Silicon Metalv chemickom priemysle: Od kremeňa po silikóny a siloxány

Kremíkový kov slúži ako kritická surovina pre globálny silikónový priemysel. Prostredníctvom procesu priamej syntézy Müller-Rochow, jemne mletýmetalurgický-kremíkreaguje s metylchloridom za vzniku metylchlórsilánov -, stavebných blokov silikónových kvapalín, elastomérov, živíc a silánových spojovacích činidiel, ktoré sú základom moderného stavebníctva, automobilového priemyslu, elektroniky a sektora osobnej starostlivosti.

Zatiaľ čo zliatina hliníka zostáva najväčším spotrebiteľomkremíkový kovpodľa tonáže predstavuje transformácia kremíka v chemickom priemysle na vysoko{0}}cenné silikónové materiály jednu z najsofistikovanejších a ekonomicky najvýznamnejších priemyselných ciest pre tento prvok. Cesta od surovej kremennej horniny k hodvábne hladkému silikónovému tmelu v kúpeľni, žiaru{2}}odolnému tesneniu v motore auta alebo biokompatibilným hadičkám v medicínskom zariadení zahŕňa ťažbu, metalurgickú redukciu, presné frézovanie, katalytickú syntézu a polymérové ​​inžinierstvo. Tento článok sleduje túto cestu krok za krokom, vysvetľuje chémiu, ktorá to umožňuje, a skúma kritické kvalitatívne rozdiely medzi triedami kremíkových kovov používaných pre chemikálie a tými, ktoré sú určené na metalurgické aplikácie.

 

 

Od suroviny k surovine: Reťazec prípravy kremíkového kovu

Predtým, ako môže kremíkový kov vstúpiť do slučky chemickej syntézy, musí byť vyrobený a upravený podľa presných špecifikácií. Horný reťazec začína kremencom alebo kremenným pieskom vysokej -čistoty, ktorý je redukovaný uhlíkatými redukčnými činidlami -, zvyčajne dreveným uhlím, uhlím alebo ropným koksom - v elektrických peciach s ponorným{4}}oblúkom pracujúcim pri teplotách presahujúcich 1 900 stupňov Celzia. Výsledný surový kremíkový kov sa vyberá z pece, nechá sa vychladnúť a kryštalizuje a potom sa rozdrví na hrudky. Pre chemické aplikácie musí tento kusový materiál prejsť ďalšou prípravou, ktorá nie je potrebná na legovanie hliníka.

Frézovanie a kontrola veľkosti častíc

Priama syntézna reakcia medzi kremíkom a metylchloridom je plynová-tuhá heterogénna reakcia prebiehajúca na povrchu kremíkových častíc. V dôsledku toho je špecifický povrch kremíkovej suroviny kritickým parametrom procesu. Kremík chemickej kvality sa melie na kontrolovanú distribúciu veľkosti častíc, typicky v rozsahu 10 až 200 mikrometrov, s podstatnou frakciou pod 100 mikrometrov. Častice s nadmernou veľkosťou reagujú príliš pomaly, čo znižuje výkon reaktora a vedie k neúplnej konverzii. Poddimenzované častice - jemný prach - sa môžu fluidizovať a unikať z lôžka reaktora, čo spôsobuje straty materiálu a problémy s filtráciou po prúde. Moderní výrobcovia silikónu používajú vzduchovú klasifikáciu a sitovacie systémy na udržanie prísnych špecifikácií veľkosti častíc.

Príprava povrchu a kontakt s katalyzátorom

Čerstvo mletý kremík má tenkú vrstvu natívneho oxidu, ktorá pasivuje povrch a inhibuje reakciu s metylchloridom. Táto oxidová vrstva musí byť čiastočne odstránená alebo rozrušená, aby sa umožnila katalytická aktivácia. Medený katalyzátor -, ktorý sa zvyčajne pridáva ako prášok medi, oxid medi alebo chlorid meďnatý -, sa dôkladne premieša s mletým kremíkom. Počas počiatočnej fázy zahrievania v reaktore s fluidným lôžkom meď difunduje do kremíkového povrchu a vytvára intermetalickú fázu medi-silicídu, ktorá slúži ako aktívne katalytické miesto. Kvalita kontaktu s kremíkovým-katalyzátorom, ktorá závisí od morfológie častíc a čistoty povrchu, priamo ovplyvňuje selektivitu reakcie a výťažok.

Proces priamej syntézy Müller-Rochow

Müller-Rochowov proces, ktorý prvýkrát vyvinuli v 40. rokoch 20. storočia Eugene Rochow a Richard Müller nezávisle, zostáva dominantnou priemyselnou cestou na premenu kremíkového kovu na organokremičité zlúčeniny. Je to zdanlivo jednoduchá reakcia s hlbokými priemyselnými dôsledkami.

Výzvy v oblasti reakčnej chémie a selektivity

Idealizovaná Müllerova-Rochowova reakcia produkuje dimetyldichlórsilán ako cieľový produkt:

Selektivita reakcie závisí od viacerých premenných: veľkosť a morfológia kremíkových častíc, náplň a disperzia medeného katalyzátora, reakčná teplota a tlak, čistota metylchloridu a - v rozhodujúcej miere - profil nečistôt v kremíkovej surovine. Nečistoty železa, hliníka a vápnika v kremíku môžu otráviť katalytické miesta, znížiť selektivitu dimetyldichlórsilánu a urýchliť zanášanie reaktora. Fosfor a bór, hoci sú prítomné v častiach-na-milión, sú obzvlášť problematické, pretože môžu prechádzať celým downstreamovým reťazcom a kontaminovať polykremík, ak je prúd silánu presmerovaný do polovodičových aplikácií.

Kremík chemickej{0}}triedy vs. metalurgický-: rozdiely v kvalite

Rozdiel medzi kremíkom chemickej{0}}a metalurgickej{1}}triedy nie je iba sémantický -, ale odráža skutočné rozdiely v tolerancii nečistôt, výrobnej praxi a vhodnosti konečného-použitia.

V praxi je hranica medzi chemickou -triedou a metalurgickou- čistotou trochu porézna. Kremíkový kov vyrobený z vysoko-surových materiálov s prísnou kontrolou procesu môže súčasne spĺňať chemické-špecifikácie pre zliatinu hliníka. Naopak, niektoré zlievarne hliníka špecifikujú typy kremíka, ktoré sa približujú chemickej -čistote pre prémiové odlievacie aplikácie. Kritický rozdiel spočíva v dôslednosti kontroly nečistôt a schopnosti výrobcu certifikovať dávku po dávke -, čo je schopnosť, ktorá závisí od výberu surovín, disciplíny prevádzky pece a systémov riadenia kvality.

Stopové nečistoty a ich dôsledky

Okrem hlavných nečistôt železa, hliníka a vápnika si pri chemických aplikáciách zasluhuje pozornosť niekoľko stopových prvkov v kremíku. Titán a vanád, dokonca aj v nízkych koncentráciách, môžu katalyzovať nežiaduce vedľajšie reakcie počas syntézy metylchlórsilánu. Obsah uhlíka, pochádzajúci z neúplnej redukcie oxidu kremičitého alebo unášania uhlíkatých redukčných činidiel, môže vytvárať inklúzie karbidu kremíka, ktoré sú abrazívne a poškodzujú mlecie zariadenie. Ťažké kovy, ako je olovo, arzén a kadmium -, aj keď sú zriedkavo výslovne uvedené -, podliehajú regulačným limitom pre následné produkty, najmä tie, ktoré sú určené na styk s potravinami, zdravotnícke pomôcky alebo kozmetiku.

Následné aplikácie: Silikónový ekosystém

Metylchlórsilány vyrobené z kremíkového kovu slúžia na výrobu štyroch hlavných skupín silikónových materiálov, z ktorých každý slúži odlišným segmentom trhu.

Silikónové tekutiny (oleje)

Lineárne polydimetylsiloxánové kvapaliny, ktoré sa vyrábajú rovnovážnou polymerizáciou cyklických siloxánov s terminátormi reťazca, vykazujú pozoruhodnú tepelnú stabilitu, nízke povrchové napätie a necitlivosť na zmeny viskozity- vyvolané teplotou. Vďaka týmto vlastnostiam sú silikónové kvapaliny nenahraditeľné ako médiá na prenos tepla, hydraulické kvapaliny, tlmiace kvapaliny, kozmetické prísady a zmäkčovače textílií. Viskozita silikónových kvapalín môže byť presne kontrolovaná od konzistencie podobnú vode -pod 10 centistoke až po materiály podobné gume- presahujúce 1 000 000 centistoke, čo umožňuje formuláciu v rámci mimoriadne širokého spektra aplikácií.

Silikónové gumy (elastoméry)

Silikónové elastoméry sú vyrobené z vysoko{0}}molekulových-polydimetylsiloxánových gúm, spevňujúcich plnív, ako je mikronizovaný oxid kremičitý, zosieťovacie-činidlá a vytvrdzovacie katalyzátory. Po vytvrdnutí - buď pri izbovej teplote (RTV systémy) alebo zvýšenej teplote (HTV systémy) - tieto formulácie vytvárajú elastické siete s vynikajúcou odolnosťou voči teplu, oxidácii, ozónu a ultrafialovému žiareniu. Automobilové tesnenia, návleky na zapaľovacie sviečky, lekárske hadičky, formy na pečenie a tesnenia pre spotrebnú elektroniku sa spoliehajú na silikónové elastoméry odvodené zo suroviny na báze kremíkového kovu.

Silikónové živice

Silikónové živice s vysokou mierou zosieťovania, vyrobené z prekurzorov metyltrichlórsilánu a fenyltrichlórsilánu, tvoria tvrdé, tepelne stabilné povlaky a formovacie hmoty. V kombinácii s hliníkovými pigmentmi vytvárajú silikónové živice tepelne-odolné strieborné farby používané na výfukových systémoch, priemyselných peciach a kozmických lodiach. V elektrických aplikáciách silikónové živice impregnujú vinutia motora a cievky transformátora, čím poskytujú izoláciu, ktorá odoláva teplotám presahujúcim 200 stupňov Celzia.

Silánové väzbové činidlá

Organofunkčné silány - molekuly obsahujúce kremíkové -reaktívne skupiny aj organické -reaktívne skupiny - slúžia ako molekulárne mostíky medzi anorganickými substrátmi a organickými polymérmi. V plastoch vystužených sklom- silanové spojovacie činidlá spájajú sklenené vlákna s polymérnou matricou, čím výrazne zlepšujú mechanickú pevnosť a odolnosť proti vlhkosti. V odvetví výroby pneumatík silany spájajú kremičité spevňujúce plnivá s gumovými zmesami, čo umožňuje „zeleným pneumatikám“ s nízkym -valivým{8}}odporom, ktoré zlepšujú spotrebu paliva.

Úvahy o dodávateľskom reťazci a obstarávaní

Výrobcovia silikónu zvyčajne nakupujú kremíkový kov na základe{0}}dlhodobých zmlúv s definovanými rozsahmi špecifikácií, harmonogramom dodávok a cenovými mechanizmami. Rozhodnutie o obstarávaní zahŕňa vyváženie nákladov na kremíkový kov oproti ekonomike procesu priamej syntézy. Kremík nižšej-čistoty môže byť lacnejší na tonu, ale môže znížiť selektivitu dimetyldichlórsilánu, zvýšiť spotrebu katalyzátora, urýchliť cykly údržby reaktora a zvýšiť náklady na následné čistenie. Sofistikovaní výrobcovia modelujú celkové náklady na vlastníctvo, pričom uznávajú, že kremíkový kov predstavuje iba časť celkových nákladov na výrobu silikónu - spoločne dominuje energia, metylchlorid, katalyzátor a zhodnocovanie kapitálu.

ZhenAn International Co., Obmedzené dodávkykremíkový kov-chemickej kvalitys kontrolovanými profilmi nečistôt vhodnými pre syntézu silikónu a súvisiace chemické aplikácie. Naša výrobná prevádzka s rozlohou 30 000 metrov štvorcových s viac ako 200 zamestnancami funguje pod-certifikovaným manažérstvom kvality SGS s možnosťami testovania GB a ASTM. S viac ako tromi desaťročiami skúseností s ferozliatinou a metalurgickými materiálmi podporujeme tímy obstarávania v chemickom priemysle konzistentnou chémiou, spoľahlivým dodaním a zdokumentovanou sledovateľnosťou.