对硅微粉的纯化技术研究和开发势在必行。

二、研究目的本研究旨在以硅微粉为研究对象，通过不同的纯化方法，比较其对硅微粉质量和纯度的影响，为硅微粉的纯化提供技术支持和研究基础。

三、研究内容1. 硅微粉样品的收集与初步处理：选取市场上多个品牌的硅微粉样品，并进行初步处理，去除杂质和其他成分。

2. 硅微粉的纯化方法：研究采用不同的纯化方法，如酸洗、碱洗、水洗、高温气氛退火等方法，比较其对硅微粉质量和纯度的影响。

3. 硅微粉的质量和纯度测试：对经过不同纯化方法处理后的硅微粉进行质量和纯度测试，如SEM、TEM、XRD、FTIR等测试方法。

4. 结果分析与讨论：对比各种纯化方法得到的硅微粉质量和纯度数据，分析不同纯化方法的优缺点及适用范围，探究其作用机理，为进一步优化纯化方法提供参考。

四、预期成果1. 确定最佳的硅微粉纯化方法并验证其有效性。

2. 确立硅微粉的质量和纯度测试标准和方法。

3. 探究不同纯化方法的作用机制和适用范围。

4. 为进一步提高硅微粉的质量和纯度提供技术和理论依据。

五、研究计划1. 样品收集和初步处理（1个月）。

2. 硅微粉的纯化方法研究（2个月）。

3. 硅微粉的质量和纯度测试（1个月）。

4. 结果分析与讨论（1个月）。

5. 论文撰写（1个月）。

六、研究团队和条件1. 研究团队：由硅微粉相关领域的专家和研究生组成的研究团队。

2. 研究条件：实验室配备有SEM、TEM、XRD、FTIR等测试设备和相关纯化装置。

d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.01.001安徽太湖脉石英制备高品质电子级硅微粉的试验研究周新军1,李佩悦1,2,尚德兴1,吴建新1(1.中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司,蚌埠233010;2.武汉理工大学环境与资源工程学院,武汉430070)摘 要: 以安徽太湖脉石英为原料,通过工艺矿物学对矿物成分及组成特征进行分析,矿物经破碎㊁磨矿㊁水力分级㊁磁选及硫酸擦洗后获得高品质石英精砂,化学组成为:S i O 2,99.90%;A l 2O 3,0.050%;F e 2O 3,0.0019%,进一步对石英砂采用无污染磨矿㊁去离子水清洗及K H -570改性后,粉体萃取液电导率3.01μs /c m ,粉体活化指数82.3%,指标高于电子工业部S J /T 10675 2002中电子级活性硅微粉质量要求㊂关键词: 石英; 选矿; 硅微粉; 改性E x p e r i m e n t a l S t u d y o nP r e p a r a t i o no fH i g h Q u a l i t y E l e c t r o n i cG r a d e S i l i c o nP o w d e r f r o m V e i n Q u a r t z i nT a i h uA n h u i P r o v i n c eZ H O UX i n -j u n 1,L IP e i -y u e 1,2,S HA N GD e -x i n g 1,WUJ i a n -x i n 1(1.C h i n aB u i l d i n g M a t e r i a l sB e n g b uG l a s s I n d u s t r i a lD e s i g nR e s e a r c h I n s t i t u t eC o ,L t d ,B e n d b u233010,C h i n a ;2.S c h o o l o fR e s o u r c e s a n dE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ,W u h a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,W u h a n430070,C h i n a )A b s t r a c t : H i g h q u a l i t y e l e c t r o n i c g r a d e s i l i c a p o w d e rw a s p r e pa r e d f r o m T a i h uv e i n q u a r t z i nA n h u i p r o v i n c e .T h e m i n e r a l c o m p o s i t i o na n d g a n g u em i n e r a l c o m p o s i t i o n c h a r a c t e r i s t i c sw e r e a n a l y z e db yp r oc e s sm i n e r a l o g y .A f t e r c r u s h -i n g ,g r i n d i n g ,h y d r a u l i c c l a s s i f i c a t i o n ,m a g n e t i c s e p a r a t i o n a n d s u l f u r i c a c i d s c r u b b i n g ,t h em i n e r a l s o b t a i n e d h i g h -q u a l i t y q u a r t z f i n e s a n d .T h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o nw a s :S i O 2,99.90%;A l 2O 3,0.050%;F e 2O 3,0.0019%.T h e nt h e q u a r t z s a n dw a s f u r t h e r c l e a n e db y n o n p o l l u t i o n g r i n d i n g ,d e i o n i z e dw a t e r a n d m o d i f i e db y K H -570.T h e c o n d u c t i v i t y of t h e e x t r a c t i o n l i q u i do f t h e p o w d e rw a s 3.01μs /c m ,a n d t h e a c t i v a t i o n i n d e xo f t h e p o w d e rw a s 82.3%,w h i c hw a sh i gh e r t h a n t h e q u a l i t y r e q u i r e m e n t s o f t h e e l e c t r o n i c g r a d e a c t i v e s i l i c o nm i c r o p o w d e r i nS J /t 10675 2002i s s u e d b y t h em i n -i s t r y o f e l e c t r o n i c i n d u s t r y .K e y wo r d s : q u a r t z ; b e n e f i c i a t i o n ; s i l i c a p o w d e r ; m o d i f i c a t i o n 收稿日期:2021-09-15.基金项目:安徽省重大科技专项项目(201903a 05020002)和安徽省重点研究与开发计划项目(202004a 05020032).作者简介:周新军(1989-),工程师,硕士生.E -m a i l :x i n j u n e @126.c o m 硅微粉(S i O 2)由于其独特的物理化学性质,在航空航天㊁电子科技㊁机械㊁医药以及化妆品产业有广泛的应用,随着国内科学技术的飞速发展,硅微粉需求日益增加,对其性能和品质的要求也更加苛刻㊂硅微粉一般由天然石英矿物经破碎㊁粉磨㊁浮选㊁酸浸提纯和去离子水清洗处理等多重工艺加工制作而成㊂对硅微粉进一步采用改性剂等进行表面改性处理,可制得活性硅微粉㊂活性硅微粉增强了硅微粉的憎水性能㊁提高了混合料以及填充系统的机械和化学特性㊂目前国内普通硅微粉生产应用较多,生产加工工艺成熟,科研工作者对硅微粉的制备技术进行了较多研究㊂蒋述兴等[1]采用钇稳定氧化锆球为研磨介质,研究了不同磨矿条件下硅微粉的形貌特征及硅微粉的污染情况㊂张宇平等[2]采用含斜绿泥石的粉石英制备硅微粉,研究了浮选和酸提纯的作用和反应机理,制备的硅微粉中S i O 2含量99.86%㊁A l 2O 30.090%㊁F e 2O 30.010%㊂侯波等[3]以四川江油石英砂岩为原料,通过球磨擦洗工艺制备F e 2O 3含量为0.0098%,白度为87.5的电子硅微粉㊂该试验以太湖某地脉石英矿物为原料,在对其进行矿物学分析的基础上,采用了多种选矿工艺严格控制建材世界 2022年 第43卷 第1期建材世界2022年第43卷第1期石英中杂质含量,然后通过磨矿㊁离子清洗㊁改性等工艺制备出高品级电子硅微粉,对太湖地区大量的石英资源高效利用有一定借鉴意义㊂1原矿特征及预处理1.1化学成分采用全谱直读等离子体发射光谱仪(I C P)对矿样进行化学成分分析,结果见表1㊂根据I C P分析,石英化学纯度较高,S i O2高达99.67%,杂质元素含量较少,主要为F e㊁A l㊁C a㊁K及N a㊂表1石英矿样品化学成分分析/%化学式A l2O3P2O5C a O F e2O3K2O N a2O S O3T i O2B O B a O C r2O3S r O S b2O3M g O Z n O S i O2含量0.0460.0460.0750.0290.0200.0110.00160.00150.00120.00110.00040.00060.00030.0040.000499.67 1.2矿物组成及特征矿物为块状构造,结构致密,硬度较大,外观呈半透明或白色,有玻璃光泽,矿物表面部分铁质浸染㊂光学显微镜分析,矿物主要成分为石英,脉石英矿物主要为少量云母㊁褐铁矿和方解石,云母主要分布在石英边缘或以矿物包裹体形式存在,褐铁矿和方解石充填于石英颗粒内发育的少量裂隙中㊂石英表面和不同层面,可见大量的气液包体,少数颗粒内可见锆石矿物包体㊂1.3石英砂制备采用鄂式破碎机对安徽太湖石英矿进行多段破碎,获得-3.2mm的石英砂㊂将石英砂加入湿式棒磨机进行磨矿,通过检查筛分控制产物粒度在0.6mm以下,然后矿浆通过水力分级和磁选进行分选,去除破碎和磨矿过程中掺入的部分铁质,处理后的石英精砂杂质含量大幅降低,强磁精砂指标S i O2,99.84%;A l2O3,0.012%;F e2O3,0.0046%㊂2试验研究2.1介质擦洗试验为继续分离出强磁精砂中的杂质,对其采用酸性介质进行擦洗提纯试验㊂擦洗需要对石英矿物高速搅拌,利用机械力和砂粒间的磨剥力来除去石英砂表面的薄膜铁,同时增加酸介质与矿物表面杂质的接触概率,加快酸介质对含铁化合物的溶解速度㊂1)介质浓度对擦洗效果的影响使用硫酸作为擦洗介质进行试验,硫酸相对矿物用量分别为5k g/t㊁10k g/t㊁20k g/t㊁30k g/t㊁40k g/t㊁50k g/t,介质擦洗时间20m i n,采用精砂中F e2O3含量表征擦洗效果,硫酸用量与擦洗效果的关系如图1所示㊂随着介质浓度由5k g/t增加至30k g/t过程中,精砂中F e2O3含量先显著降低,硫酸用量增加至30k g/t后,下降斜率趋缓,硫酸用量超过40k g/t,F e2O3含量不再降低,为达到最佳试验效果,硫酸用量确定为40k g/t比较合适㊂2)搅拌时间对擦洗效果的影响硫酸浓度为40g/L,按照5m i n㊁10m i n㊁15m i n㊁20m i n㊁25m i n的搅拌时间进行擦洗试验,得到搅拌时间与擦洗效果的关系如图2所示㊂随着搅拌时间增加,精砂中F e2O3含量先降低后趋于稳定,作用时间15m i n已经能够达到最佳效果,石英中杂质含量明显降低,分析精砂的化学组成为:S i O 2,99.90%;A l 2O 3,0.050%;F e 2O 3,0.0019%,石英质量较好㊂2.2 磨矿试验为制备满足J G H -1000标准电子级硅微粉[4],物料中-10μm 粒度含量需高于65%,采用X M C Q 180ˑ200瓷衬球磨机进行磨矿,磨矿介质为钇稳定氧化锆球㊂2.2.1 磨矿时间与产品粒度的关系按照磨矿时间分别为1.5h ㊁2.0h ㊁2.5h ㊁3.0h ㊁3.5h ㊁4h 进行磨矿,对磨矿产物采用马尔文激光粒度仪进行粒度测试,分别统计粒度处于-10μm ㊁-25μm 粉体的质量分数,试验结果如图3所示,磨矿2h 后产物-10μm 含量为67.2%,可满足J G -1000粉体的粒度要求㊂2.2.2 球料比对产品的影响磨矿介质是磨矿中能量转换媒介,球料比直接关系到能量转换的效率[5]㊂入料质量不变的条件下,采用不同质量氧化锆球进行磨矿试验,试验结果如图4所示㊂在磨矿介质球与物料质量比从10增加到至14过程中,粉体-10μm 含量依次增加,磨矿效率有较大提升,继续增加磨矿介质,磨矿效率的提升较幅度微弱,球料比在14比较适合㊂2.3离子清洗试验电子级硅微粉广泛应用于集成电路㊁电子元件的塑封料和包装料中,硅微粉中存在的游离离子,会劣化其电学性能,因此成品中必须严格控制游离离子含量㊂硅微粉的加工过程中,由于石英内部解离和外部吸附的作用,硅微粉中会含有一定量的K +㊁N a +等离子,试验采用去离子水对硅微粉多次清洗,每次清洗去离子水用量与硅微粉质量比为1ʒ1,清洗后测试硅微粉萃取液电导率,清洗次数与硅微粉萃取液电导率关系如图5所示㊂磨矿后所得的硅微粉萃取液电导率为12.3μs /c m ,不能满足电子级硅微粉的质量要求,采用去离子水清洗后,硅微粉萃取液的电导率快速下降,清洗三次之后,电导率值已经到达一个稳定区㊂为使硅微粉萃取液电导率达到5μs /c m 以下,清洗两次即可满足条件㊂2.4 改性试验由于直接磨矿后硅微粉细颗粒的含量多且表面能高,这些颗粒处于不稳定状态,大量细颗粒倾向通过团聚降低表面能,造成其在树脂体系中的分散性差,因此必须对硅微粉的表面进行改性㊂采用硅烷类偶联剂K H -570对颗粒表面进行处理,可将硅微粉亲水性表面转变为亲有机性表面,提高有机高分子材料对粉体的润湿性,一方面改善粉体在树脂体系中的分散性,另一方面通过官能团使硅微粉与有机高分子材料形成牢固的共价键界面结合㊂偶联剂K H -570用量相对硅微粉质量分别为0㊁0.05%㊁0.1%㊁0.15%,温度120ħ条件下,硅微粉在高速混合机中改性30m i n,采用活化指数和吸油值表征改性效果,试验结果如图6所示㊂建材世界 2022年 第43卷 第1期改性后硅微粉的活化指数增加明显,吸油值降低,K H 570用量为0.1%,偶联剂在硅微粉表面达到了较好包覆效果,粉体的表面性质得到明显改善,对该条件下活性硅微粉的化学成分和水萃取液的测试结果见表2,各项指标高于电子工业部S J /T 10675 2002标准要求㊂表2 硅微粉各项指标化学成分S i O 2A l 2O 3F e 2O 3烧失量99.87%0.051%0.0020%0.10%水萃取液K +N a +C l -电导率1.2ˑ10-62.6ˑ10-61.0ˑ10-63.01μs /c m 3 结 论a .工艺矿物学研究表明,安徽太湖脉石英矿物石英纯度较高,矿物是少量云母㊁褐铁矿和方解石,采用 磨矿 分级 磁选 流程处理后,在硫酸用量40k g /t 条件下擦洗15m i n 后获得高品质石英精砂,化学组成为:S i O 2,99.90%;A l 2O 3,0.050%;F e 2O 3,0.0019%,具有较高利用价值㊂b .对擦洗后石英砂无污染球磨2h ,去离子水清洗两次,然后120ħ条件下采用0.1%K H -570改性,所得粉体-10μm 含量68.0%,萃取液电导率3.01μs /c m ,粉体活化指数82.3%,指标高于电子工业部S J /T 10675 2002中电子级活性硅微粉质量要求㊂参考文献[1] 蒋述兴,王秋红.高纯超细石英微粉的制备方法研究[J ].矿产保护与利用,2009(4):16-18.[2] 秦晓东,蒋晓明.高比表面积超细二氧化硅粉体的制备[J ].石油大学学报(自然科学版),2001,25(3):36-38.[3] 侯 波,吴 逍,孙红娟,等.四川江油石英砂岩制备高纯硅微粉试验研究[J ].矿产保护与利用,2016,39(4):5-7.[4] S J /T 10675 2002,电子及电器工业用硅微粉[S ].[5] 孙传尧.选矿工程师手册[M ].北京:冶金工业出版社,2015.建材世界 2022年 第43卷 第1期。