Silicon Metalu hemijskoj industriji: od kvarca do silikona i siloksana

Metalni silicijum služi kao kritična sirovina za globalnu industriju silikona. Kroz Müller-Rochow direktan proces sinteze, fino mljevenometalurški{0}}silicijumreaguje sa metil hloridom kako bi proizveo metilhlorosilane - gradivne blokove silikonskih tečnosti, elastomera, smola i silanskih spojnih agenasa koji su u osnovi moderne građevine, automobilske industrije, elektronike i sektora lične njege.

Dok legiranje aluminijuma ostaje najveći pojedinačni potrošačsilicijum metalpo tonaži, transformacija silicijuma hemijske industrije u visoko{0}}vrijedne silikonske materijale predstavlja jedan od najsofisticiranijih i ekonomski najznačajnijih industrijskih puteva za ovaj element. Putovanje od sirovog kvarcnog kamena do svilenkasto glatkog silikonskog zaptivača u kupatilu, zaptivke-otporne na toplinu u automobilskom motoru ili biokompatibilne cijevi u medicinskom uređaju obuhvata rudarstvo, metaluršku redukciju, precizno mljevenje, katalitičku sintezu i inženjering polimera. Ovaj članak prati to putovanje korak po korak, objašnjava hemiju koja to čini mogućim i ispituje kritične razlike u kvalitetu između silicijumskih metala koji se koriste za hemikalije i onih namenjenih za metalurške primene.

Od sirovine do sirovine: lanac za pripremu metala silikona

Prije nego što metal silicijum može ući u petlju kemijske sinteze, mora biti proizveden i kondicioniran prema preciznim specifikacijama. Uzvodni lanac počinje s kvarcitom visoke{1}}čistoće ili kvarcnim pijeskom, koji se reducira ugljičnim reduktorima - tipično drvenim ugljem, ugljem ili petrolej koksom - u električnim pećima s potopljenim-električnim pećima koje rade na temperaturama većim od 1.900 stepeni Celzijusa. Dobijeni sirovi metal silicijum se izvlači iz peći, ostavlja da se ohladi i kristalizuje, a zatim se drobi u grudvasti oblik. Za hemijsku primjenu, ovaj grudasti materijal mora proći daljnju pripremu koja nije potrebna za legiranje aluminija.

Mljevenje i kontrola veličine čestica

Direktna reakcija sinteze između silicijuma i metil hlorida je heterogena reakcija u gas-čvrstom stanju koja se odvija na površini silicijumskih čestica. Prema tome, specifična površina silicijumske sirovine je kritičan parametar procesa. Silicijum hemijskog{3}}vrsta se melje do kontrolisane distribucije veličine čestica, obično u rasponu od 10 do 200 mikrometara, sa značajnom frakcijom ispod 100 mikrometara. Prevelike čestice reagiraju presporo, smanjujući protok reaktora i dovodeći do nepotpune konverzije. Male čestice - fina prašina - mogu se fluidizirati i pobjeći iz sloja reaktora, uzrokujući gubitke materijala i probleme s filtracijom nizvodno. Moderni proizvođači silikona koriste sisteme za klasifikaciju zraka i prosijavanje kako bi održali stroge specifikacije veličine čestica.

Priprema površine i kontakt s katalizatorom

Svježe mljeveni silicijum ima tanak sloj prirodnog oksida koji pasivizira površinu i inhibira reakciju s metil hloridom. Ovaj oksidni sloj mora biti djelomično uklonjen ili poremećen da bi se omogućila katalitička aktivacija. Bakarni katalizator - koji se obično uvodi kao bakar u prahu, bakreni oksid ili bakar hlorid - se blisko miješa sa mljevenim silicijumom. Tokom početne faze zagrijavanja u reaktoru s fluidiziranim slojem, bakar difundira u površinu silicijuma, formirajući bakar-silicidnu intermetalnu fazu koja služi kao aktivno katalitičko mjesto. Kvalitet kontakta silicijum{7}}katalizatora, koji zavisi od morfologije čestica i čistoće površine, direktno utiče na selektivnost reakcije i prinos.

Müller-Rochow direktan proces sinteze

Müller-Rochow proces, koji su prvi razvili 1940-ih neovisno Eugene Rochow i Richard Müller, ostaje dominantan industrijski put za pretvaranje metala silicijuma u organosilicijumska jedinjenja. To je varljivo jednostavna reakcija s dubokim industrijskim posljedicama.

Priprema silicijumske{0}}bakrene kontaktne mase

Mljeveni silicijum hemijskog -klasa je pomiješan sa 3-10% bakarnog katalizatora i promotorima u tragovima kao što su cink ili kalaj. Smjesa se puni u reaktor sa fluidiziranim slojem i prethodno-zagrijava pod inertnim plinom da se aktivira katalizator-silicijumski interfejs.

Reakcija sa metil hloridom

Gas metil hlorid se uvodi u reaktor sa fluidizovanim slojem koji radi na 250-320 stepeni Celzijusa i skromnom pritisku. Egzotermna reakcija formira smjesu metilhlorosilana, sa dimetildiklorosilanom ((CH3)2SiCl2) kao željenim primarnim proizvodom.

Odvajanje proizvoda i destilacija

Struja sirovog proizvoda sadrži dimetildiklorosilan, metiltriklorosilan, trimetilhlorosilan, metildiklorosilan i ostatke -visokog ključanja. Kontinuirana frakciona destilacija odvaja ove komponente za pojedinačnu daljnju upotrebu.

Hidroliza i polimerizacija

Dimetildiklorosilan se hidrolizira u linearne i ciklične siloksane. Ovi oligomeri siloksana se dalje polimeriziraju, poprečno{1}}povezuju ili funkcionaliziraju za proizvodnju silikonskih tekućina, elastomera, smola i specijaliziranih formulacija.

Reakciona hemija i izazovi selektivnosti

Idealizirana Müller-Rochow reakcija proizvodi dimetildiklorosilan kao ciljni proizvod:

2 CH3Cl + Si → (CH3)2SiCl2(željeni proizvod, obično 80-90% miksa proizvoda)

Međutim, konkurentne reakcije daju metiltriklorosilan (CH3SiCl3), trimetilhlorosilan ((CH3)3SiCl) i metildiklorosilan (CH3SiHCl2), svaka sa različitim komercijalnim vrijednostima. Metiltriklorosilan se koristi za proizvodnju silikonske smole i isparenog silicijum dioksida. Trimetilhlorosilan služi kao terminator lanca u sintezi silikonske tečnosti. Odnos ovih proizvoda - "M-odnos" ili "D-odnos" u industrijskim terminima - je kritična metrika performansi za direktne operacije sinteze.

Selektivnost reakcije zavisi od više varijabli: veličine i morfologije čestica silicijuma, opterećenja i disperzije katalizatora bakra, temperature i pritiska reakcije, čistoće metil hlorida i - presudno - profila nečistoće silicijumske sirovine. Nečistoće željeza, aluminija i kalcija u metalnom silicijumu mogu otrovati katalitička mjesta, smanjiti selektivnost dimetildiklorosilana i ubrzati zagađivanje reaktora. Fosfor i bor, iako su prisutni u dijelovima -na- nivoima, posebno su problematični jer mogu proći kroz cijeli nizvodni lanac i kontaminirati polisilicij ako se tok silana preusmjeri na primjenu u poluvodiču.

Hemijski-klasa naspram metalurške-Kvaliteta silicija: podjele u kvalitetu

Razlika između hemijskog-i metalurškog-silicijuma nije samo semantička -, već odražava stvarne razlike u toleranciji nečistoća, proizvodnoj praksi i prikladnosti-u krajnjoj upotrebi.

Parametar	Hemijski{0}}silicijum	Metalurški{0}}silicijum
Minimalni sadržaj Si	Obično 99,0–99,5%	Obično 98,5–99,5%
Gvožđe (Fe) max	0.30–0.50%	0,30–0,50% (zavisno od- razreda)
Aluminijum (Al) max	0.30–0.50%	0,30–0,50% (zavisno od- razreda)
Kalcijum (Ca) max	0.03–0.10%	0,03–0,10% (zavisno od- razreda)
Fosfor (P) max	Strože granice, često 50–150 ppm	Prihvatljiva je veća tolerancija
Bor (B) max	Strože granice, često 10–50 ppm	Prihvatljiva je veća tolerancija
Veličina čestica	Kontrolirano mljevenje, 10–200 µm	Krupne ili krupne granule
Primarne aplikacije	Silikoni, silani, poluprovodničke sirovine	Legiranje aluminijuma, deoksidacija čelika

U praksi, granica između hemijske-vrste i metalurške{1}}vrste je donekle porozna. Metalni silicijum proizveden od sirovina visoke -čistoće sa strogom kontrolom procesa može istovremeno ispuniti specifikacije hemijskog-klasa za legiranje aluminijuma. Suprotno tome, neke livnice aluminijuma navode vrste silicijuma koje se približavaju hemijskoj -čistoći za premium aplikacije livenja. Kritična razlika leži u konzistentnosti kontrole nečistoća i sposobnosti proizvođača da certifikuje uske specifikacije, serija za serijom -, sposobnost koja zavisi od odabira sirovina, discipline rada peći i sistema upravljanja kvalitetom.

Nečistoće u tragovima i njihove posljedice

Osim glavnih nečistoća gvožđa, aluminijuma i kalcijuma, nekoliko elemenata u tragovima u metalu silicijum zaslužuje pažnju za hemijske primene. Titan i vanadijum, čak i pri niskim koncentracijama, mogu katalizirati neželjene nuspojave tokom sinteze metilhlorosilana. Sadržaj ugljika, koji potiče od nepotpune redukcije silicijum dioksida ili uvlačenja ugljičnih reduktora, može formirati inkluzije silicijum karbida koje su abrazivne i štetne za opremu za mljevenje. Teški metali kao što su olovo, arsen i kadmijum -, iako su rijetko eksplicitno navedeni -, podliježu regulatornim ograničenjima u daljnjim proizvodima, posebno onima namijenjenim za kontakt s hranom, medicinskim uređajima ili kozmetičkim proizvodima.

Nizvodne aplikacije: ekosistem silikona

Metilhlorosilani proizvedeni od metala silikona napajaju proizvodnju četiri velike porodice silikonskih materijala, od kojih svaka služi različitim tržišnim segmentima.

Silikonski fluidi (ulja)

Linearni polidimetilsiloksanski fluidi, proizvedeni ravnotežnom polimerizacijom cikličkih siloksana sa terminatorima lanca, pokazuju izuzetnu termičku stabilnost, nisku površinsku napetost i neosjetljivost na temperaturno{0}}indukovane promjene viskoziteta. Ova svojstva čine silikonske tečnosti nezamjenjivim kao medij za prijenos topline, hidraulične tekućine, tečnosti za prigušivanje, kozmetički sastojci i omekšivači tekstila. Viskoznost silikonskih tečnosti može se precizno kontrolisati od vode-poput konzistencije ispod 10 centistoke do gume{5}} materijala koji prelazi 1.000.000 centistokesa, omogućavajući formulaciju u izuzetno širokom spektru primjene.

Silikonske gume (elastomeri)

Silikonski elastomeri su formulisani od polidimetilsiloksanske gume visoke{0}}molekularne-gume, ojačavajućih punila kao što su ispareni silicijum dioksid, agensi za poprečno-vezivanje i katalizatori očvršćavanja. Nakon stvrdnjavanja - na sobnoj temperaturi (RTV sistemi) ili povišenoj temperaturi (HTV sistemi) - ove formulacije razvijaju elastične mreže sa izuzetnom otpornošću na toplotu, oksidaciju, ozon i ultraljubičasto zračenje. Zaptivke za automobile, čizme za svjećice, medicinske cijevi, kalupi za pečenje i zaptivke za potrošačku elektroniku, svi se oslanjaju na silikonske elastomere dobivene od silikonskih metalnih sirovina.

Silikonske smole

Visoko umrežene silikonske smole, proizvedene od prekursora metiltriklorosilana i feniltriklorosilana, formiraju čvrste, termički stabilne premaze i smjese za oblikovanje. Kada se kombinuju sa aluminijumskim pigmentima, silikonske smole stvaraju -srebrne boje otporne na toplotu koje se koriste na izduvnim sistemima, industrijskim pećnicama i svemirskim letelicama. U električnim aplikacijama, silikonske smole impregniraju namotaje motora i zavojnice transformatora, obezbeđujući izolaciju koja izdržava temperature veće od 200 stepeni Celzijusa.

Silane Coupling Agents

Organofunkcionalni silani - molekuli koji sadrže i silicijum-reaktivne grupe i organske-reaktivne grupe - služe kao molekularni mostovi između neorganskih supstrata i organskih polimera. U plastici ojačanoj staklom{5}}, silanski agensi za spajanje vezuju staklena vlakna za polimernu matricu, dramatično poboljšavajući mehaničku čvrstoću i otpornost na vlagu. U industriji guma, silani spajaju punila za ojačavanje silicijevog dioksida u gumene smjese, omogućavajući niski-otpor-kotrljanju "zelenih guma" koje poboljšavaju ekonomičnost goriva.

Porodica silikonskih proizvoda	Key Precursor	Primarna tržišta
Silikonske tečnosti	Dimetildiklorosilan	Kozmetika, tekstil, prijenos topline, osobna njega
Silikonske gume	Dimetildiklorosilan + punila	Automobilska, medicinska, elektronika, građevinarstvo
Silikonske smole	Metiltriklorosilan, feniltriklorosilan	Premazi, električna izolacija, kompoziti
Sredstva za spajanje silana	Razni organofunkcionalni silani	Kompoziti, ljepila, brtvila, proizvodnja guma
Ispareni silicijum	Sagorijevanje metiltriklorosilana	Zgušnjivači, modifikatori reologije, ojačanja

Razmatranja o lancu nabavke i nabavci

Proizvođači silikona obično kupuju metal silikona po dugoročnim-ugovorima sa definisanim opsegom specifikacija, rasporedom isporuke i mehanizmima cijena. Odluka o nabavci uključuje balansiranje troškova silicijum metala u odnosu na ekonomiku procesa direktne sinteze. Silicijum niže -čistoće može biti jeftiniji po toni, ali može smanjiti selektivnost dimetildiklorosilana, povećati potrošnju katalizatora, ubrzati cikluse održavanja reaktora i povećati troškove prečišćavanja u nastavku. Sofisticirani proizvođači modeliraju ukupne troškove vlasništva, prepoznajući da metal silikona predstavlja samo dio ukupnih troškova proizvodnje silikona - energija, metil hlorid, katalizator i oporavak kapitala zajedno dominiraju.

ZhenAn International Co., Ograničene zalihehemijski -silicijum metalsa kontrolisanim profilima nečistoća pogodnim za sintezu silikona i srodne hemijske primene. Naš proizvodni pogon, koji pokriva 30.000 kvadratnih metara sa preko 200 zaposlenih, radi pod SGS-certificiranim upravljanjem kvalitetom sa GB i ASTM mogućnostima testiranja. Sa više od tri decenije iskustva u proizvodnji ferolegura i metalurških materijala, podržavamo timove za nabavku hemijske industrije sa doslednom hemijom, pouzdanom isporukom i dokumentovanom sledljivošću.

Key Takeaways

Müller-Rochow direktan proces sinteze pretvara mljevenehemijski -silicijum metali metil hlorid u metilhlorosilane - univerzalne prekursore za sve silikonske materijale.
Silicijum hemijske -klase zahteva strožiju kontrolu nečistoća od metalurške{1}}klase, posebno za metale koji trovaju fosfor, bor i katalizator{2}} koji utiču na selektivnost reakcije.
Silikonski proizvodi - tekućine, elastomeri, smole i sredstva za spajanje - služe građevinarstvu, automobilskoj industriji, elektronici, medicini i potrošačkim tržištima širom svijeta.
Raspodjela veličine čestica i kvalitet površine mljevenog silicijuma su kritični kao i hemijski sastav za postizanje visokih prinosa u reaktorima s fluidiziranim slojem.
Dugoročna-nabavka silicijumskog metala za hemijske primene treba da proceni ukupne troškove vlasništva, a ne samo jediničnu kupovnu cenu.

Često postavljana pitanja

Šta je Müller-Rochow proces?

Müller-Rochow proces - koji se također naziva direktna sinteza - je industrijska metoda za proizvodnju metilhlorosilana reakcijom silicijumskog metala u prahu sa gasom metil hlorida u prisustvu bakarnog katalizatora na 250-320 stepeni Celzijusa. To je temeljni korak za gotovo svu proizvodnju silikonskih polimera.

Koja je razlika između hemijskog-i metalurškog{1}}silicijuma?

Hemijski{0}}silicijum obično prelazi 99% čistoće sa strogim ograničenjima gvožđa, aluminijuma, kalcijuma i fosfora. Metalurški -silicijum je generalno čist 98,5–99,5% i toleriše nešto veće nivoe nečistoća, što ga čini pogodnim za legiranje aluminijuma, a ne za hemijsku sintezu.

Zašto metal silicijum mora biti fino mleven pre hemijske sinteze?

Direktna reakcija sinteze odvija se na površini čestica silicija. Mljevenje do veličine čestica u rasponu od 10-200 mikrometara maksimizira površinu, osigurava prisan kontakt sa bakrenim katalizatorom i postiže komercijalno održive stope reakcije i efikasnost konverzije.

Koji su glavni proizvodi dobijeni od metalnog silikona u hemijskoj industriji?

Primarni proizvodi su silikonske tekućine (ulja), silikonske gume (elastomeri), silikonske smole i silanski spojevi. Ovi materijali služe tržištima koja obuhvataju građevinske zaptivke, automobilske zaptivke, elektroniku, ličnu njegu i medicinske uređaje.

Kako sadržaj nečistoća u metalu silicijuma utiče na proizvodnju silikona?

Nečistoće gvožđa, aluminijuma i kalcijuma truju bakarni katalizator i smanjuju selektivnost prema dimetildiklorosilanu -, najvrednijem metilhlorosilanu. Fosfor i bor su posebno štetni jer ostaju u nizvodnom polisilicijumu ako se struja silana preusmjeri na primjenu u poluvodičima.

Koju ulogu ima bakarni katalizator u Müller-Rochow reakciji?

Bakar aktivira površinu silicijuma formiranjem međusloja bakra-silicida koji olakšava hemisorpciju metil hlorida i kasnije formiranje Si-C veze. Bez katalize bakra, direktna reakcija između silicijuma i metil hlorida odvija se nepraktično niskim brzinama.

Može li se silikonski metal direktno koristiti u proizvodnji silikona ili je potrebno pročišćavanje?

Metalni silicijum hemijskog{0}}klasa se koristi direktno nakon glodanja i površinske aktivacije. Za razliku od poluprovodničkih aplikacija, sinteza silikona ne zahtijeva dalje prečišćavanje do čistoće elektronskog -klasa. Međutim, silicijum mora ispunjavati stroge specifikacije za distribuciju veličine čestica i nivoe nečistoća.

Silikonski metal hemijske-klase za proizvodnju silikona i silana

ZhenAn International Co., Limited isporučuje silikonski metal visoke-čistoće pogodan za Müller-Rochow direktnu sintezu i nizvodnu proizvodnju silikona. Naša SGS-certificirana kontrola kvaliteta, GB/ASTM sposobnost testiranja i 30+ godina iskustva u proizvodnji osiguravaju konzistentnost-do{7}}serije za kupce hemijske industrije.

Kontaktirajte nas

ZhenAn International Co., Limited · 25. sprat, komercijalni centar Huafu, okrug Wenfeng, grad Anyang, provincija Henan

E-pošta: sales@zanewmetal.com · Web stranica: www.ferro-vanadium.com

Silicijum metal u hemijskoj industriji: od kvarca do silikona i siloksana