[发明专利]一种非球形胶体二氧化硅纳米颗粒制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非球形胶体二氧化硅制备方法，尤其涉及一种非球形胶体二氧化硅纳米颗粒制备方法，属于化学机械抛光工艺领域，尤其属超硬材抛光加工领域。

背景技术

胶体二氧化硅纳米颗粒广泛应用于印刷、造纸、照相、涂料、精密铸造、化学机械抛光等各行各业。目前，主流制备方法主要有离子交换法、有机硅水解法、单质硅水解法、电渗析法等。市售产品粒径5-200nm，固含量≤50％，形貌均呈完美球形。

胶体二氧化硅纳米颗粒的一大应用即为化学机械抛光(CMP)工艺抛光液中的纳米磨料。CMP是在一定压力下，利用抛光液中化学成份的化学作用，首先与抛光材料表面进行化学反应，形成易去除的质软层，再通过抛光垫、抛光液中的磨料以及抛光材料之间接触摩擦作用，去除前期形成的质软层。最后，经多孔的抛光垫通过抛光液的携带作用，将抛光去除的材料带离抛光材料表面，露出新生表面，进一步的再反应再去除，周而复始地优先去除表面凸起部分，从而达到抛光效果。

胶体二氧化硅作为CMP抛光液中最广泛使用的纳米磨料，对CMP性能起着至关重要的作用。尤其对于动辄需数小时甚至数十个小时加工的质硬、化学惰性超硬材料(如蓝宝石)，纳米磨料的作用尤为重要。为提升对超硬材料的加工效率，纳米磨料的发展方向主要有两个：1.增加磨料硬度。2.不改变磨料硬度情况下增加磨料的摩擦性能。方向1中通过采用硬度更大的纳米磨料(如金刚石、氧化铝等)一般均能很显著地提升超硬材料加工效率，但往往会大幅度牺牲加工后的表面质量。因此此方法在精密抛光中的普及一直受限，而只在粗糙抛光中得到一些推广。方向2中通过采用非球形的胶体二氧化硅作为磨料，使得抛光过程中发生滑动摩擦而非滚动摩擦，可更加有效地完成对超硬材料的加工。为得到非球形胶体二氧化硅颗粒，已有的尝试主要集中在生长晶种时采用离子进行诱导、以及生长工艺时采用梯度工艺条件(如局部温度、压力不同等)。离子诱导法难以形成大于50nm的胶体二氧化硅颗粒，且离子强度本身对胶体二氧化硅的稳定性存在伤害作用；梯度工艺条件生长则更加难以对工艺进行控制。因此，这两种方法均难以得到大规模应用。

在二氧化硅溶胶制备方面，专利CN 1974385B，名称为“一种单分散性二氧化硅溶胶的制备方法”的专利，主要保护了采用硅粉法去制备单分散硅溶胶，它的起始材料为硅粉，在加热条件下通过碱催化生长为单分散球形硅溶胶；专利CN 1183379A采用反胶束溶剂法制备纳米二氧化硅颗粒，该方法的核心为结合表面活性剂形成的反胶束、以及极性有机相控制形成多孔、球形纳米二氧化硅。此两个专利均为提交球形且多孔二氧化硅溶胶颗粒，属于传统制备方法。

而本专利发明人致力于制备非球形的胶体二氧化硅颗粒，针对本发明的关键技术点，进行了深入的文献及专利检索，相关度较高的文献如下：

(1)专利申请号为200610155112.X，名称为“一种单分散性二氧化硅溶胶的制备方法”的专利保护一种硅粉制备单分散二氧化硅溶胶的方法；其技术缺陷为：①硅粉难以反应完全，以此方法制备的硅溶胶随放置时间会逐渐出现黑色漂浮物残渣，既影响外观也限制了它在很多高端如抛光领域的应用；②该方法制备的硅溶胶呈单分散球形，而无法做到本专利申请的非球形颗粒。

(2)专利申请号为97125800.7，名称为“从碱金属的硅酸盐制备纳米二氧化硅颗粒的方法”的专利保护一种制备纳米二氧化硅颗粒的反胶束溶剂法；其技术缺陷为：①该方法制备的硅溶胶有机残留难以完全去除，对于本专利应用的抛光领域存在致命伤害；②该方法制备的硅溶胶多孔、不致密，在抛光应用中摩擦效率低下；③该方法制备的硅溶胶呈单分散球形，而无法做到本专利申请的非球形颗粒。

本专利发明人经广泛研究发现，在制备硅酸时于一定温度下将阳离子交换树脂缓慢加入到充分搅拌的稀释水玻璃溶液中至pH值低于3，将此硅酸进行离子交换法正常生长后可得形貌上呈非球形胶体二氧化硅纳米颗粒。通过本发明制备的非球形胶体二氧化硅纳米颗粒，尤其适用于抛光加工领域超硬材料(如蓝宝石)的化学机械抛光工艺。

发明内容

本发明的目的是改进现有采用非球形的胶体二氧化硅作为磨料的抛光过程为滚动摩擦而非滑动摩擦、难以形成大于50nm的胶体二氧化硅颗粒以及离子强度本身对胶体二氧化硅的稳定性存在伤害为主的技术缺陷，采用改进的离子交换法，提供一种非球形胶体二氧化硅纳米颗粒制备方法。

本发明的一种非球形胶体二氧化硅纳米颗粒制备方法，包括两个步骤：

步骤一、硅酸的制备：于一定温度下将阳离子交换树脂缓慢加入到充分搅拌的稀释水玻璃溶液中至pH值低于3；