Силицон Металу хемијској индустрији: од кварца до силикона и силоксана

Метални силицијум служи као критична сировина за глобалну индустрију силикона. Кроз Муллер-Роцхов процес директне синтезе, фино мљевенеметалуршки{0}}силицијумреагује са метил хлоридом да би произвео метилхлоросилане - градивне блокове силиконских течности, еластомера, смола и силанских спојних агенаса који су у основи модерне грађевине, аутомобилске индустрије, електронике и сектора личне неге.

Док легирање алуминијума остаје највећи појединачни потрошачсилицијум металпо тонажи, трансформација силикона хемијске индустрије у-силиконске материјале високе вредности представља један од најсофистициранијих и економски најзначајнијих индустријских путева за овај елемент. Пут од сировог кварцног камена до свиленкасто глатког силиконског заптивача у купатилу, заптивке-отпорне на топлоту у аутомобилском мотору или биокомпатибилне цеви у медицинском уређају обухвата рударство, металуршку редукцију, прецизно млевење, каталитичку синтезу и инжењеринг полимера. Овај чланак прати то путовање корак по корак, објашњава хемију која то чини могућим и испитује критичне разлике у квалитету између квалитета силицијумских метала који се користе за хемикалије и оних намењених за металуршке примене.

 

 

Од сировине до сировине: ланац за припрему метала силикона

Пре него што метал силицијум може да уђе у петљу хемијске синтезе, он мора бити произведен и кондициониран према прецизним спецификацијама. Узводни ланац почиње са кварцитом или кварцним песком високе{1}}чистоће, који се редукује помоћу угљеничних редуктора - типично дрвеног угља, угља или петролеј кокса - у електричним пећима са потопљеним-електричним луком које раде на температурама већим од 1.900 степени Целзијуса. Добијени сирови метал силицијум се испушта из пећи, оставља да се охлади и кристализује, а затим дроби у грудвасти облик. За хемијску примену, овај грудасти материјал мора бити подвргнут даљој припреми која није потребна за легирање алуминијума.

Мљевење и контрола величине честица

Директна реакција синтезе између силицијума и метил хлорида је хетерогена реакција у гас-чврстом стању која се јавља на површини честица силицијума. Сходно томе, специфична површина сировине силицијума је критичан параметар процеса. Хемијски{3}}силицијум се меље до контролисане расподеле величине честица, обично у опсегу од 10 до 200 микрометара, са значајном фракцијом испод 100 микрометара. Превелике честице реагују сувише споро, смањујући проток реактора и доводећи до непотпуне конверзије. Мале честице - фина прашина - могу да се флуидизују и побегну из слоја реактора, узрокујући губитке материјала и проблеме са филтрацијом низводно. Савремени произвођачи силикона користе системе за класификацију ваздуха и просијавање како би одржали строге спецификације величине честица.

Припрема површине и контакт са катализатором

Свеже млевени силицијум поседује танак слој природног оксида који пасивизира површину и инхибира реакцију са метил хлоридом. Овај оксидни слој мора бити делимично уклоњен или поремећен да би се омогућила каталитичка активација. Бакарни катализатор - који се обично уводи као бакарни прах, бакар оксид или бакар хлорид - се блиско меша са млевеним силицијумом. Током почетне фазе загревања у реактору са флуидизованим слојем, бакар дифундује у површину силицијума, формирајући интерметалну фазу бакра-силицида која служи као активно каталитичко место. Квалитет контакта силицијум{7}}катализатора, који зависи од морфологије честица и чистоће површине, директно утиче на селективност реакције и принос.

Муллер-Роцхов директан процес синтезе

Муллер-Роцхов процес, који су 1940-их први развили независно Еугене Роцхов и Рицхард Муллер, остаје доминантан индустријски пут за претварање метала силицијума у ​​органосилицијумска једињења. То је варљиво једноставна реакција са дубоким индустријским последицама.

Реакциона хемија и изазови селективности

Идеализована Муллер-Роцхов реакција производи диметилдихлоросилан као циљни производ:

Селективност реакције зависи од више варијабли: величине и морфологије честица силицијума, оптерећења и дисперзије катализатора бакра, температуре и притиска реакције, чистоће метил хлорида и - пресудно - профила нечистоће силицијумске сировине. Нечистоће гвожђа, алуминијума и калцијума у ​​металу силицијума могу отровати каталитичка места, смањити селективност диметилдихлоросилана и убрзати запрљавање реактора. Фосфор и бор, иако су присутни у деловима-на-милионским нивоима, посебно су проблематични јер могу да прођу кроз цео низводни ланац и контаминирају полисилицијум ако се струја силана преусмери на примене у полупроводницима.

Хемијски-класа наспрам металуршке{1}}силицијум: подела у квалитету

Разлика између силицијума хемијског -и металуршког- квалитета није само семантичка -, већ одражава стварне разлике у толеранцији на нечистоће, производној пракси и прикладности за крајњу{3}}у употребу.

У пракси, граница између хемијске -класе и металуршке- класе је донекле порозна. Метални силицијум произведен од сировина високе{3}}чистоће са строгом контролом процеса може истовремено да испуни спецификације хемијског-класа за легирање алуминијума. Супротно томе, неке ливнице алуминијума наводе врсте силицијума које се приближавају хемијској -чистоћи за апликације премијум ливења. Критична разлика лежи у доследности контроле нечистоћа и способности произвођача да сертификује чврсте спецификације, серија за серијом -, способност која зависи од избора сировина, дисциплине рада пећи и система управљања квалитетом.

Нечистоће у траговима и њихове последице

Поред главних нечистоћа гвожђа, алуминијума и калцијума, неколико елемената у траговима у металу силицијум заслужују пажњу за хемијске примене. Титанијум и ванадијум, чак и при ниским концентрацијама, могу да катализују нежељене споредне реакције током синтезе метилхлоросилана. Садржај угљеника, који потиче од непотпуне редукције силицијум диоксида или увлачења угљеничних редуктора, може да формира инклузије силицијум карбида које су абразивне и штетне за опрему за млевење. Тешки метали као што су олово, арсен и кадмијум - иако су ретко експлицитно наведени - подлежу регулаторним ограничењима у производима који се налазе на даљем току, посебно онима намењеним за контакт са храном, медицинским уређајима или козметичким производима.

Ниже апликације: екосистем силикона

Метилхлоросилани произведени од силицијум метала напајају производњу четири главне породице силиконских материјала, од којих свака служи различитим тржишним сегментима.

Силиконске течности (уља)

Линеарни полидиметилсилоксански флуиди, произведени равнотежном полимеризацијом цикличних силоксана са терминаторима ланца, показују изузетну термичку стабилност, ниску површинску напетост и неосетљивост на температуру{0}}индуковане промене вискозитета. Ова својства чине силиконске течности незаменљивим као медијум за пренос топлоте, хидрауличне течности, течности за пригушивање, козметички састојци и омекшивачи текстила. Вискозитет силиконских течности може се прецизно контролисати од конзистенције воде-слике испод 10 центистистока до гуме{5}} материјала који прелази 1.000.000 центистока, омогућавајући формулацију у изузетно широком спектру примене.

Силиконске гуме (еластомери)

Силиконски еластомери су формулисани од полидиметилсилоксан гуме високе{0}}молекуларне-гуме, ојачавајућих пунила као што су испарени силицијум диоксид, агенси за унакрсно{2}}везивање и катализатори очвршћавања. Након очвршћавања - на собној температури (РТВ системи) или повишеној температури (ХТВ системи) - ове формулације развијају еластичне мреже са изузетном отпорношћу на топлоту, оксидацију, озон и ултраљубичасто зрачење. Заптивке за аутомобиле, чизме за свећице, медицинске цеви, калупи за печење и заптивке за потрошачку електронику, сви се ослањају на силиконске еластомере добијене од силиконских металних сировина.

Силиконске смоле

Високо унакрсно повезане силиконске смоле, произведене од прекурсора метилтрихлоросилана и фенилтрихлоросилана, формирају чврсте, термички стабилне превлаке и смеше за обликовање. Када се комбинују са алуминијумским пигментима, силиконске смоле стварају -сребрне боје отпорне на топлоту које се користе на издувним системима, индустријским пећницама и свемирским летелицама. У електричним апликацијама, силиконске смоле импрегнирају намотаје мотора и намотаја трансформатора, обезбеђујући изолацију која издржава температуре веће од 200 степени Целзијуса.

Силане Цоуплинг Агентс

Органофункционални молекули силана - који садрже и силицијум-реактивне групе и органске-реактивне групе - служе као молекуларни мостови између неорганских супстрата и органских полимера. У пластици ојачаној стаклом{5}}, силански агенси за спајање везују стаклена влакна за полимерну матрицу, драматично побољшавајући механичку чврстоћу и отпорност на влагу. У индустрији гума, силани спајају пунила за ојачавање силицијум-диоксида са гуменим једињењима, омогућавајући „зелене гуме“ са малим-отпором- на котрљање које побољшавају економичност горива.

Разматрања о ланцу снабдевања и набавци

Произвођачи силикона обично купују метал силикона по дугорочним-уговорима са дефинисаним опсегом спецификација, распоредом испоруке и механизмима одређивања цена. Одлука о набавци укључује балансирање цене силицијум метала са економиком процеса директне синтезе. Силицијум ниже-чистоће може бити јефтинији по тони, али може смањити селективност диметилдихлоросилана, повећати потрошњу катализатора, убрзати циклусе одржавања реактора и повећати трошкове пречишћавања у наставку. Софистицирани произвођачи моделирају укупне трошкове власништва, препознајући да метал силикона представља само део укупних трошкова производње силикона - енергија, метил хлорид, катализатор и опоравак капитала заједно доминирају.

ЗхенАн Интернатионал Цо., ограничене залихехемијски метални силицијум -са контролисаним профилима нечистоћа погодним за синтезу силикона и сродне хемијске примене. Наш производни погон, који се простире на 30.000 квадратних метара са преко 200 запослених, ради под СГС{4}}сертификованим управљањем квалитетом са ГБ и АСТМ могућностима тестирања. Са више од три деценије искуства у производњи феролегура и металуршких материјала, подржавамо тимове за набавку хемијске индустрије са доследном хемијом, поузданом испоруком и документованом следљивошћу.