中國粉體網(wǎng)訊 【摘要】硅微粉作為重要的無機非金屬功能性填料，具有高耐熱、高絕緣、低線性膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱性好等優(yōu)異性能，可應(yīng)用在覆銅板、環(huán)氧塑封料、塑料、橡膠、涂料、電工絕緣材料等領(lǐng)域，具有較為廣闊的發(fā)展前景。本文介紹了硅微粉的種類、主要性能、生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】硅微粉；生產(chǎn)工藝；改性方法；應(yīng)用
引言
硅微粉無毒、無味、無污染，具有高耐熱、高絕緣、低線性膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱性好等優(yōu)良性能，是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，可廣泛應(yīng)用于電子電路用覆銅板、芯片封裝用環(huán)氧塑封料以及電工絕緣材料、膠粘劑、陶瓷、涂料等領(lǐng)域，終端應(yīng)用于消費電子、汽車工業(yè)、航空航天、風(fēng)力發(fā)電、國防軍工等行業(yè)。
1 硅微粉的定義及性能
硅微粉是由天然石英（SiO2）或熔融石英（天然石英經(jīng)高溫熔融、冷卻后的非晶態(tài)SiO2）經(jīng)破碎、球磨（或振動、氣流磨）、浮選、酸洗提純、高純水處理等工序加工處理而得到的二氧化硅粉體材料[1]。
硅微粉除了具備熱膨脹系數(shù)低、介電性能優(yōu)異、導(dǎo)熱性能高、懸浮性能好等優(yōu)良性能以外，同時還具備以下性能[2-4]：
由于硅微粉純度高，雜質(zhì)含量低，性能穩(wěn)定，電絕緣性能優(yōu)異，使固化物具有良好的絕緣性能和抗電弧性能。
能降低環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)的防熱峰值溫度，降低固化物的線膨脹系數(shù)和收縮率，從而消除固化物的內(nèi)應(yīng)力，防止開裂。
經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的硅微粉，對各類樹脂有良好的浸潤性，吸附性能好，易混合，無結(jié)團現(xiàn)象。
硅微粉作為填充料，加進有機樹脂中，不但提高了固化物的各項性能，同時也降低了產(chǎn)品成本。
2 硅微粉的分類
硅微粉產(chǎn)品系列比較復(fù)雜，應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)國標(biāo)SJ/T10675-2002，硅微粉可作以下分類[2]：
從粉體顆粒形貌上分，可分為角形硅微粉和球形硅微粉。角形硅微粉根據(jù)其原材料的不同又分為角形結(jié)晶硅微粉和角形熔融硅微粉。與角形硅微粉相比，球形硅微粉在填充性、熱膨脹性、磨損性等方面均具有較大的優(yōu)勢[5]。
用于集成電路覆銅板的硅微粉主要分為熔融型硅微粉、結(jié)晶型硅微粉、活性硅微粉、球形硅微粉和復(fù)合硅微粉五種[6]。
2.1 熔融型硅微粉
熔融硅微粉是選用天然石英，經(jīng)高溫熔煉，冷卻后的非晶態(tài)二氧化硅作為主要原料，再經(jīng)獨特工藝加工而成的微粉。其分子結(jié)構(gòu)排列由有序排列轉(zhuǎn)為無序排列[1]。其顏色白、純度也較高。與此同時還具備以下特性：具有極低的線性膨脹系數(shù)；具有良好的電磁輻射性能以及耐化學(xué)腐蝕和穩(wěn)定的化學(xué)特性；具有合理有序且可控的粒度分布[4]。
2.2 結(jié)晶型硅微粉
結(jié)晶硅微粉是由精選優(yōu)質(zhì)石英礦經(jīng)過清洗、破碎、磁選、超細碎、分級等工藝加工而成[4]。結(jié)晶硅微粉顏色白、質(zhì)純，具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)特性以及合理、可控的粒度分布。結(jié)晶硅微粉又可以劃分為高純度的結(jié)晶硅微粉、電子級的結(jié)晶硅微粉和一般填料級的結(jié)晶硅微粉[6]。
2.3 活性硅微粉
活性硅微粉是向硅微粉添加適量偶聯(lián)劑，在適當(dāng)?shù)臏囟认赂男远傻墓栉⒎�，一種無毒、無味、無污染的憎水性（親油性）高純白色微粉[6]。由于其具備憎水性能且能提高混合料以及填充系統(tǒng)的機械和化學(xué)性能，因此被廣泛應(yīng)用到國防科技和電子等領(lǐng)域[4]。
2.4 球形硅微粉
球形硅微粉是以精選的不規(guī)則角形硅微粉作為原料，通過高溫近熔融和近球形的方法加工，得到的一種顆粒均勻、無銳角、比表面積小、流動性好、應(yīng)力低、堆比重小的球形硅微粉材料[1]。
2.5 復(fù)合硅微粉
復(fù)合硅微粉又稱低硬度硅微粉，簡稱復(fù)合粉[6]，是以天然石英和其他無機非金屬礦物（如氧化鈣、氧化硼、氧化鎂等）為原料，經(jīng)過復(fù)配、熔融、冷卻、破碎、研磨、分級等工序加工而成的玻璃相二氧化硅粉體材料[1]。
3 硅微粉的生產(chǎn)工藝
3.1 原料的選礦提純
隨著硅質(zhì)原料被大量開發(fā)利用，高品質(zhì)的硅質(zhì)原料逐漸減少；為了滿足產(chǎn)量逐年提高的硅微粉用原材料的要求，部分硅質(zhì)原料必須經(jīng)過選礦提純達到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)后，才用來加工硅微粉。選礦提純一般是將雜質(zhì)含量較高的硅質(zhì)原料經(jīng)過破碎、篩分、磨礦，使二氧化硅與雜質(zhì)充分解離，經(jīng)過磁選、浮選除去雜質(zhì)；再用酸洗方法，使雜質(zhì)進一步降低，然后用清水洗去酸液，再用去離子水洗去顆粒表面吸附的殘余雜質(zhì)離子，使原料達到或高于硅微粉的化學(xué)指標(biāo)；干燥后成為加工硅微粉的原材料[3-4]。
3.2 角形硅微粉的生產(chǎn)工藝
角形硅微粉生產(chǎn)工藝有干法研磨和濕法研磨兩種。
干法研磨生產(chǎn)工藝：是將硅微粉原料放進球磨機或振動磨中研磨，該研磨工藝可以連續(xù)進料和出料，也可以一次投入若干重量原料，連續(xù)研磨若干時間后出料；出料時要經(jīng)過微粉分級機控制粒度，粗的產(chǎn)物返回磨機再磨，細的則是產(chǎn)品。干法研磨要嚴(yán)格控制入磨物料水分。
濕法研磨生產(chǎn)工藝：是將若干重量硅微粉原料一次投入球磨機中，加入適量的水，作業(yè)濃度在65%～80%；連續(xù)研磨十幾個小時后，倒出料漿，用壓濾方法或放在料桶內(nèi)自然沉淀脫水，得到含水料餅；用打碎機打碎分散后均勻連續(xù)地投到空心軸攪拌烘干機中，干燥后得到產(chǎn)品[3-4]。
3.3 球形硅微粉的生產(chǎn)工藝
目前，球形硅微粉的生產(chǎn)方法主要包括物理法、化學(xué)法及物理化學(xué)法。其中，物理法主要包括火焰成球法、高溫熔融噴射法、等離子體法、高溫煅燒球形化等；化學(xué)法主要包括氣相法、水熱合成法、自蔓延低溫燃燒法、溶膠-凝膠法、沉淀法和微乳液法等。物理法制備球形硅微粉所需的原材料石英來源廣泛、成本較低，但對石英原材料的質(zhì)量和生產(chǎn)設(shè)備等要求較高�；瘜W(xué)法盡管可制備出高純度且粒徑均勻的球形硅微粉，但其制備過程需消耗大量的表面活性劑，導(dǎo)致其存在生產(chǎn)成本過高、有機雜質(zhì)難以消除及粉體易團聚等問題。因此，物理法比化學(xué)法制備球形硅微粉更易于實現(xiàn)工業(yè)化、規(guī)�；a(chǎn)[7]。
4 硅微粉的改性
硅微粉的種類、粒度、比表面積、表面官能團等性質(zhì)直接影響其與表面改性劑的結(jié)合作用。不同種類的硅微粉改性效果也是有一定差異的，其中球形硅微粉具有很好的流動性，在改性的過程中易與改性劑結(jié)合，能夠較好地分散在有機高分子體系中，并且密度、硬度、介電常數(shù)等性能都明顯優(yōu)于角形硅微粉[8]。
硅微粉常用的改性工藝主要包括包覆改性、干法改性、濕法改性、復(fù)合改性[8-9]。
4.1 包覆改性
包覆改性主要是利用硅微粉表面以及高分子材料的結(jié)構(gòu)中官能團的特點在硅微粉的表面進行包覆。在經(jīng)過包覆改性后，硅微粉表面會形成一層有機高分子材料的薄膜，通過此“薄膜”達到對硅微粉表面改性的目的，包覆改性是一種常用的改變粉體表面物化性質(zhì)的處理方法[9]。
包覆改性包括冷法改性和熱法改性，其中冷法改性的過程中會使用大量的有機溶劑，很難應(yīng)用在工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本高且改性效率低；熱法改性的包覆效果較好，適合大量生產(chǎn)，但其工藝較復(fù)雜難控制[9]。
4.2 干法改性
干法改性是硅微粉在相對干燥的狀態(tài)下分散于改性設(shè)備中，并配合一定量的表面改性劑在一定溫度下實現(xiàn)的改性。與包覆改性相比，干法改性工藝簡單，生產(chǎn)成本低，是目前國內(nèi)硅微粉表面改性的主要方式，適合于微米級別硅微粉[8]。
4.3 濕法改性
濕法改性是指在液相條件下對硅微粉表面進行潤濕，降低表面的結(jié)合能，然后加入一定量的表面改性劑和助劑，在一定溫度下攪拌分散，實現(xiàn)硅微粉的表面改性。濕法改性工藝能使硅微粉與改性劑更容易分散并更加充分的結(jié)合，改性更均勻，但濕法改性需要去除掉粉體中的水分，需要對其進行過濾和干燥，工藝流程復(fù)雜且成本較高，更適合粒徑小于5μm的超細硅微粉改性[8-9]。
4.4 復(fù)合改性
復(fù)合改性工藝是指粉體在細磨粉碎過程中加入改性劑，可以完成粉體的粉碎與改性一體化的工藝。復(fù)合改性的工藝流程較為簡單，操作簡便，而且改性劑的存在可以提升研磨介質(zhì)的粉碎能力，因此可以提高粉碎及改性效率。但是在粉體不斷被超細粉碎的過程中，粉體的比表面積會逐漸增大，新表面的出現(xiàn)會使改性劑難以包覆均勻，且粉碎設(shè)備在粉碎過程中產(chǎn)生的熱量會使不耐高溫改性劑分解揮發(fā)，從而影響改性效果[9]。
5 硅微粉的應(yīng)用
硅微粉因自身的絕緣性能良好，主要可用在塑料、橡膠、涂料、覆銅板、環(huán)氧塑封料、電工絕緣材料等領(lǐng)域中。
5.1 覆銅板
硅微粉是一種功能性填料，它添加在覆銅板中能提升板材的絕緣性、熱傳導(dǎo)性、熱穩(wěn)定性、耐酸堿性（HF除外）、耐磨性、阻燃性，提高板材的彎曲強度、尺寸穩(wěn)定性，降低板材的熱膨脹率，改善覆銅板的介電常數(shù)。同時，由于硅微粉原料豐富，價格低廉，能夠降低覆銅板的成本，因此在覆銅板行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛[1]。
5.2 環(huán)氧塑封料
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電子元器件的作用越來越重要，呈現(xiàn)出更輕、更小、更快的發(fā)展趨勢。在這種發(fā)展趨勢下，先進的封裝技術(shù)扮演著越來越重要的角色，因此對電子封裝用環(huán)氧塑封料的流動性也提出了更高的要求。硅微粉是環(huán)氧塑封料的重要組成成分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%以上[10]，其作為填充料能夠顯著降低環(huán)氧塑封料的線性膨脹系數(shù)，可以大幅提升電子產(chǎn)品的可靠性。
5.3 橡膠
橡膠是具有可逆形變的高彈性聚合物材料，可廣泛應(yīng)用于電子、汽車、土木建筑、國防軍工、醫(yī)療衛(wèi)生以及生活用品等多個領(lǐng)域。在橡膠制備過程中，加入一定量的無機填料，不僅可以降低橡膠的生產(chǎn)成本，而且可以顯著提高橡膠復(fù)合材料的綜合物理性能與動態(tài)力學(xué)性能。硅微粉具有粒度小、比表面積大、耐熱與耐磨性能好等優(yōu)點，其作為填料可提高橡膠復(fù)合材料的耐磨性、拉伸強度與模量、高撕裂等性能[9]。
5.4 塑料
硅微粉作為填料在制作塑料的過程中可用于聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯醚等材料中，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、電子通信、絕緣材料、農(nóng)業(yè)、日常生活用品、國防軍工等多個領(lǐng)域[9]。
5.5 涂料
在涂料行業(yè)中，硅微粉的粒度、白度、硬度、懸浮性、分散性、吸油率低、電阻率高等特性均能提高涂料的抗腐蝕性、耐磨性、絕緣性、耐高溫性能。硅微粉由于具有良好的穩(wěn)定性一直在涂料填料中扮演重要的角色[11]。
5.6 電工絕緣材料
電工絕緣材料是使電器元件之間以及元件和地面之間絕緣的一種復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于電力輸送、軌道交通、航空航天、風(fēng)能、核能以及其它電機領(lǐng)域。不同行業(yè)在使用絕緣材料的過程中，對其耐熱性、絕緣性以及抗腐蝕性等特性都有一定的要求，硅微粉作為填料制備絕緣材料可使其機械性能和電學(xué)性能得到有效改善[9]。
6 結(jié)論
近年來，我國硅微粉行業(yè)發(fā)展勢頭強勁，硅微粉在各個行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛，其產(chǎn)量及市場規(guī)模保持快速增長態(tài)勢。同時，行業(yè)應(yīng)用的增長也對硅微粉的性能提出了更高的要求，我國在硅微粉高端產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，面對未來巨大的市場需求，我國必須提高硅微粉生產(chǎn)技術(shù)水平，提升硅微粉產(chǎn)品質(zhì)量，推動高端硅微粉產(chǎn)品國產(chǎn)化進程。
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