سیلیکون متالدر صنایع شیمیایی: از کوارتز تا سیلیکون ها و سیلوکسان ها

فلز سیلیکون به عنوان ماده اولیه حیاتی برای صنعت سیلیکون جهانی عمل می کند. از طریق فرآیند سنتز مستقیم مولر{1}}روچو، آسیاب ریزسیلیکون درجه متالورژی-با متیل کلرید واکنش نشان می دهد تا متیل کلروسیلان ها را تولید کند - بلوک های سازنده سیالات سیلیکونی، الاستومرها، رزین ها و عوامل جفت کننده سیلان که زیربنای بخش های ساختمانی مدرن، خودرو، الکترونیک و مراقبت شخصی هستند.

در حالی که آلیاژ آلومینیوم همچنان بزرگترین مصرف کننده منفرد استفلز سیلیکونبرحسب تناژ، تبدیل سیلیکون در صنایع شیمیایی به مواد سیلیکونی با ارزش-بالا یکی از پیچیده ترین و از نظر اقتصادی مهم ترین مسیرهای صنعتی برای این عنصر است. سفر از سنگ کوارتز خام به درزگیر سیلیکونی صاف ابریشمی در حمام، واشر مقاوم در برابر حرارت در موتور خودرو، یا لوله زیست سازگار در یک دستگاه پزشکی شامل استخراج، احیای متالورژی، آسیاب دقیق، سنتز کاتالیزوری، و مهندسی پلیمر است. این مقاله آن سفر را گام به گام ردیابی می‌کند، شیمی را توضیح می‌دهد که آن را ممکن می‌سازد، و تمایزات کیفی حیاتی بین گریدهای فلز سیلیکون مورد استفاده برای مواد شیمیایی در مقابل مواردی که برای کاربردهای متالورژی در نظر گرفته شده است را بررسی می‌کند.

 

 

از مواد خام تا مواد اولیه: زنجیره تهیه فلز سیلیکون

قبل از اینکه فلز سیلیکون بتواند وارد حلقه سنتز شیمیایی شود، باید آن را تولید و با مشخصات دقیق آماده کرد. زنجیره بالادست با-کوارتزیت با خلوص بالا یا ماسه کوارتز شروع می‌شود، که با احیاکننده‌های کربنی - معمولاً زغال‌سنگ، زغال‌سنگ، یا کک نفتی - در کوره‌های الکتریکی غوطه‌ور-که در دمای بیش از 1900 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند، کاهش می‌یابد. فلز سیلیکون خام حاصل از کوره گرفته می شود، اجازه داده می شود تا خنک شود و متبلور شود و سپس به شکل توده خرد می شود. برای کاربردهای شیمیایی، این ماده توده باید آماده سازی بیشتری را انجام دهد که برای آلیاژسازی آلومینیوم غیر ضروری است.

آسیاب و کنترل اندازه ذرات

واکنش سنتز مستقیم بین سیلیکون و کلرید متیل یک واکنش ناهمگن گازی جامد است که در سطح ذرات سیلیکون رخ می دهد. در نتیجه، سطح ویژه مواد اولیه سیلیکون یک پارامتر فرآیند حیاتی است. سیلیکون درجه{3} شیمیایی تا توزیع اندازه ذرات کنترل شده، معمولاً در محدوده 10 تا 200 میکرومتر، با کسر قابل توجهی زیر 100 میکرومتر آسیاب می‌شود. ذرات بزرگ به کندی واکنش نشان می دهند و توان راکتور را کاهش می دهند و منجر به تبدیل ناقص می شوند. ذرات کم اندازه - گرد و غبار ریز - می‌توانند سیال شوند و از بستر راکتور فرار کنند و باعث تلفات مواد و مشکلات فیلتراسیون پایین دست شوند. تولیدکنندگان سیلیکون مدرن از سیستم های طبقه بندی هوا و الک برای حفظ مشخصات اندازه ذرات محکم استفاده می کنند.

تماس با آماده سازی سطح و کاتالیزور

سیلیکون تازه آسیاب شده دارای یک لایه نازک اکسید بومی است که سطح را غیرفعال می کند و واکنش با متیل کلرید را مهار می کند. این لایه اکسید باید تا حدی برداشته یا مختل شود تا فعال سازی کاتالیزوری فعال شود. کاتالیزور مس - که معمولاً به صورت پودر مس، اکسید مس یا کلرید مس - معرفی می‌شود، با سیلیکون آسیاب شده مخلوط می‌شود. در طول یک فاز گرمایش اولیه در راکتور بستر سیال، مس در سطح سیلیکون پخش می‌شود و یک فاز بین‌فلزی مس{5}}سیلیسید تشکیل می‌دهد که به عنوان محل کاتالیزوری فعال عمل می‌کند. کیفیت تماس کاتالیزور سیلیکونی، که به مورفولوژی ذرات و تمیزی سطح بستگی دارد، مستقیماً بر گزینش واکنش و بازده تأثیر می‌گذارد.

فرآیند سنتز مستقیم مولر{{0}روچو

فرآیند مولر-روچو، که برای اولین بار در دهه 1940 توسط یوجین روچو و ریچارد مولر به طور مستقل توسعه یافت، همچنان مسیر صنعتی غالب برای تبدیل فلز سیلیکون به ترکیبات سیلیکون ارگانوسیلیسیون است. این یک واکنش ساده فریبنده با پیامدهای صنعتی عمیق است.

چالش های شیمی واکنش و انتخاب

واکنش ایده آل مولر-روچو دی متیل دی کلروسیلان را به عنوان محصول هدف تولید می کند:

گزینش واکنش به متغیرهای متعددی بستگی دارد: اندازه و مورفولوژی ذرات سیلیکون، بارگذاری و پراکندگی کاتالیزور مس، دما و فشار واکنش، خلوص متیل کلرید، و - بسیار مهم - مشخصات ناخالصی مواد اولیه سیلیکون. ناخالصی‌های آهن، آلومینیوم و کلسیم در فلز سیلیکون می‌توانند سایت‌های کاتالیزوری را مسموم کنند، انتخاب‌پذیری دی‌متیل دی کلروسیلان را کاهش دهند و رسوب‌زدگی راکتور را تسریع کنند. فسفر و بور، اگرچه در سطوح-در{5}}میلیون وجود دارند، اما به خصوص مشکل ساز هستند زیرا می توانند از کل زنجیره پایین دست عبور کرده و در صورتی که جریان سیلان به سمت کاربردهای نیمه هادی منحرف شود، پلی سیلیکون را آلوده کنند.

شیمیایی-درجه در مقابل متالورژی-درجه سیلیکون: تقسیم بندی کیفیت

تمایز بین سیلیکون-شیمیایی و گرید متالورژیکی- صرفاً معنایی نیست - بلکه منعکس کننده تفاوت های واقعی در تحمل ناخالصی، عملکرد تولید و مناسب بودن{3}}استفاده نهایی است.

در عمل، مرز بین گرید-شیمیایی و متالورژی- تا حدودی متخلخل است. فلز سیلیکون تولید شده از مواد خام{3} با خلوص بالا با کنترل دقیق فرآیند می‌تواند به طور همزمان با مشخصات شیمیایی- برای آلیاژ آلومینیوم مطابقت داشته باشد. برعکس، برخی از ریخته‌گری‌های آلومینیوم درجه‌های سیلیکونی را مشخص می‌کنند که به درجه خلوص شیمیایی-برای کاربردهای ریخته‌گری ممتاز نزدیک می‌شوند. تمایز اساسی در سازگاری کنترل ناخالصی و توانایی تولیدکننده برای تأیید باندهای مشخصات محکم دسته‌ای پس از دسته - نهفته است، قابلیتی که به انتخاب مواد خام، نظم عملیات کوره و سیستم‌های مدیریت کیفیت بستگی دارد.

ردیابی ناخالصی ها و پیامدهای آنها

فراتر از ناخالصی های اصلی آهن، آلومینیوم و کلسیم، چندین عنصر کمیاب در فلز سیلیکون برای کاربردهای شیمیایی شایستگی توجه را دارند. تیتانیوم و وانادیم، حتی در غلظت های پایین، می توانند واکنش های جانبی ناخواسته را در طول سنتز متیل کلروسیلان کاتالیز کنند. محتوای کربن، ناشی از احیای ناقص سیلیس یا حباب احیاکننده‌های کربنی، می‌تواند اجزای کاربید سیلیکون را ایجاد کند که ساینده و به تجهیزات آسیاب آسیب می‌رساند. فلزات سنگین مانند سرب، آرسنیک، و کادمیوم - اگرچه به ندرت به صراحت مشخص شده است - در محصولات پایین دستی، به ویژه آنهایی که برای تماس با مواد غذایی، وسایل پزشکی یا لوازم آرایشی در نظر گرفته شده اند، مشمول محدودیت های نظارتی هستند.

کاربردهای پایین دست: اکوسیستم سیلیکون

متیل کلروسیلان‌های تولید شده از فلز سیلیکون، تولید چهار خانواده اصلی مواد سیلیکونی را تغذیه می‌کنند که هر کدام بخش‌های متفاوتی از بازار را ارائه می‌کنند.

مایعات سیلیکونی (روغن ها)

سیالات پلی دی متیل سیلوکسان خطی، تولید شده توسط پلیمریزاسیون تعادلی سیلوکسان های حلقوی با پایان دهنده های زنجیره ای، پایداری حرارتی قابل توجه، کشش سطحی کم، و عدم حساسیت به تغییرات ویسکوزیته ناشی از دما- را نشان می دهند. این ویژگی ها سیالات سیلیکونی را به عنوان رسانه های انتقال حرارت، سیالات هیدرولیک، مایعات میرایی، مواد آرایشی و نرم کننده های پارچه ضروری می کند. ویسکوزیته سیالات سیلیکونی را می توان دقیقاً از آب-مانند قوام زیر 10 سانتی استوک تا آدامس-مانند مواد بیش از 1,000,000 سانتی استوک کنترل کرد و فرمولاسیون را در طیف وسیعی از کاربردها ممکن می سازد.

لاستیک های سیلیکونی (الاستومر)

الاستومرهای سیلیکونی از صمغ های پلی دی متیل سیلوکسان با وزن{0}مولکولی بالا، پرکننده های تقویت کننده مانند سیلیس دوددار، عوامل پیوند متقابل{{2} و کاتالیزورهای پخت فرموله می شوند. پس از پخت - چه در دمای اتاق (سیستم‌های RTV) و چه در دمای بالا (سیستم‌های HTV) - این فرمول‌ها شبکه‌های الاستیکی با مقاومت فوق‌العاده در برابر گرما، اکسیداسیون، ازن و اشعه ماوراء بنفش ایجاد می‌کنند. واشرهای خودرو، چکمه های شمع، لوله های پزشکی، قالب های پخت و مهر و موم های لوازم الکترونیکی مصرفی، همگی به الاستومرهای سیلیکونی مشتق شده از مواد اولیه فلزی سیلیکون متکی هستند.

رزین های سیلیکونی

رزین‌های سیلیکونی با پیوند شدید{0}} که از پیش سازهای متیل تری کلروسیلان و فنیل تری کلروسیلان تولید می‌شوند، پوشش‌ها و ترکیبات قالب‌گیری سخت و پایدار از نظر حرارتی را تشکیل می‌دهند. هنگامی که رزین های سیلیکونی با رنگدانه های آلومینیومی ترکیب می شوند، رنگ های نقره ای مقاوم در برابر حرارت- مورد استفاده در سیستم های اگزوز، کوره های صنعتی و فضاپیماها را ایجاد می کنند. در کاربردهای الکتریکی، رزین‌های سیلیکونی سیم‌پیچ‌های موتور و سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور را آغشته می‌کنند و عایق‌هایی را فراهم می‌کنند که دمای بیش از 200 درجه سانتی‌گراد را تحمل می‌کنند.

عوامل کوپلینگ سیلان

مولکول‌های سیلان‌های با عملکرد ارگانیک - حاوی سیلیکون-گروه‌های واکنش‌پذیر و آلی{2}}گروه‌های واکنش‌پذیر - به‌عنوان پل‌های مولکولی بین بسترهای معدنی و پلیمرهای آلی عمل می‌کنند. در پلاستیک‌های تقویت‌شده{5}}شیشه، عوامل جفت‌کننده سیلان الیاف شیشه را به ماتریس پلیمری متصل می‌کنند و به طور چشمگیری استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر رطوبت را بهبود می‌بخشند. در صنعت تایر، سیلان‌ها پرکننده‌های تقویت‌کننده سیلیس را به ترکیبات لاستیکی متصل می‌کنند، که باعث می‌شود تایرهای سبز رنگ با مقاومت پایین-غلتد-که مصرف سوخت را بهبود می‌بخشد.

ملاحظات زنجیره تامین و تدارکات

تولیدکنندگان سیلیکون معمولاً فلز سیلیکون را تحت قراردادهای بلندمدت-با باندهای مشخصه، زمان‌بندی تحویل و مکانیسم‌های قیمت‌گذاری خریداری می‌کنند. تصمیم خرید شامل متعادل کردن هزینه فلز سیلیکون در برابر اقتصاد فرآیند سنتز مستقیم است. سیلیکون با خلوص پایین‌تر ممکن است به ازای هر تن ارزان‌تر باشد، اما می‌تواند انتخاب‌پذیری دی متیل دی کلروسیلان را کاهش دهد، مصرف کاتالیست را افزایش دهد، چرخه‌های تعمیر و نگهداری راکتور را تسریع کند و هزینه‌های تصفیه پایین‌دستی را افزایش دهد. تولیدکنندگان پیچیده هزینه کل مالکیت را مدل می‌کنند و تشخیص می‌دهند که فلز سیلیکون تنها بخشی از کل هزینه تولید سیلیکون - انرژی، متیل کلرید، کاتالیزور و بازیابی سرمایه را در مجموع غالب می‌کنند.

شرکت بین المللی ZhenAn، منابع محدودفلز سیلیکون{0}}شیمیاییبا پروفیل های ناخالصی کنترل شده مناسب برای سنتز سیلیکون و کاربردهای شیمیایی مرتبط. مرکز تولید ما، با 30000 متر مربع با بیش از 200 کارمند، تحت مدیریت کیفیت گواهی شده SGS با قابلیت های تست GB و ASTM عمل می کند. با بیش از سه دهه تجربه مواد فروآلیاژ و متالورژی، ما از تیم های تهیه صنایع شیمیایی با شیمی ثابت، تحویل قابل اعتماد و قابلیت ردیابی مستند پشتیبانی می کنیم.