去除石英砂中羥基的技術(shù)研究

＊侯清麟 侯晶晶 段海婷 侯熠徽

（湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院 湖南 412007）

去除石英砂中羥基的技術(shù)研究

＊侯清麟 侯晶晶 段海婷 侯熠徽

（湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院 湖南 412007）

以普通石英砂為原料，通過微波打破石英砂結(jié)構(gòu)去除羥基的過程。通過傅立葉紅外光譜儀對羥基的含量進(jìn)行測定,測量確定石英砂雜質(zhì)的含量，通過透射電鏡觀察石英砂內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)，觀察羥基是否完全去除。研究結(jié)果表明，功率、時間均相同的條件下,溫度在750℃時羥基的去除效果最好。

石英砂；羥基；傅立葉紅外光譜

高純石英砂是指SiO2含量高于99．98%的石英粉體，主要用于集成電路和石英玻璃等行業(yè)，是大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路、光伏、光纖、航天和軍事中的基礎(chǔ)材料。

但目前高純石英砂礦源稀少，大部分高純石英砂需要普通石英砂經(jīng)過提純才能被利用。普通石英砂中含有大量雜質(zhì)，可分為結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)和非結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)。結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)目前技術(shù)已經(jīng)可以完全去除，但非結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)目前難以完全去除。其中氣液包裹體中以水分子狀態(tài)存在和以(OH)-形式參與晶格的結(jié)構(gòu)水是現(xiàn)有工藝難以消除的結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)。由于石英晶體其獨特的物理、化學(xué)特性，不易破壞，雜質(zhì)不僅影響石英玻璃的物理、化學(xué)性能，也改變石英制品的熔制性能。水分子和結(jié)構(gòu)水都含有相同基團(tuán)－羥基，除去水分子(OH)-的過程統(tǒng)稱為去羥基過程。目前國內(nèi)還沒有成熟石英砂中羥基的去除研究。本文通過微波從內(nèi)部加熱打破石英結(jié)構(gòu)，確定最佳工藝參數(shù)，最終去除石英砂中的羥基。

1.實驗

(1)試驗材料及方法

原料及設(shè)備：石英砂粉末（東海礦區(qū)，純度98．5%，粒徑125μm）；石英坩堝；RWS微波多功能實驗爐（湖南中展熱能有限公司）；超聲冶金試驗儀（常德金冶冶金材料有限公司，GY-USM-1000型）；真空干燥箱（上海亞榮躍進(jìn)醫(yī)療器械廠，DZF-1型）。

實驗方法：用電子天平稱取100g石英砂置于石英坩堝中，放入微波多功能實驗爐中，設(shè)定功率為2500W，時間為1個小時，分別選用400℃、750℃溫度下進(jìn)行試驗；將微波后的樣品放入超聲冶金試驗儀高速超聲1h；將樣品放入真空干燥箱連續(xù)干燥2h，即得最后產(chǎn)品。

(2)實驗表征

采用美國熱電-尼高力儀器公司的Nicolete 380型傅立葉變換紅外光譜儀測定石英中羥基的含量；采用日本電子公司（JEOL）生產(chǎn)的JEM-2011型場發(fā)射高分辨投射電子顯微鏡檢測石英顆粒內(nèi)部形狀。

2.結(jié)果與討論

(1)傅立葉紅外光譜分析

純凈的石英中不含羥基，普通的石英砂含有大量的羥基。通過測定石英砂的光透過率，間接反映樣中氣液包裹體的數(shù)量，光譜中光透過率越高，表明氣液包裹體的數(shù)量越少。

圖1 不同條件處理后樣品的傅里葉紅外光譜

由圖1可見，曲線a為原料樣品的紅外光譜圖，3000～3600cm-1之間出現(xiàn)最大的羥基吸收峰值；此時羥基含量最大；曲線b為樣品在400℃條件反應(yīng)后的紅外光譜圖，羥基的吸收峰強(qiáng)度明顯減弱，表明一部分羥基已被去除，但仍有一部分羥基未被去除；曲線c為樣品在750℃反應(yīng)后的光譜圖，3000～3600cm-1波數(shù)之間沒有波峰，為平行于橫坐標(biāo)軸的一條直線，透光率接近100%，表明石英砂中的羥基已被完全去除，接近純凈的石英。由此可知，750℃為最佳反應(yīng)條件。

(2)透射電鏡分析

圖3為樣品透射電鏡圖，氣液包裹體由于單位體積內(nèi)壓強(qiáng)的瞬間增大，包裹體沖破石英砂的薄壁處，石英砂發(fā)生破裂，包裹體溢出，石英晶體之間或內(nèi)部出現(xiàn)空隙。由圖可見，400℃時可以將晶界間包裹體去除，隨著溫度的升高，750℃更深處更微小的包裹體也發(fā)生溢出。羥基完全去除。

圖3 樣品的透射電鏡圖

3.結(jié)論

在一定的溫度下，羥基沿石英顆粒薄壁處溢出，在相同的功率及時間條件下，實驗的最佳溫度條件為750℃，此時羥基的含量幾乎為零，確定了最佳工藝參數(shù)。通過透射電鏡圖看到包裹體已被打開，證實羥基已被去除。本研究針對含羥基的石英砂，方案工藝簡單，操作性強(qiáng)，無污染，成本低，很好的為超純石英砂的研究做技術(shù)指導(dǎo)。

[1]包申旭,袁吉祖.微波在高純石英砂提純實驗中的應(yīng)用[J].化學(xué)礦產(chǎn)地質(zhì),2005,1(27):38.

[2]申士富.高純石英砂研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2005,5:13-15.

[3]銀銳明,李靜.微波和酸蝕作用下石英砂中氣液包裹體的去除機(jī)理[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,2(45):390-391.

[4]周永恒,顧真安.石英玻璃原料礦的流體包裹體特征[[J].礦物學(xué)報,2002,22(2): 143-146.

Research on Removal Hydroxyl in Quartz Sand

Hou Qinglin, Hou Jingjing, Duan Haiting, Hou Yihui

(School of Packaging and Materials Engineering. Hunan University of Technology, Hunan, 412007)

Abastract：The ordinary quartz sand was used as raw material by breaking the structure of quartz sand by microwave. The process of removing hydroxyl from quartz sand was studied. The content of hydroxyl was determined by FT-IR，and the content of impurities in quartz sand was determined. The microstructure of quartz sand was observed by transmission electron microscope to observe whether the hydroxyl was completely removed. The results show that when the power and time are the same, the removal effect of hydroxyl is best when the temperature is 750℃.

quartz sand；hydroxyl；FT-IR

T

A

((責(zé)任編：盧鳳英)

國家自然科學(xué)基金資助項目(NO：51374103)；國家自然科學(xué)基金資助項目(NO:51174085)；國家自然科學(xué)基金資助項目(NO：516 74114)。

侯清麟(1956～)，男，湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，研究方向：礦物提純。

侯晶晶(1991～)，女，湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，研究方向：礦物化學(xué)提純。