何昊翰 王化軍

摘要：在碳化硅晶須合成過(guò)程中，由于多種原因會(huì)有大量的碳化硅顆粒生成，影響碳化硅晶須的純度。由于碳化硅晶須與顆粒性質(zhì)的相似性，在提純前的分散尤為重要，本文以稻殼合成晶須和顆粒為研究對(duì)象，系統(tǒng)考察了各種藥劑體系和各種操作條件對(duì)碳化硅晶須與顆粒體系分散性能的影響規(guī)律性。

關(guān)鍵詞：碳化硅晶須 碳化硅顆粒 掃描電子顯微鏡 分散劑

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ171 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（b）-0053-03

碳化硅晶須一般采用氣相反應(yīng)法和固體材料法生產(chǎn)，前者可以合成純度較高的產(chǎn)品，有時(shí)可接近100%，后者投資和運(yùn)行成本較低，易于生產(chǎn)控制，目前已廣泛應(yīng)用到實(shí)際中[1～3]。但采用固體材料法生產(chǎn)出的晶須產(chǎn)品純度很低，混雜有大量的碳化硅顆粒[4～5]，利用碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)的不同達(dá)到分散的目的，是實(shí)現(xiàn)碳化硅晶須與顆粒分離的先決條件。對(duì)于碳化硅產(chǎn)品的分散通常有研磨法、棒磨法、超聲波分散和添加分散劑的方法。研磨和棒磨會(huì)打斷晶須產(chǎn)品，不適合采用[6]。除了超聲波分散外，可以采用添加分散劑的方法，既能起到分散的作用，又不會(huì)對(duì)晶須產(chǎn)生破壞[7]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用碳化硅晶須和碳化硅顆粒樣品取自徐州某公司由稻殼生產(chǎn)并提純的的產(chǎn)品，碳化硅晶須提純產(chǎn)品TEM照片見(jiàn)圖1；六偏磷酸鈉、水玻璃、木質(zhì)素等分散劑均為工業(yè)純?cè)噭?/p>

1.2研究方法

試驗(yàn)采用自制沉降分析儀測(cè)定不同條件下分散率。

分散率的計(jì)算：將分散后的料液加入200mL量筒中，在t時(shí)刻觀察清水層與下面絮體的分界面，記錄分界面的高度，按下式計(jì)算分散率，η=ht/h0，其中，ht為t時(shí)刻記錄高度；h0為初始高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1碳化硅晶須和碳化硅顆粒的性質(zhì)對(duì)比

碳化硅晶須和碳化硅顆粒是同一種物質(zhì)、同種晶型，它們之間的唯一差異就是形態(tài)。由于形態(tài)的差異導(dǎo)致了一系列物理和化學(xué)性質(zhì)的不同。

2.1.1碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理性質(zhì)比較

由稻殼熱分解產(chǎn)生的碳化硅產(chǎn)品中，碳化硅晶須含量為30%左右，碳化硅顆粒含量約60%左右，其余的是碳、石英以及其它雜質(zhì)[8]。碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理性質(zhì)如表1所示。

從碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理性質(zhì)的比較可以看出，在密度和顏色等方面，晶須和顆粒區(qū)別不大，它們之間性質(zhì)差異較大之處是它們的外形和堆密度，這是因?yàn)樘蓟杈ы毘Ｏ嗷ソ豢椩谝黄?，近似于網(wǎng)狀，所包含的孔隙大，相對(duì)地所占空間就大，使得它的堆密度比碳化硅顆粒的堆密度要小得多。

2.1.2碳化硅晶須和碳化硅顆粒的化學(xué)性質(zhì)比較

碳化硅晶須和碳化硅顆粒是同晶、同質(zhì)的兩種不同形狀的物質(zhì)，它們的化學(xué)組成如表2所示。

從碳化硅晶須和碳化硅顆粒的化學(xué)組成的比較可以看出，碳化硅晶須和碳化硅顆粒化學(xué)組成基本一致，但由于它們的外形相異，在水溶液中表現(xiàn)出不同的化學(xué)性質(zhì)[9～10]。圖2是碳化硅晶須（SiC-w）、碳化硅顆粒（SiC-p）、80%碳化硅晶須和20%碳化硅顆粒的混合物的pH-電位圖。

從圖2中可以看出，碳化硅晶須和碳化硅顆粒在水溶液中存在明顯的性質(zhì)差異，當(dāng)pH=4時(shí)，碳化硅晶須的動(dòng)電位為2.4μm3/sec.v，而碳化硅顆粒的動(dòng)電位為-1.0μm3/sec.v，彼此間的絕對(duì)值相差3.4μm3/sec.v，這就為利用它們的電化學(xué)性質(zhì)上的差異實(shí)現(xiàn)分離提供了基礎(chǔ)[11]。另外，碳化硅晶須和碳化硅顆粒的零電點(diǎn)差異較大，碳化硅晶須的零電點(diǎn)為1.7和5.3，而碳化硅顆粒的零電點(diǎn)為2.7，碳化硅晶須在pH值1.7～5.3范圍內(nèi)荷正電，碳化硅顆粒在pH值2.7～5.3范圍內(nèi)荷負(fù)電。它們之間的這種差異是因?yàn)?，碳化硅晶須和碳化硅顆粒雖是同種物質(zhì)，但屬于不同的晶體形態(tài)，不同的晶體形態(tài)又具有不同晶體缺陷，而且缺陷的存在形式和程度都有所不同，從而導(dǎo)致了其表面電化學(xué)性質(zhì)的不同[12]。

2.2碳化硅晶須和碳化硅顆粒的分散試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)超聲波分散和添加分散劑2種分散方法的分散效果進(jìn)行比較，選擇適合檢測(cè)和適合生產(chǎn)的分散手段。由于碳化硅產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)酸洗工藝生產(chǎn)得到的，所以采用去離子水配制料液后，實(shí)測(cè)其pH值為2.2。

2.2.1超聲波分散試驗(yàn)

采用的超聲波分散儀最大功率為20W，最大處理量為1000mL，功率調(diào)節(jié)范圍10～20W，頻率調(diào)節(jié)范圍為20～40kHz。設(shè)定超聲波時(shí)間為5min，每次處理量為200mL，濃度為5%，初始頻率為20kHz，初始功率10W。調(diào)整超聲波頻率，不同頻率下的分散率見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，超聲波頻率越高，初始分散率越高，隨著超聲波頻率的降低，初始分散率也略有下降，但分散的時(shí)間要比高頻率的超聲波要長(zhǎng)。綜合考慮初始分散效果和分散持續(xù)時(shí)間，選擇25kHz作為超聲波分散的頻率。

選定超聲波頻率為25kHz，其它條件不變，不同超聲波功率下的分散效果見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，超聲波的功率對(duì)分散效果影響不大，功率從10W增大到20W，在沉降時(shí)間10min內(nèi)，分散率的上下差距最大也不超過(guò)10%，分散率隨超聲波功率的增加而略有提高。為了降低能耗，選擇超聲波分散功率為10W。

2.2.2料液濃度對(duì)超聲波分散效果的影響

超聲波頻率為25kHz，功率10W，超聲波作用時(shí)間5min，每次處理量為200mL，不同料液濃度對(duì)分散率的影響見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，料液濃度對(duì)分散率影響很大，當(dāng)濃度小于0.5%時(shí)，分散效果很好，而且料液分散狀態(tài)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，隨著料液濃度的增加，分散率下降，當(dāng)料液濃度達(dá)到10%時(shí)，超聲波對(duì)碳化硅的分散效果變差。

以料液濃度0.5%，其它條件不變，考察分散時(shí)間對(duì)分散效果的影響，見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)，初始階段，超聲波時(shí)間短，分散效果不好，隨著超聲波時(shí)間的延長(zhǎng)，分散率大幅增加，當(dāng)時(shí)間達(dá)到5min以后，分散率變化不明顯。這是因?yàn)?，超聲波通過(guò)在料液中的能量波震蕩將微細(xì)顆粒聚團(tuán)打散，隨著超聲波分散時(shí)間的增長(zhǎng)，顆粒分散效果變好，但當(dāng)顆粒達(dá)到充分分散后，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲波時(shí)間對(duì)分散效果的影響不大。選擇料液濃度0.5%時(shí)的超聲波分散時(shí)間5min為宜。

2.2.3分散劑篩選試驗(yàn)

分別選取六偏磷酸鈉、水玻璃、木質(zhì)素堿式鹽、分散劑MF和分散劑BM配制成1%的溶液，取碳化硅10g配制成料液濃度2%的樣品5份，分別加入上述分散劑2kg/t，放入燒杯中在300r/min下攪拌10min，取出倒入量筒中觀察分散效果，見(jiàn)圖7。

由圖7可見(jiàn)，六偏磷酸鈉的分散效果較好，持續(xù)作用時(shí)間較長(zhǎng)。后續(xù)的分散試驗(yàn)采用六偏磷酸鈉為分散劑。

2.2.4六偏磷酸鈉用量和料液濃度試驗(yàn)

考察六偏磷酸鈉用量對(duì)分散效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可見(jiàn)，六偏磷酸鈉用量對(duì)初始的分散率有一定影響，當(dāng)分散劑用量比較少時(shí)，即＜5kg/t，料液的分散率比較低。當(dāng)分散劑用量≥5kg/t以后，分散率大為改觀，而且持續(xù)作用時(shí)間比較長(zhǎng)。分散劑依靠改變懸浮液連續(xù)相和懸浮顆粒表面的物化性質(zhì)從而起到一定的分散效果，當(dāng)分散劑用量少，溶液中分散劑沒(méi)有達(dá)到飽和時(shí)，增大分散劑濃度，分散劑在固液兩相界面上有效作用濃度提高，分散率也會(huì)提高。但隨著分散劑用量的繼續(xù)增大，分散劑在溶液中過(guò)飽和，過(guò)多的分散劑不會(huì)增加分散效果。

六偏磷酸鈉用量5kg/t，其它條件不變，改變料液濃度對(duì)分散率的影響見(jiàn)圖9。

由圖9可見(jiàn)，料液濃度對(duì)分散率影響較顯著。初始階段，分散率變化不大，隨著沉降時(shí)間的增長(zhǎng)，料液濃度對(duì)分散效果的影響較顯著。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理和化學(xué)性質(zhì)的比較可知，由于它們形態(tài)的差異導(dǎo)致了動(dòng)電位和零電點(diǎn)的不同。（2）超聲波分散法對(duì)碳化硅晶須和碳化硅顆粒的分散效果較好，但料液濃度相對(duì)較低，僅為0.5%時(shí)分散效果較好，因此超聲波分散法只適用于樣品測(cè)試處理。（3）工業(yè)生產(chǎn)可以采用添加分散劑的方法，在料液濃度2%時(shí)添加5kg/t的六偏磷酸鈉分散效果較顯著。

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