一種高純硅酸的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無機納米材料制備技術領域，具體涉及一種高純娃酸的制備方法。
【背景技術】
[0002] 高純硅溶膠具有雜質金屬元素含量低的特點，是半導體器件、集成電路制造過程 中的化學機械拋光液耗材的主要成分。目前高純硅溶膠的生產方法主要有兩種，一種是采 用有機硅作為原料，通過控制其水解制得，該方法成本昂貴；另一種方法是采用氣相氧化硅 為原料，在水溶液中分散得到，該方法制備的硅溶膠由于顆粒形狀不均勻，容易在化學機械 拋光過程中產生劃傷，所占比例也在逐漸減小。
[0003] 傳統(tǒng)硅溶膠制備為水玻璃方法通過陽離子樹脂交換得到硅酸，在一定溫度下硅酸 縮合制備硅溶膠。由于水玻璃中含有大量的陰陽離子雜質，直接的陽離子樹脂交換仍有部 分金屬離子殘留在硅酸中，尤其是鋁、鐵等等具有水合作用的離子，無法直接去除。因此采 用傳統(tǒng)陽離子樹脂交換方法制備的硅酸難以生產出高純度硅溶膠。
[0004] 專利CN101070161B提出了一種改進的水玻璃離子交換法，在該專利的制備方法 中，水玻璃先經過陽離子樹脂交換，然后經過陰離子樹脂交換得到硅酸。但是由于鋁、鐵等 元素在普通硅酸中不能離子化，該方法無法去除水玻璃中的鋁、鐵元素。專利CN102583406、 CN101475180都是在硅溶膠合成后進行樹脂交換提純，這類方法無法去除完全去除硅溶膠 水化層的金屬離子及顆粒內部的金屬離子。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種高純硅酸的制備方法，用于克服現有技術中高純硅酸 制備工藝復雜，純度不高、制備的硅酸金屬離子含量較多的問題。
[0006] 為實現上述目的，本發(fā)明是采取以下的具體技術方案實現的：
[0007] 一種高純硅酸的制備方法，所述方法包括以下步驟：
[0008] 1)水玻璃稀釋：原料水玻璃中二氧化硅含量為15?35wt%，用水稀釋后獲得的溶 液中二氧化硅含量為2?7wt % ;
[0009] 2)水玻璃凈化：對步驟1)中稀釋后獲得的溶液采用袋式過濾器過濾；
[0010] 3)陽離子樹脂交換：采用陽離子樹脂交換，得到硅酸；
[0011] 4)硅酸酸化：對步驟3)中的硅酸通過加酸進行酸化；
[0012] 5)樹脂交換：通過樹脂交換獲得高純硅酸。
[0013] 本發(fā)明采取的方法是以普通的水玻璃作為原料，通過濾袋過濾除去水玻璃中懸浮 顆粒，通過一次陽離子交換得到普通硅酸，硅酸酸化后再經陰陽離子樹脂交換，得到高純硅 酸。以本方法生產的高純硅酸為原料用于高純硅溶膠生產具有生產成本低，且不需要硅溶 膠合成后純化的特點。
[0014] 優(yōu)選地，步驟1)中用水稀釋后獲得的溶液中二氧化娃含量為2?6wt%。
[0015] 優(yōu)選地，步驟2)中所述袋式過濾器的過濾孔徑為不超過200微米。
[0016] 優(yōu)選地，步驟3)中陽離子樹脂交換方式為靜態(tài)交換或動態(tài)交換。
[0017] 在本發(fā)明中所述待處理的水玻璃溶液為交換液，本發(fā)明中所述靜態(tài)交換為交換液 流經樹脂層；所述動態(tài)交換為交換液與樹脂充分攪拌后分離。
[0018] 優(yōu)選地，步驟4)中硅酸酸化后的pH為1.0?2. 5。本發(fā)明中在陽離子樹脂交換 步驟后進一步采用加酸的方式對硅酸進行酸化。所述酸可以為現有技術中常用的酸，如硫 酸，鹽酸，硝酸，磷酸，高氯酸，草酸，甲酸等。添加酸這一技術特征能夠進一步降低溶液的pH 值，在pH值足夠低的情況下，原本以水合物形式存在于硅酸中的金屬離子，特別是鋁離子 和鐵離子就會游離出來。然后接下來通過樹脂交換就可以進一步的去除這些金屬離子，獲 得金屬離子含量更低純度更高的硅酸。
[0019] 優(yōu)選地，步驟3)與步驟4)之間的時間間隔不超過3小時。本發(fā)明技術方案中，在 進行陽離子樹脂交換后在3小時之內就要進行加酸處理，從而將更多的金屬離子或其他雜 質驅除出來。
[0020] 優(yōu)選地，步驟5)中所述樹脂交換為先陽離子樹脂交換，再經陰離子樹脂交換。
[0021] 更優(yōu)選地，步驟5)中陽離子樹脂交換采用靜態(tài)交換方式。
[0022] 更優(yōu)選地，步驟5)中陰離子樹脂交換采用靜態(tài)交換方式。
[0023] 本發(fā)明步驟5)中所述陽離子樹脂選自磺酸基苯乙烯樹脂、磺酸基丙烯酸樹脂、羧 基苯乙條樹脂、幾基丙條酸樹脂中的一種。
[0024] 本發(fā)明步驟5)中所述陰離子樹脂選自伯氨基苯乙烯樹脂、季氨基苯乙烯樹脂、仲 氨基苯乙烯樹脂、伯氨基丙烯酸樹脂、季氨基丙烯酸樹脂、仲氨基丙烯酸樹脂中的一種。
[0025] 本發(fā)明還公開了一種如上述所述方法制備的高純硅酸。
[0026] 現有技術中制取硅酸時僅在陽離子樹脂交換后即獲得，這種方法制取的硅酸中雜 質金屬離子的含量高，特別是鋁離子和鐵離子的含量高。而采用本發(fā)明中方法采用進一步 的酸化的技術手段，并結合進一步的樹脂交換，使得制備的本發(fā)明中公開的方法制備的高 純硅酸具有金屬離子含量低的特點，且其工藝易于操作和大規(guī)模連續(xù)化生產，對原料要求 不高，大大降低了企業(yè)的生產成本。
[0027] 本發(fā)明中的化學機械拋光液克服了現有技術中的種種缺陷而具有創(chuàng)造性。
【具體實施方式】
[0028] 以下由特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明 書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。
[0029] 實施例1
[0030] 在DN50的聚丙烯塑料管中裝陽離子樹脂，樹脂層高度1. 2m，作為陽離子樹脂交換 柱，再生后備用。在DN50的聚丙烯塑料管中裝陰離子樹脂，樹脂層高度1. 2m，作為陰離子樹 脂交換柱，再生后備用。
[0031] 取濃水玻璃（二氧化硅含量為30wt % ) 850g，加入純水4300g，充分攪拌均勻；
[0032] 用200微米濾袋過濾；
[0033] 在5000ml的三口燒瓶中加入上述稀釋過濾后的水玻璃3500ml，開啟攪拌，加入陽 離子樹脂l〇〇〇ml，攪拌1小時后濾除陽離子樹脂，得到普通硅酸；
[0034] 在娃酸中邊攪拌邊加入20%的硫酸進行酸化，調節(jié)娃酸pH值至1. 5,攪拌15min;
[0035] 酸化后娃酸加入陽離子樹脂交換柱，控制流速在60ml/min;
[0036] 收集交換液加入陰離子樹脂交換柱，控制硫酸在60ml/min，收集交換液即為高純 硅酸。
[0037] 本實施例中所述陽離子樹脂為磺酸基苯乙烯樹脂。
[0038] 本實施例中所述陰離子樹脂選自伯氨基苯乙烯樹脂。
[0039] 實施例2
[0040] 在DN50的聚丙烯塑料管中裝陽離子樹脂，樹脂層高度1. 2m，作為陽離子樹脂交換 柱，再生后備用。在DN50的聚丙烯塑料管中裝陰離子樹脂，樹脂層高度1. 2m，作為陰離子樹 脂交換柱，再生后備用。
[0041] 取濃水玻璃（二氧化硅含量為30wt % ) 850g，加入純水5300g，充分攪拌均勻；
[0042] 用200微米濾袋過濾；
[0043] 取上述稀釋過濾后的水玻璃3500ml，加入陽離子樹脂交換柱，控制流速在100ml/ min，得到普通娃酸；
[0044] 在硅酸中邊攪拌邊加入20%的硫酸進行酸化，調節(jié)硅酸pH值至2. 0,攪拌15min ;
[0045] 酸化后硅酸加入陽離子樹脂交換柱，控制流速在60ml/min;
[0046] 收集交換液加入陰離子樹脂交換柱，控制硫酸在60ml/min，收集交換液即為高純 硅酸。
[0047] 本實施例中所述陽離子樹脂選自磺酸基丙烯酸樹脂。
[0048] 本實施例中所述陰離子樹脂選自季氨基苯乙烯樹脂。
[0049] 實施例3
[0050] 在DN50的聚丙烯塑料管中裝陽離子樹脂，樹脂層高度1. 2m，作為陽離子樹脂交換 柱，再生后備用。在DN50的聚丙烯塑料管中裝陰離子樹脂，樹脂層高度1. 2m，作為陰離子樹 脂交換柱，再生后備用。
[0051] 取濃水玻璃（二氧化硅含量為30wt % ) 500g，加入純水6500g，充分攪拌均勻；
[0052] 用200微米濾袋過濾；
[0053] 取上述稀釋過濾后的水玻璃3500ml，加入陽離子樹脂交換柱，控制流速在100ml/ min，得到普通娃酸；
[0054] 在硅酸中邊攪拌邊加入35%的硝酸進行酸化，調節(jié)硅酸pH值至2. 3,攪拌30min ;
[0055] 酸化后硅酸加入陽離子樹脂交換柱，控制流速在45ml/min ;
[0056] 收集交換液加入陰離子樹脂交換柱，控制硫酸在45ml/min，收集交換液即為高純 硅酸。
[0057] 本實施例中所述陽離子樹脂選自羧基苯乙烯樹脂。
[0058] 本實施例中所述陰離子樹脂選自仲氨基苯乙烯樹脂。
[0059] 上述實施例1?3中獲得的高純硅酸的固含量及主要金屬元素含量為：
[0060] 表 1
【主權項】
1. 一種高純硅酸的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 1) 水玻璃稀釋：原料水玻璃中二氧化硅含量為15?35wt%，用水稀釋后獲得的溶液中 二氧化硅含量為2?7wt% ; 2) 水玻璃凈化：對步驟1)中稀釋后獲得的溶液采用袋式過濾器過濾； 3) 陽離子樹脂交換：采用陽離子樹脂交換，得到硅酸； 4) 硅酸酸化：對步驟3)中的硅酸通過加酸進行酸化； 5) 樹脂交換：通過樹脂交換獲得高純硅酸。
2. 如權利要求1所述高純硅酸的制備方法，其特征在于，步驟3)中陽離子樹脂交換方 式為靜態(tài)交換或動態(tài)交換。
3. 如權利要求1所述高純硅酸的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述袋式過濾器的 過濾孔徑不超過200微米。
4. 如權利要求1所述高純硅酸的制備方法，其特征在于，步驟4)中硅酸酸化后的pH為 I. 0 ?2. 5〇
5. 如權利要求1所述高純硅酸的制備方法，其特征在于，步驟3)與步驟4)之間的時間 間隔不超過3小時。
6. 如權利要求1所述高純硅酸的制備方法，其特征在于，步驟5)中所述樹脂交換為先 陽離子樹脂交換，再經陰離子樹脂交換。
7. 如權利要求1或6中任一所述高純硅酸的制備方法，其特征在于，步驟5)中所述陽 離子樹脂選自磺酸基苯乙烯樹脂、磺酸基丙烯酸樹脂、羧基苯乙烯樹脂和羧基丙烯酸樹脂 中的一種。
8. 如權利要求6所述高純硅酸的制備方法，其特征在于，步驟5)中所述陰離子樹脂選 自伯氨基苯乙烯樹脂、季氨基苯乙烯樹脂、仲氨基苯乙烯樹脂、伯氨基丙烯酸樹脂、季氨基 丙烯酸樹脂和仲氨基丙烯酸樹脂中的一種。
9. 一種如權利要求1?8任一項所述方法制備的高純硅酸。
【專利摘要】一種高純硅酸的制備方法，所述方法包括以下步驟：1）水玻璃稀釋：原料水玻璃中二氧化硅含量為15~35wt%，用水稀釋后獲得的溶液中二氧化硅含量為2~7wt%；2）水玻璃凈化：對步驟1）中稀釋后獲得的溶液采用袋式過濾器過濾；3）陽離子樹脂交換：采用陽離子樹脂交換，得到硅酸；4）硅酸酸化：對步驟3）中的硅酸通過加酸進行酸化；5）樹脂交換：通過樹脂交換獲得高純硅酸。本發(fā)明中公開的方法制備的高純硅酸具有金屬離子含量低的特點，且其工藝易于操作和大規(guī)模連續(xù)化生產，對原料要求不高，大大降低了企業(yè)的生產成本。
【IPC分類】C01B33-113
【公開號】CN104591192
【申請?zhí)枴緾N201410836081
【發(fā)明人】秦飛, 潘忠才, 劉衛(wèi)麗, 宋志棠
【申請人】上海新安納電子科技有限公司, 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年12月24日