1.1矽石又稱矽質原料，不僅包括天然礦物，還包括各種合成產品，其產品可分為晶態和非晶態。天然矽石礦物通常包括結晶矽石礦物石英砂、脈狀應時、粉狀應時和無定形矽石礦物矽藻土。合成產品主要是二氧化矽(無定形二氧化矽)，包括氣相二氧化矽(煆制二氧化矽)和沈澱二氧化矽(沈澱二氧化矽)。應時是矽質天然礦物的主要礦物成分，化學成分為SiO2，具有玻璃光澤，油性斷口。貝殼狀斷口，莫氏硬度7，密度2.65 ~ 2.66。有不同的顏色，無色透明的叫水晶，乳白色的叫牛奶應時。按其結晶習慣，三元系為低溫應時，又稱-應時；六角系統是高溫應時，也被稱為應時。石英砂是礦產品的專用名詞，泛指海砂、河砂、湖砂等在應時占有絕對優勢的各種砂。地質學根據成因將其分為沖積砂、洪積砂和殘積砂。石英砂的礦物含量變化很大，主要是應時，其次是長石、巖屑、重礦物(石榴石、電氣石、輝石、閃石、榍石、黃玉、綠簾石、鈦鐵礦等。)、雲母、綠泥石、粘土礦物。應時砂巖是壹種固結砂巖，通常簡稱砂巖。它是自然界中最常見、最普通的矽質礦物原料之壹。應時和矽質碎屑含量壹般在95%以上，次生礦物多為長石、雲母和粘土礦物，重礦物很少。常見的重礦物有電氣石、金紅石和磁鐵礦。石英巖是由應時砂巖或其他矽質巖變質形成的變質巖。應時脈是與花崗巖有關的巖漿熱液脈，其礦物成分幾乎全部是應時。粉應時是壹種粒度極細、二氧化矽含量高的天然應時礦石。術語“粉狀應時”過去有多種叫法，包括天然粉狀應時和由矽質礦物原料(石英巖和脈狀應時)加工而成的應時細粉。矽砂是以應時為主要成分的砂礦的總稱。從地表或地層中以天然顆粒形式產出的矽砂，以及石英巖、應時砂巖風化後以顆粒形式產出的砂礦，稱為“天然矽砂”(或簡稱“矽砂”)。相應的，將塊狀石英巖、應時砂巖破碎成顆粒，稱為“人造矽砂”。1.2二氧化矽的性質1.2.1二氧化矽的性質在自然界分布廣泛，如應時、石英砂等。白色或無色，淡黃色，含鐵量高。密度2.65 ~ 2.66。熔點1670℃(鱗石英)；1710℃(應時)。沸點是2230℃。不溶於水，微溶於酸，顆粒能與熔融物和堿反應。二氧化矽的化學式為SiO2，分子式為60.08，又稱二氧化矽，是壹種堅硬不溶的固體。它經常出現在三個變種:應時，鱗石英和方應時。從地面下到16公裏，差不多65%是矽石礦。天然矽石可分為結晶矽石和無定形矽石，結晶矽石主要產於應時礦區。純應時是無色晶體，大而透明的棱形應時是晶體。二氧化矽是由矽原子和四個氧原子形成的四面體結構的原子晶體，整個晶體可以看作壹個巨大的分子。二氧化矽是最簡單的形式，並不意味著單個分子。無定形二氧化矽是白色固體或粉末。二氧化矽化學性質穩定，不溶於水，不與水反應。它是壹種酸性氧化物，不與普通酸反應。二氧化矽在自然界是不活潑的，除了氟、氟化氫和氫氟酸外，不與鹵素、鹵化氫和鹵化氫、硫酸、硝酸和高氯酸反應。氟化氫(氫氟酸)是唯壹能溶解二氧化矽並生成水溶性氟矽酸的酸。反應式如下:SiO2+4hf = SiF4 ↑+2h2o二氧化矽和堿性氧化物SiO2+Cao =(高溫時)CaSiO3二氧化矽可溶於濃熱堿溶液:SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O(含堿試劑瓶可用膠塞代替玻璃塞)高溫時，在室溫下，二氧化矽可以被碳、鎂和鋁還原:SiO2+2c = Si+2co ↑ 1.2.2二氧化矽的結構在大多數微電子工藝感興趣的溫度範圍內，二氧化矽的結晶速率很低，可以忽略不計。熔融的應時雖然不是長程有序的，但卻呈現出短程有序的結構，其結構可以認為是壹個三角形的多邊形腳上的四個氧原子。多面體的中心是壹個矽原子。這樣，每四個氧原子就以大約* * * *的化合價鍵合到矽原子上，滿足了矽的價層。如果每個氧原子是兩個多面體的壹部分，氧的化合價也滿足，結果是壹個規則的晶體結構，稱為應時。在熔融的應時中，壹些氧原子成為氧橋並與兩個矽原子結合。壹些氧原子沒有氧橋，只與壹個矽原子成鍵。可以認為熱生長二氧化矽主要由具有人類取向的多面體瓷質復合體組成。與厭氧橋部位相比，好氧橋部位越大，氧化層的附著力越大，損壞的傾向越小。幹氧氧化層中好氧橋與厭氧橋的比例遠大於濕氧氧化層。因此，可以認為SiO2更類似於離子晶體，而不是原子晶體。氧原子和矽原子之間的價鍵轉變為離子鍵。二氧化矽是制造玻璃、應時玻璃、水玻璃、光纖和耐火材料的原料。當二氧化矽晶體完美時，它是晶體；二氧化矽糊化脫水後為瑪瑙；含水的矽膠凝固後變成蛋白石；當二氧化矽的粒度小於幾微米時，形成玉髓、燧石和次生石英巖。礦物資源具有非常穩定的物理化學性質，晶體屬於三元系的氧化物礦物，即低溫應時(α-應時)，是應時礦物中分布最廣的礦物種類。廣義的應時還包括高溫應時(β-應時)。應時塊又稱矽石，主要是生產石英砂的原料，也是應時耐火材料和矽鐵燒制的原料。1.3應用領域及用途(1)平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品(玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等)的主要原料。)、光學玻璃、玻璃纖維、玻璃儀器、導電玻璃、玻璃布、防輻射特種玻璃(2)陶瓷、耐火瓷的坯料和釉料、窯爐用高矽磚、普通矽磚、碳化矽的原料(3)冶金金屬矽、矽鐵合金、矽鋁合金的原料或添加劑、熔劑(4)建築混凝土、膠凝材料、築路材料、人造大理石、水泥物理性能檢測材料(即水泥標準砂)等。(5)化學矽化合物和水玻璃的原料，硫酸塔的填料。(6)無定形矽微粉機械鑄造型砂的主要原料，研磨材料(噴砂、硬砂紙、砂紙、砂布等。)(7)電子用高純金屬矽、通訊用光纖等。(8)橡塑填料(可提高耐磨性)PVC地板中，主要以粉末應時為填料，細度為320目，填充量為16%。在PVC耐酸板材和管材中，粉狀應時填料的細度為400目，填充量為10% ~ 15%。在塑料薄膜中，粉狀應時填料的細度在600目以上，填充量為10% ~ 12%。(9)油漆和塗料(可提高塗料的耐候性)矽藻土因其不同的顆粒形狀和結構特點，加上其極高的吸油性，在塗料中用作消光劑，主要用於平乳膠漆和清漆、底漆和壹些混凝土塗料，也用作填料，增加塗料中隱藏顏料的遮蓋力。2.1白炭黑白炭黑是壹種人工合成的無定形二氧化矽超細顆粒填料。白色二氧化矽是壹種多孔物質。它的化學名稱為水合二氧化矽，分子式為SiO2？nH2O(其中NH2O以表面羥基形式存在)是以細粉或超細顆粒形式存在的二氧化矽，粒徑小於100nm，通常為20~60nm，化學純度高(高純SiO2達到99.8%)。分散性好，比表面積大，密度為2.319~2.653g/cm3，熔點為1750℃。溶於苛性鈉和氫氟酸，不溶於水、溶劑和酸(氫氟酸除外)。耐高溫，不燃，無味無臭，具有良好的電絕緣性。根據制造工藝，白炭黑大致可分為:氣相法(氣相法白炭黑，氣相法白炭黑)；沈澱法(沈澱二氧化矽，沈澱二氧化矽)。氣相二氧化矽是由氯矽烷經氫氧焰高溫水解制得的壹種精細而特殊的無定形粉體材料。制備過程復雜且昂貴。正常情況下，氣相二氧化矽為白色無定形絮狀半透明固體膠體納米粒子(粒徑小於100nm)，無毒，平均壹次粒徑為7~40nm，具有400 m2/g的巨大比表面積..產品純度高，二氧化矽含量不低於99.8%。它是壹種多功能添加劑，廣泛應用於塗料中，能起到增稠、觸變性和消光的作用。沈澱二氧化矽可分為傳統沈澱二氧化矽和特種沈澱二氧化矽。前者是指以硫酸、鹽酸、CO2和水玻璃為基本原料生產的二氧化矽，後者是指通過超重力技術、溶膠-凝膠法、化學結晶法、二次結晶法或反膠束微乳液法等特殊方法生產的二氧化矽。沈澱二氧化矽屬於水合二氧化矽，二氧化矽含量在90%左右，市場需求大。沈澱二氧化矽主要用作天然橡膠和合成橡膠的補強劑，牙膏摩擦劑等。氣相二氧化矽主要用作矽橡膠的補強劑、不飽和樹脂的塗層和增稠劑，而超細矽膠和氣凝膠主要用作塑料薄膜的塗層消光劑、增稠劑和開口劑。二氧化矽比表面積的研究非常重要，只有用BET法才能得到真實可靠的二氧化矽比表面積測試結果。目前國內外的比表面積測試都采用多點BET法，國內外制定的比表面積測試標準都是基於BET測試法。請參照中國國家標準(GB/T 19587-2004)——氣體吸附BET原理測量固體物質比表面積的方法。2.2二氧化矽的制備工藝2.2.1氣相法二氧化矽(fumed silica)的制備工藝主要是化學氣相沈積(CAV)，也稱熱解、幹法或燃燒法。氣相法二氧化矽的制備原理是鹵化矽化合物在氫氧燃燒產生的水中高溫(大於1000攝氏度)水解；然後經過聚集、脫酸等後處理過程得到產品。空氣和氫氣分別加壓、分離、冷卻、脫水、矽膠幹燥、除塵、過濾，然後送入合成水解爐。將原料四氯化矽送入精餾塔進行精餾，然後在蒸發器中加熱蒸發，再以幹燥過濾後的空氣為載體送入合成水解爐。四氯化矽在高溫下(火焰溫度1000~1800℃)氣化，然後在1800℃左右的高溫下與壹定量的氫氣和氧氣(或空氣)水解。此時生成的氣相二氧化矽顆粒極細，與氣體形成氣溶膠，不易捕捉。因此，它們先在聚集器中聚集成較大的顆粒，再由旋風分離器收集，然後送入脫酸爐，用含氮空氣吹掃氣相二氧化矽，直到PH值為4 ~ 6，即為成品。化學反應式如下:sicl 4(g)+2 H2(g)+O2(g)->；SiO2(克)+4HCl(克)2CH3SiCl3(克)+ 2H2(克)+5O2(克)—& gt；2 SiO 2(g)+6 HCl(g)+2 CO2(g)+2h2o(g)其中，CH3SiCl3是直接合成甲基氯矽烷過程中不可避免的副產物，約占總單體產量的10%~15%。因為Si原子上有壹個額外的甲基，所以用Si原子合成二氧化矽的機理比用SiCl4合成要復雜得多。20世紀六七十年代，氣相法二氧化矽主要以四氯化矽為原料，生產工藝易於控制，但成本較高。目前，氣相法二氧化矽制造公司與有機矽單體生產公司緊密合作，以廉價的有機矽副產物為主要原料生產氣相法二氧化矽；氣相法二氧化矽生產的副產物鹽酸返回有機矽單體廠用於有機矽單體的合成，也用於有機矽產品的後處理，形成了資源循環利用、相互促進的良性循環，具有良好的社會效益和經濟效益。德固賽和卡博特在氣相生產技術方面處於世界領先地位。他們的生產設施規模大，自動化程度高，產品成本低，品牌多(特別是特殊領域使用的功能性特殊產品)，質量好，如表面積分布均勻，含水量低。我國的沈陽化工股份有限公司、上海氯堿化工股份有限公司也采用氣相生產，但在生產規模、生產技術、自動化程度、產品品牌等方面都遠遠落後於國外大公司。廣州吉必盛科技實業有限公司是國內產量最大、品牌最全、技術最先進的氣相法白炭黑供應商，是氣相法白炭黑國家標準GB20020-2005的起草單位。2.2.2沈澱二氧化矽(沈澱二氧化矽)的制備工藝沈澱二氧化矽是由矽酸鈉與硫酸或鹽酸反應制得。其中反應式如下:SiO 2+na2co 3->；二氧化矽？Na2O + CO2 (SiO2？Na2O)ag+h2so 4-& gt；二氧化矽矽酸鈉又稱矽酸鈉，是壹種無色、青綠色或棕色固體或粘稠液體，用於二氧化矽+硫酸鈉+ H2O沈澱白炭黑。它是由二氧化矽(石英砂)和純堿(堿土)在熔化窖中熔化、冷卻、粉碎而成，其燃料可以是煤、天然氣或煤氣。水玻璃的生產工藝可分為幹法和濕法。通常采用幹法生產固體水玻璃，然後將其溶解轉化成所需規格的液體水玻璃。沈澱法生產工藝和設備簡單，產品活性不高，顆粒不易控制，親和力差，增強性能低，顆粒表面的水基羥基結合嚴重，削弱了產品的結合力。二次結晶生產超細二氧化矽是在沈澱生產技術的前提下，對品種處理的壹種改進技術。采用二次結晶新工藝，可全自動工藝生產。其二氧化矽含量在94%以上，比表面積為269~320m2/g，粒度為1000目，細度可達納米級。二氧化矽是橡膠工業中用量最大的白色補強填料。近年來，由於中國膠鞋和輪胎工業的發展，刺激了作為橡膠補強劑的二氧化矽生產的快速增長。目前國內外用作填料的二氧化矽主要是以石英砂為原料制成水玻璃，然後用沈澱法生產二氧化矽。生產過程消耗大量純堿和酸，生產成本高。許多研究人員正在探索利用矽藻土、蛇紋石、矽灰石、高嶺土、膨潤土等非金屬礦物和其他原料生產白炭黑的工藝。第三軍醫大學已成功從矽藻土中制取二氧化矽和聚合氯化鋁。浙江光科化工有限公司和吉林臨江朱燁化工有限公司利用矽藻土生產白炭黑。宜賓五糧液集團精細化工有限公司是中國唯壹壹家利用家用植物(如稻殼和谷殼灰)生產二氧化矽的制造商，年產二氧化矽4000噸。2.3二氧化矽的應用二氧化矽因其耐酸、耐堿、耐高溫、良好的電絕緣性和分散性，被廣泛用作橡膠、塑料、塗料、造紙、日化等行業的最佳白色補強填料。氣相法二氧化矽的制備復雜且成本高，主要用於特殊用途。2.3.1氣相法二氧化矽的應用氣相法二氧化矽廣泛應用於矽橡膠、油漆、油墨和復印機墨粉、粘合劑、電纜料和不飽和聚酯樹脂、植保、食品和化妝品，能起到補強、增稠、防結塊、控制體系流變性和觸變性的作用。氣相二氧化矽廣泛用於室溫硫化矽橡膠和高溫硫化矽橡膠。它們往往以團聚體的形式分散在基體中，形成三維的類瓷結構，與矽橡膠基體材料有較大的接觸面積，硫化過程中形成許多交聯點，從而使矽橡膠增厚、補強。在液體塗料和油漆中，氣相二氧化矽具有流變添加劑、抗沈降劑、分散助劑和消光劑的功能。在配方中加入氣相二氧化矽，可以控制體系的流變性和觸變性，既可以防止塗料和油漆在施工過程中的流掛現象，又可以保證塗層厚度均勻，獲得高質量的塗刷效果。氣相二氧化矽可以改善顏填料在液體塗料和油漆中的懸浮和分散，從而有效防止顏填料在體內沈降，使其具有良好的儲存性。氣相二氧化矽作為消光劑，可以調節漆膜的表面光澤，賦予其良好的油膩感。此外，氣相二氧化矽可以提高塗料和塗層體系中塗層的抗劃傷性和耐磨性，加強防腐效果。煆制二氧化矽也常用於粉末塗料。在粉末塗料中，氣相二氧化矽可以改善粉末塗料的自由流動、防結塊和流動特性。煆制二氧化矽也常用於塑料、彈性體和不飽和聚酯樹脂。在塑料混合物中加入傳統的填料和少量的氣相二氧化矽，會有明顯的增強作用，大大提高材料的強度和力學性能，從而改善加工工藝和產品的性能。在不飽和聚酯樹脂中添加少量氣相二氧化矽，可以賦予樹脂優異的透明性和優異的物理性能，有助於提高下遊產品的質量。氣相法白炭黑是壹種重要的無機化工原料，在工業發展中發揮著不可替代的作用。除了傳統的應用行業，還會應用到新的領域。然而，其較高的價格往往限制了其更廣泛的應用。例如，沈澱二氧化矽仍廣泛用於橡膠工業。2.3.2沈澱二氧化矽的應用沈澱二氧化矽也稱為沈澱水合二氧化矽。它是壹種高比表面積、高結構、高活性的補強填料。由於其特殊的表面結構、顆粒形態結構和獨特的物理化學特性，被廣泛應用，是壹種重要的補強填料。在淺色和有色制品中，具有炭黑不可比擬的優勢，其表面活性和補強性能優於其他無機淺色填料(如碳酸鈣、粘土、高嶺土、雲母等。).通過控制物料的配比和流量、反應的壓力、溫度和時間，經過過濾、洗滌和幹燥，可以得到不同比表面積、粒徑、純度、結構和孔隙率的產品。不同的二氧化矽生產工藝具有不同的物理和化學性質，如表3-7所示。表3-7不同規格二氧化矽的理化性質，化學特性項目zeo sil 175 zeo sil 15 zeo sil 175 GR zeo sil 125 GR tixo sil 383二氧化矽質量分數0.93 0.92 0.93 0.93 0.93 0.93 PH 6.8 6.9 6.8 6.7 6.9水。質量分數(105℃，2h) 0.055 0.060 0.060 0.060 0.070燒失量(1000℃/%4.04.5 4.04.5 CTAB比表面積/(m2/g)162 165 65438+。(m2/g)165 240 168 125 260 DOP吸油值/(ml/100g)280 250 250 230 250壓實密度/(mg/M3)0.28 0.30 0 0.30 0 0.17幹篩殘渣質量分數(10目)-0.800沈澱二氧化矽廣泛用於橡膠、塑料填料、塗料增稠劑、油漆添加劑、合成油脂和有機矽增稠劑、鞣劑、農藥分散劑、紙張填料、合成樹脂(聚酯樹脂、彈性聚氨酯)添加劑、電氣和電子絕緣填料以及日用化工原料。同時用作聚丙烯和無毒PVC塑料薄膜的開口劑，用作食品、農藥、醫藥的防結塊劑和載體。沈澱二氧化矽是橡膠工業中最好的白色補強填料。在白色和淺色填料中具有優異的補強性能和表面活性，廣泛應用於橡膠鞋底、輪胎、膠管、膠帶、膠輥、橡膠密封件等產品。在生產橡膠制品的過程中，通常需要在膠料中加入炭黑，以提高強度、耐磨性和耐老化性，但由於加入了炭黑，制品都是黑色的，檔次不高。以白炭黑為補強劑，在普通橡膠中添加少量白炭黑，產品的強度、耐磨性、耐老化性達到或超過傳統高檔橡膠制品，可生產出性能新穎優異的新壹代橡膠制品，如白炭黑改性的橡膠材料，顏色可長期保持不變。彩色胎側膠的抗彎性能從654.38+萬次提高到50萬次以上，預計不久的將來將實現國產汽車、摩托車的彩色輪胎。在PVC、環氧樹脂、乙烯基樹脂等可加工樹脂材料中添加二氧化矽，可明顯提高產品質量，便於加工成型，提高生產效率，增加品種，擴大應用範圍。在PVC塑料薄膜中加入二氧化矽，不僅提高了薄膜的透明度、強度和韌性，而且明顯提高了薄膜的耐老化性能。在普通塑料PVC中加入少量白炭黑生產的塑料門窗，其硬度、粗糙度、耐老化性都有很大提高。主要技術指標(吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、彎曲強度等。)均達到或超過工程塑料尼龍6的性能指標，可替代尼龍6使用聚丙烯工程塑料制品，產品成本大大降低，經濟效益顯著。我國是塗料生產和消費大國，但目前國內塗料普遍存在性能短板，如懸浮穩定性、觸變性、耐磨性、耐洗性低等，導致每年需要進口大量高檔塗料。在塗料中，二氧化矽可以起到防止結塊和懸浮、增稠和觸變性的作用。二氧化矽在塗料中的成功應用改變了以往產品的缺點，其主要性能指標有了很大的提高。比如外墻塗料的耐洗刷性從1000次提高到1000次；人工加速氣候老化和人工輻射暴露老化時間由250h(粉化級1，變色級2)增加到600h(不粉化，漆膜不變色，色差值4.8)。此外，塗層與墻體的結合強度大大提高，塗層的硬度顯著增加，表面自清潔能力也有所提高。
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