硅微粉的性能、用途及深加工
硅微粉是由天然石英(SiO2)或熔融石英(天然石英经高温熔融、冷却后的非晶态SiO2)经破碎、球磨(或振动、气流磨)、浮选、酸洗提纯、高纯水处理等多道工艺加工而成的微粉。
硅微粉的性能
硅微粉除了具备热膨胀系数低、介电性能优异、导热系数高、悬浮性能好等优良性能以外,同时还具备以下性能:
(1)具有良好的绝缘性:由于硅微粉纯度高,杂质含量低,性能稳定,电绝缘性能优异,使固化物具有良好的绝缘性能和抗电弧性能。
(2)能降低环氧树脂固化反应的放热峰值温度,降低固化物的线膨胀系数和收缩率,从而消除固化物的内应力,防止开裂。
(3)抗腐蚀性:硅微粉不易与其它物质反应,与大部分酸、碱不起化学反应,其颗粒均匀覆盖在物件表面,具有较强的抗腐蚀能力。
(4)颗粒级配合理,使用时能减少和消除沉淀、分层现象;可使固化物的抗拉、抗压强度增强,耐磨性能提高,并能增大固化物的导热系数,增加阻燃性能。
(5)经硅烷偶联剂处理的硅微粉,对各类树脂有良好的浸润性,吸附性能好,易混合,无结团现象。
(6)硅微粉作为填充料,加进有机树脂中,不但提高了固化物的各项性能,同时也降低了产品成本。
硅微粉的分类
1、根据不同制作工艺而生产的硅微粉其品质也不相同,按生产工艺的不同可以划分为:熔融硅微粉、结晶硅微粉、活性硅微粉、方石英硅微粉共四种。
熔融硅微粉:是选取优质天然石英为原料,经过独特的处理工艺加工形成的粉体。天然石英在经过高温处理后,它的分子结构排列从有序排列转变为无序排列。其颜色白、纯度也较高。与此同时还具备以下特性:具有极低的线性膨胀系数;具有良好的电磁辐射性能以及耐化学腐蚀和稳定的化学特性;具有合理有序且可控的粒度分布。结晶硅微粉:是选用高品位天然石英为原料,经过独特的无铁研磨工艺来生产加工制成的,其颜色白、质纯。由于此项工艺成熟,所以具有稳定的物理、化学特性以及合理、可控的粒度分布。结晶硅微粉又可以划分为高纯度的结晶硅微粉、电子级的结晶硅微粉和一般填料级的结晶硅微粉。
活性硅微粉:是经过其独特的工艺流程,选用硅烷等材料来对硅微粉颗粒进行表面改性处理,从而增强了硅微粉的憎水性能、提高了混合料以及填充系统的机械和化学特性。由于它所具有的这些性能,所以被广泛应用到国防科技和电子等领域。
方石英硅微粉:是选取优质的天然石英为原料,通过高温煅烧之后而获得的高纯度硅石,通过急冷从而改变它的晶体结构,再进行粉碎制成的硅微粉,它的主晶相是方石英。由于它的化学性质稳定,具有合理有序、可控的粒度分布,因此被广泛应用到陶瓷釉料、橡胶填料等领域。
2、从形貌上可分为:角形硅微粉和球形硅微粉。
3、高技术硅微粉可分为:超细硅微粉、球形硅微粉、高纯硅微粉。超细硅微粉:是以高纯天然石英为原料,经人工精选、清洗提纯,再经超细研磨和分级技术,制造出SiO2粉体系列产品。采用了先进的分级技术达到了超细的颗粒直径和均匀的分布特点,细度可达8000目,使其更具有补强性和加工流动性。
球形硅微粉:由于其流动性好,表面积小,堆积密度高,填充量可达到较高的填充量,与树脂搅拌成膜均匀。球形硅微粉主要用于大规模集成电路封装。球形硅微粉塑封料封装集成电路芯片时,成品率较高,且运输和使用过程中不容易产生机械损伤。
高纯硅微粉:一般是指SiO2含量高于99.9%的石英微粉,主要应用在IC的集成电路和石英玻璃等行业,其高档产品更被广泛应用在大规模及超大规模集成电路、光纤、激光、航天、军事中,是高新技术产业不可缺少的重要材料。
应用于集成电路覆铜板的硅微粉可分为:结晶型硅微粉、熔融型(无定型)硅微粉、球形硅微粉、复合硅微粉、活性硅微粉等五个品种。
硅微粉的应用
(1)涂料
在涂料行业中,硅微粉的粒度、白度、硬度、悬浮性、分散性、吸油率低、电阻率高等特性均能提高涂料的抗腐蚀性、耐磨性、绝缘性、耐高温性能。用于涂料中的硅微粉,由于具有良好的稳定性,一直在涂料填料中扮演重要的角色。特别对外墙涂料来说,SiO2原料对耐候性起着举足轻重的作用。
(2)塑料
硅微粉在塑料中可用于聚氯乙烯(PVC)地板、聚乙烯和聚丙烯薄膜、电绝缘材料等产品中。填充硅微粉的聚氯乙烯地板砖可增强制品的耐磨性,在PVC地板中,细度320目的石英粉,填充量为160~180份时制得的地板完全符合GB4085-83标准的要求,地板表面光滑度好,耐刻划度好。在PVC耐酸板管中,400目石英粉的填充量为10%~15%时,与其它填充料比,粘度低,流动性好,改善了加工性能,有利于制品的挤出和成型,制得的耐酸板管的耐酸性有显著提高。比表面积大(600目以上)和活性高的硅微粉填充聚乙烯(PE)农用薄膜能改善制品的物理化学性能和光学性能,填充聚丙烯可改善制品的力学性能。
(3)电工、电子
电工级硅微粉主要用于普通电器件的绝缘浇注,高压电器的绝缘浇注,APG工艺注射料,环氧灌封料,高档陶瓷釉料等。电子级硅微粉主要用途主要用于集成电路、电子元件的塑封料和包装料。
硅微粉的原料及加工
原料包括:水晶、半透明及乳白色脉石英、变质石英岩、沉积石英砂岩、海相沉积石英砂、河湖相沉积石英砂、粉石英、熔炼石英。
(1)硅微粉原料的选矿提纯
选矿提纯一般是将杂质含量较高的硅质原料经过破碎、筛分、磨矿,使二氧化硅与杂质充分解离,经过磁选、浮选除去杂质;再用酸洗方法,使杂质进一步降低,然后用清水洗去酸液,再用去离子水洗去颗粒表面吸附的残余杂质离子,使原料达到或高于硅微粉的化学指标;干燥后成为加工硅微粉的原材料。
(2)熔炼石英生产工艺
先将硅质原料破碎到10~20mm的小块料,采用堆积酸浸法,除去表面杂质,再用清水洗净后干燥。将清洁、干燥的小块料投入熔炼石英炉中,接通硅碳棒电源;经过高温(1800~2000℃)熔炼约10h后,出炉急冷破碎,经手选,再经纯化酸洗、脱酸、去离子水清洗,干燥后成为无定形硅微粉的原材料。值得注意的是硅质原料中如果含有较高的液体或气体包裹体,则不宜用来作为熔炼石英的原料。