Szilícium féma vegyiparban: a kvarctól a szilikonokig és sziloxánokig

A szilícium fém a globális szilikonipar kritikus alapanyaga. A Müller{1}}Rochow közvetlen szintézis eljárással, finomra őrölvekohászati{0}}minőségű szilíciummetil-kloriddal reagálva metil-klór-szilánokat állít elő - a szilikonfolyadékok, elasztomerek, gyanták és szilán kapcsolószerek építőkövei, amelyek a modern építőipar, az autóipar, az elektronikai és a testápolási szektor alapját képezik.

Míg az alumíniumötvözet továbbra is a legnagyobb fogyasztószilícium fémtonnatartalom szerint a vegyiparban a szilícium nagy értékű- értékű szilikon anyagokká történő átalakítása az egyik legkifinomultabb és gazdaságilag legjelentősebb ipari út ennek az elemnek. A nyers kvarckőzettől a selymesen sima szilikon tömítőanyagig a fürdőszobában, a hőálló tömítésig- az autómotorokban vagy a biokompatibilis csövekhez egy orvosi eszközben a bányászatot, a kohászati ​​redukciót, a precíziós marást, a katalitikus szintézist és a polimertervezést öleli fel. Ez a cikk lépésről lépésre követi nyomon ezt az utat, elmagyarázza az ezt lehetővé tevő kémiát, és megvizsgálja a vegyi anyagokhoz használt szilícium fémminőségek és a kohászati ​​alkalmazásokhoz használt fémminőségek közötti kritikus minőségi különbségeket.

 

 

Nyersanyagtól nyersanyagig: A szilíciumfém-előkészítő lánc

Mielőtt a fém szilícium beléphetne a kémiai szintézis hurokba, elő kell állítani és elő kell készíteni, és elő kell készíteni a szigorú előírásoknak megfelelően. A felfelé irányuló lánc nagy-tisztaságú kvarcittal vagy kvarchomokkal kezdődik, amelyet 1900 Celsius fokot meghaladó hőmérsékleten működő, víz alatti-íves elektromos kemencékben széntartalmú redukálószerekkel - redukálnak, jellemzően faszénnel, szénnel vagy petróleumkokszdal -. A keletkező nyers szilíciumfémet kicsapják a kemencéből, hagyják lehűlni és kikristályosodni, majd csomósra zúzzák. Kémiai alkalmazásokhoz ezt a csomós anyagot további előkészítésnek kell alávetni, amely az alumíniumötvözéshez nem szükséges.

Marás és részecskeméret szabályozás

A szilícium és a metil-klorid közötti közvetlen szintézisreakció gáz{0}}szilárd heterogén reakció, amely a szilíciumrészecskék felületén megy végbe. Következésképpen a szilícium alapanyag fajlagos felülete kritikus folyamatparaméter. A kémiai -minőségű szilíciumot szabályozott részecskeméret-eloszlásra őrlik, jellemzően 10-200 mikrométeres tartományban, jelentős részük pedig 100 mikrométer alatti. A túlméretezett részecskék túl lassan reagálnak, ami csökkenti a reaktor teljesítményét, és tökéletlen konverzióhoz vezet. Az alulméretezett részecskék - finom por - fluidizálódhatnak és kiszabadulhatnak a reaktorágyból, anyagveszteséget és szűrési problémákat okozva. A modern szilikongyártók levegő osztályozási és szitáló rendszereket alkalmaznak a szigorú szemcseméret-előírások fenntartása érdekében.

Felület előkészítés és katalizátor érintkezés

A frissen őrölt szilícium vékony natív oxidréteggel rendelkezik, amely passziválja a felületet és gátolja a reakciót a metil-kloriddal. Ezt az oxidréteget részben el kell távolítani vagy fel kell törni a katalitikus aktiválás érdekében. A rézkatalizátort -, amelyet általában rézporként, réz-oxidként vagy réz-kloridként - visznek be, alaposan összekeverik az őrölt szilíciummal. A fluidágyas reaktorban a kezdeti melegítési fázis során a réz bediffundál a szilícium felületébe, és egy réz-szilicid intermetallikus fázist képez, amely aktív katalitikus helyként szolgál. A szilícium-katalizátor érintkezésének minősége, amely a részecskék morfológiájától és a felület tisztaságától függ, közvetlenül befolyásolja a reakció szelektivitását és hozamát.

A Müller{0}}Rochow közvetlen szintézis folyamata

A Müller{0}}Rochow-eljárás, amelyet először az 1940-es években Eugene Rochow és Richard Müller egymástól függetlenül fejlesztett ki, továbbra is a szilíciumfém szerves szilíciumvegyületekké történő átalakításának domináns ipari módja. Ez egy megtévesztően egyszerű reakció, mély ipari következményekkel.

Reakciókémiai és szelektivitási kihívások

Az idealizált Müller{0}}Rochow-reakció dimetil-diklór-szilánt állít elő céltermékként:

A reakció szelektivitása több változótól függ: a szilícium részecskeméretétől és morfológiájától, a rézkatalizátor terhelésétől és diszperziójától, a reakció hőmérsékletétől és nyomásától, a metil-klorid tisztaságától és - döntően - a szilícium alapanyag szennyeződési profiljától. A szilícium fémben lévő vas-, alumínium- és kalcium-szennyeződések megmérgezhetik a katalitikus helyeket, csökkenthetik a dimetil-diklór-szilán szelektivitását, és felgyorsíthatják a reaktor eltömődését. A foszfor és a bór, bár milliónyi mennyiségben van jelen, különösen problémás, mert átjuthatnak a teljes alsó láncon, és szennyezhetik a poliszilíciumot, ha a szilánáramot félvezető alkalmazásokba irányítják.

Vegyi-minőség vs kohászati-minőségű szilícium: minőségi különbségek

A kémiai -minőségű és kohászati-minőségű szilícium közötti különbség nem pusztán szemantikai -, hanem a szennyeződéstűrés, a gyártási gyakorlat és a végfelhasználás{3}}alkalmassága közötti valódi különbségeket tükrözi.

A gyakorlatban a kémiai-minőség és a kohászati-minőség közötti határ kissé porózus. A nagy-tisztaságú nyersanyagokból, szigorú folyamatszabályozás mellett előállított szilíciumfém egyidejűleg megfelel az alumíniumötvözet kémiai -minőségű előírásainak. Ezzel szemben egyes alumíniumöntödék olyan szilíciumot írnak elő, amely megközelíti a kémiai tisztaságú{6}}minőséget a prémium öntési alkalmazásokhoz. A kritikus különbség a szennyeződés-ellenőrzés következetességében és a gyártó azon képességében rejlik, hogy a szigorú specifikációs sávokat tételenként tanúsítja -, amely képesség a nyersanyag kiválasztásától, a kemence működési fegyelmétől és a minőségirányítási rendszertől függ.

Nyom szennyeződések és következményeik

A vas, alumínium és kalcium fő szennyeződésein túl a szilícium fémben lévő számos nyomelem is figyelmet érdemel a kémiai alkalmazásokban. A titán és a vanádium, még alacsony koncentrációban is, nem kívánt mellékreakciókat katalizálhat a metil-klór-szilán szintézis során. A szilícium-dioxid tökéletlen redukciójából vagy a széntartalmú redukálószerek bevonódásából származó széntartalom szilícium-karbid zárványokat képezhet, amelyek koptató hatásúak és károsítják a maróberendezést. Az olyan nehézfémekre, mint az ólom, az arzén és a kadmium - bár ritkán van kifejezetten meghatározva -, szabályozási határértékek vonatkoznak a downstream termékekre, különösen az élelmiszerekkel érintkezésbe, orvosi eszközökre vagy kozmetikumokra szánt termékekre.

Alkalmazások: A szilikonok ökoszisztémája

A szilíciumfémből előállított metil-klór-szilánok négy fő szilikonanyag-család gyártását szolgálják, amelyek mindegyike különböző piaci szegmenseket szolgál ki.

Szilikon folyadékok (olajok)

Lineáris polidimetil-sziloxán folyadékok, amelyeket ciklikus sziloxánok láncvégződésekkel végzett egyensúlyi polimerizációjával állítanak elő, figyelemre méltó termikus stabilitást, alacsony felületi feszültséget és érzéketlenséget mutatnak a hőmérséklet{0}}indukált viszkozitásváltozásokra. Ezeknek a tulajdonságoknak köszönhetően a szilikon folyadékok nélkülözhetetlenek hőátadó közegként, hidraulika folyadékként, csillapító folyadékként, kozmetikai összetevőként és textillágyítóként. A szilikon folyadékok viszkozitása pontosan szabályozható a vízszerű, 10 centistoke alatti konzisztenciától az 1 000 000 centistoke feletti gumiszerű anyagokig, ami rendkívül széles alkalmazási spektrumban teszi lehetővé a formulázást.

Szilikon gumik (elasztomerek)

A szilikon elasztomereket nagy-molekula-tömegű polidimetil-sziloxán gumikból, erősítő töltőanyagokból, például füstölt szilícium-dioxidból, térhálósító anyagokból- és térhálósító katalizátorokból állítják elő. Szobahőmérsékleten (RTV rendszerek) vagy megemelt hőmérsékleten (HTV rendszerek) - végzett térhálósodáskor ezek a készítmények rugalmas hálózatokat hoznak létre, amelyek kiválóan ellenállnak a hőnek, oxidációnak, ózonnak és ultraibolya sugárzásnak. Az autóipari tömítések, a gyújtógyertya-tartók, az orvosi csövek, a sütőformák és a fogyasztói elektronikai tömítések mind szilikon fém alapanyagból származó szilikon elasztomereken alapulnak.

Szilikon gyanták

A metil-triklór-szilánból és fenil-triklór-szilán prekurzorokból előállított, erősen térhálósított{0}}szilikongyanták kemény, hőstabil bevonatokat és formázóanyagokat képeznek. Alumínium pigmentekkel kombinálva a szilikongyanták hőálló,{2}}ezüst festéket hoznak létre, amelyet kipufogórendszereken, ipari sütőken és űrhajókon használnak. Az elektromos alkalmazásokban a szilikongyanták impregnálják a motortekercseket és a transzformátor tekercseket, így 200 Celsius fokot meghaladó hőmérsékletnek ellenálló szigetelést biztosítanak.

Szilán kapcsolószerek

Szerves funkciós szilánok - A szilícium-reaktív csoportokat és szerves -reaktív csoportokat - egyaránt tartalmazó molekulák molekuláris hídként szolgálnak a szervetlen szubsztrátok és a szerves polimerek között. Az üveg-erősítésű műanyagokban a szilán kötőanyagok az üvegszálakat a polimer mátrixhoz kötik, jelentősen javítva a mechanikai szilárdságot és a nedvességállóságot. Az abroncsiparban a szilánok szilícium-dioxid-erősítő töltőanyagokat kapcsolnak gumikeverékekhez, lehetővé téve az alacsony-gördülési-ellenállású „zöld abroncsokat”, amelyek javítják az üzemanyag-fogyasztást.

Ellátási lánc és beszerzési szempontok

A szilikongyártók általában hosszú távú{0}}szerződések alapján vásárolják meg a szilíciumot, meghatározott specifikációs sávokkal, szállítási ütemezéssel és ármechanizmussal. A beszerzési döntés magában foglalja a szilícium fém költségének és a közvetlen szintézis folyamatgazdaságosságának egyensúlyát. Az alacsonyabb -tisztaságú szilícium tonnánként olcsóbb lehet, de csökkentheti a dimetil-diklór-szilán szelektivitását, növelheti a katalizátorfogyasztást, felgyorsíthatja a reaktor karbantartási ciklusait, és megemelheti a későbbi tisztítási költségeket. A kifinomult gyártók modellezik a teljes birtoklási költséget, felismerve, hogy a szilíciumfém a teljes szilikongyártási költségnek csak egy részét teszi ki - az energia, a metil-klorid, a katalizátor és a tőkevisszanyerés együttesen dominál.

ZhenAn International Co., korlátozott készletkémiai -minőségű szilícium fémellenőrzött szennyeződési profillal, amely alkalmas szilikonszintézisre és kapcsolódó vegyi alkalmazásokra. A több mint 200 alkalmazottat foglalkoztató 30 000 négyzetméteres gyártóüzemünk SGS{4}}minősítési tanúsítvánnyal rendelkezik, GB és ASTM tesztelési képességekkel. Több mint három évtizedes vasötvözet- és kohászati ​​anyagokkal kapcsolatos tapasztalatunkkal a vegyipari beszerzési csapatokat egységes kémiával, megbízható szállítással és dokumentált nyomon követhetőséggel támogatjuk.