Способ получения гранул особо чистого диоксида кремния Российский патент 2022 года по МПК C01B33/12 C01B33/193 

Изобретение относится к способам получения кварцевого стекла высокой степени чистоты по золь-гель-процессу и может быть использован для производства изделий электронной и оптической, в частности лазерной, промышленности.

Известен способ получения высокочистого кварцевого стекла путем применения золь-гель метода с использованием тонкодисперсного распыленного порошка кремнезема, который гомогенизируют с деионизированной водой, а затем полученный золь подвергают гелеобразованию либо изменяя кислотность среды, либо вводя специальные гелеобразующие реагенты, в частности HF, NH₄F, (NH₄)₂SiF₆ и, возможно, полимеры - во избежание растрескивания монолитных образцов с последующим высушиванием полученного материала и затем спеканием с получением оптического кварцевого стекла (см. патент US 6698054 В2, кл. С03В 37/06, опубл. 02.03.2004),

Основным недостатком данного способа является большой размер пор образующихся при гелеобразовании материала в процессе производства кварцевого стекла с использованием золь-гель метода.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения кварцевого стекла высокой степени чистоты по золь-гель процессу, при котором монолитное кварцевое стекло получают гидролизом тетраэтоксисилана (ТЭОС) водным раствором соляной кислоты, введением в золь-гель систему наполнителя - высокодисперсного кремнезема, гелированием системы посредством добавления аммиака (до рН 4,5÷6), промывкой образованного геля, высушиванием и термообработкой его до состояния кварцевого стекла (см. авторское свидетельство SU 1749185 А1, кл. С03В 8/02).

Основным существенным недостатком данного способа получения кварцевого стекла является то, что, во-первых, он включает стадии диспергирования и центрифугирования, а, во-вторых, применяются операции - выдержка геля перед сушкой в деионизованной воде, а затем выдержка в растворе щавелевой кислоты с продолжительностью выдержки геля в деионизованной воде 10-16 ч.

Технической проблемой, решаемой в изобретении, является преодоление выявленных недостатков известных способов получения кварцевого стекла (диоксида кремния).

Технический результат заключается в том, что достигается возможность получения гранул особо чистого диоксида кремния с выходом не менее 93% (масс) при сокращении времени его получения и, как результат, повышение производительности получения гранул особо чистого диоксида кремния.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что способ получения гранул особо чистого диоксида кремния заключается в том, что гидролиз тетраэтоксисилана (ТЭОС) проводят с особо чистым водным раствором неорганической кислоты, отличающийся тем, что в качестве неорганической кислоты используют азотную кислоту, при этом вначале в раствор азотной кислоты предварительно добавляют этанол, затем при перемешивании в течение 10-25 мин проводят гидролиз тетраэтоксисилана (ТЭОС) в соотношении ТЭОС : водный раствор азотной кислоты с этанолом 1:(2-2,5) с рН от 3,5 до 6, в который, далее добавляют разбавленный раствор аммиака, с доведением рН до 9-10 и продолжают перемешивание в течение 8-15 мин при температуре 20-60°С, после чего проводят сушку полученной в виде геля гидроокиси кремния при перемешивании с одновременной отгонкой водно-спиртовой смеси с образованием твердых частиц ортокремневой кислоты, после чего удаляют остатки органических веществ и основной массы гидроксильных групп веществ путем термообработки ортокремневой кислоты при температуре от 200 до 250°С в течение 50-80 мин, а затем проводят отсев твердых частиц ортокремневой кислоты с размером менее 0,05 мм, а оставшиеся твердые частицы прокаливают при температуре от 1100 до 1300°С в течение от 3 до 5 ч с получением гранул особо чистого диоксида кремния размером от 0,05 до 0,50 мм.

Предпочтительно в водный раствор азотной кислоты со спиртом дополнительно вводят тонкодисперсный диоксид кремния с размером частиц менее 0,05 мм в количестве 5-7% (масс) от количества водного раствора азотной кислоты с этанолом.

Предпочтительно в водным раствор азотной кислоты добавляют особо чистый этанол с концентрацией 95% об.

Примеры осуществления способа получения гранул особо чистого диоксида кремния золь-гель методом.

Пример 1. В кварцевую емкость загружали 336 г ТЭОС с содержанием примесей металлов, указанном в таблице 1, и при перемешивании добавляли 60 г воды (соотношение ТЭОС : вода = 1:2) с рН=3,5 в течение 15 мин. Смесь выдерживали при перемешивании 40 мин., после чего доводили рН гидролизующегося раствора до 9 и проводили процесс при перемешивании и температуре 25°С в течение 10 мин. Удаление водно-спиртовой фазы проводили выпариванием и последующей конденсацией при перемешивании смеси. Образовавшуюся твердую фазу прогревали в течение 60 мин при температуре 200°С и удаляли из нее рассеиванием частицы размером менее 0,05 мм для последующего их использования при гидролизе. Оставшуюся твердую фазу прокаливали при температуре 1250°С в течение 3,5 ч. Получено 93 г диоксида кремния с содержанием примесей, указанном в таблице 2. Выход по ТЭОС 96%.

Пример 2. Проводят пример аналогично Примеру 1, отличающийся тем, что на первой стадии рН воды 3,0. Получено 91 г диоксида кремния с содержанием примесей, указанном в таблице 2. Выход по ТЭОС 94%.

Пример 3. Проводят процесс аналогично Примеру 1, отличающийся тем, что на первой стадии рН воды 2,0. Получено 90 г диоксида кремния с содержанием примесей, указанном в таблице 2. Выход по ТЭОС 93%.

В таблице 3 представлены результаты осуществления предлагаемого способа при различных условиях.

Изобретение относится к способам получения кварцевого стекла высокой степени чистоты по золь-гель-процессу и может быть использовано для производства изделий электронной и оптической, в частности лазерной, промышленности. Предложен способ получения гранул особо чистого диоксида кремния гидролизом тетраэтоксисилана (ТЭОС) с особо чистым водным раствором азотной кислоты, при этом вначале в раствор азотной кислоты предварительно добавляют этанол, затем при перемешивании в течение 10-25 мин проводят гидролиз ТЭОС в соотношении ТЭОС:водный раствор азотной кислоты с этанолом 1:(2-2,5) с рН от 3,5 до 6, далее добавляют разбавленный раствор аммиака с доведением рН до 9-10 и продолжают перемешивание в течение 8-15 мин при температуре 20-60°С, после чего проводят сушку полученной в виде геля гидроокиси кремния при перемешивании с одновременной отгонкой водно-спиртовой смеси с образованием твердых частиц ортокремниевой кислоты, после чего удаляют остатки органических веществ и основной массы гидроксильных групп веществ путем термообработки ортокремниевой кислоты при температуре от 200 до 250°С в течение 50-80 мин, а затем проводят отсев твердых частиц ортокремниевой кислоты с размером менее 0,05 мм, а оставшиеся твердые частицы прокаливают при температуре от 1100 до 1300°С в течение от 3 до 5 ч с получением гранул особо чистого диоксида кремния размером от 0,05 до 0,50 мм. Технический результат – получение гранул особо чистого диоксида кремния с выходом не менее 93% мас. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.

1. Способ получения гранул особо чистого диоксида кремния, заключающийся в том, что гидролиз тетраэтоксисилана (ТЭОС) проводят с особо чистым водным раствором неорганической кислоты, отличающийся тем, что в качестве неорганической кислоты используют азотную кислоту, при этом вначале в раствор азотной кислоты предварительно добавляют этанол, затем при перемешивании в течение 10-25 мин проводят гидролиз тетраэтоксисилана (ТЭОС) в соотношении ТЭОС:водный раствор азотной кислоты с этанолом 1:(2-2,5) с рН от 3,5 до 6, далее добавляют разбавленный раствор аммиака с доведением рН до 9-10 и продолжают перемешивание в течение 8-15 мин при температуре 20-60°С, после чего проводят сушку полученной в виде геля гидроокиси кремния при перемешивании с одновременной отгонкой водно-спиртовой смеси с образованием твердых частиц ортокремниевой кислоты, после чего удаляют остатки органических веществ и основной массы гидроксильных групп веществ путем термообработки ортокремниевой кислоты при температуре от 200 до 250°С в течение 50-80 мин, а затем проводят отсев твердых частиц ортокремниевой кислоты с размером менее 0,05 мм, а оставшиеся твердые частицы прокаливают при температуре от 1100 до 1300°С в течение от 3 до 5 ч с получением гранул особо чистого диоксида кремния размером от 0,05 до 0,50 мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в водный раствор азотной кислоты со спиртом дополнительно вводят тонкодисперсный диоксид кремния с размером частиц менее 0,05 мм в количестве 5-7% мас. от количества водного раствора азотной кислоты с этанолом.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в водный раствор азотной кислоты добавляют особо чистый этанол с концентрацией 95% об.