碳化硅晶須與顆粒分散性能研究

何昊翰 王化軍

摘要：在碳化硅晶須合成過程中，由于多種原因會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象，系統考察了各種藥劑體系和各種操作條件對碳化硅晶須與顆粒體系分散性能的影響規律性。

關鍵詞：碳化硅晶須 碳化硅顆粒 掃描電子顯微鏡 分散劑

中圖分類號：TQ171 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（b）-0053-03

碳化硅晶須一般采用氣相反應法和固體材料法生產，前者可以合成純度較高的產品，有時可接近100%，后者投資和運行成本較低，易于生產控制，目前已廣泛應用到實際中[1～3]。但采用固體材料法生產出的晶須產品純度很低，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性質的不同達到分散的目的，是實現碳化硅晶須與顆粒分離的先決條件。對于碳化硅產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。研磨和棒磨會打斷晶須產品，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，又不會對晶須產生破壞[7]。

1 試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗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并提純的的產品，碳化硅晶須提純產品TEM照片見圖1；六偏磷酸鈉、水玻璃、木質素等分散劑均為工業純試劑。

1.2研究方法

試驗采用自制沉降分析儀測定不同條件下分散率。

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

2 試驗結果與討論

2.1碳化硅晶須和碳化硅顆粒的性質對比

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

2.1.1碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理性質比較

由稻殼熱分解產生的碳化硅產品中，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[8]。碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理性質如表1所示。

從碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理性質的比較可以看出，在密度和顏色等方面，晶須和顆粒區別不大，它們之間性質差異較大之處是它們的外形和堆密度，這是因為碳化硅晶須常相互交織在一起，近似于網狀，所包含的孔隙大，相對地所占空間就大，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性質比較

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

從碳化硅晶須和碳化硅顆粒的化學組成的比較可以看出，碳化硅晶須和碳化硅顆粒化學組成基本一致，但由于它們的外形相異，在水溶液中表現出不同的化學性質[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差異，當pH=4時，碳化硅晶須的動電位為2.4μm3/sec.v，而碳化硅顆粒的動電位為-1.0μm3/sec.v，彼此間的絕對值相差3.4μm3/sec.v，這就為利用它們的電化學性質上的差異實現分離提供了基礎[11]。另外，碳化硅晶須和碳化硅顆粒的零電點差異較大，碳化硅晶須的零電點為1.7和5.3，而碳化硅顆粒的零電點為2.7，碳化硅晶須在pH值1.7～5.3范圍內荷正電，碳化硅顆粒在pH值2.7～5.3范圍內荷負電。它們之間的這種差異是因為，碳化硅晶須和碳化硅顆粒雖是同種物質，但屬于不同的晶體形態，不同的晶體形態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，從而導致了其表面電化學性質的不同[12]。

2.2碳化硅晶須和碳化硅顆粒的分散試驗結果

分別對超聲波分散和添加分散劑2種分散方法的分散效果進行比較，選擇適合檢測和適合生產的分散手段。由于碳化硅產品是經過酸洗工藝生產得到的，所以采用去離子水配制料液后，實測其pH值為2.2。

2.2.1超聲波分散試驗

采用的超聲波分散儀最大功率為20W，最大處理量為1000mL，功率調節范圍10～20W，頻率調節范圍為20～40kHz。設定超聲波時間為5min，每次處理量為200mL，濃度為5%，初始頻率為20kHz，初始功率10W。調整超聲波頻率，不同頻率下的分散率見圖3。

由圖3可見，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，但分散的時間要比高頻率的超聲波要長。綜合考慮初始分散效果和分散持續時間，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圖4。

由圖4可見，超聲波的功率對分散效果影響不大，功率從10W增大到20W，在沉降時間10min內，分散率的上下差距最大也不超過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，超聲波作用時間5min，每次處理量為200mL，不同料液濃度對分散率的影響見圖5。

由圖5可見，料液濃度對分散率影響很大，當濃度小于0.5%時，分散效果很好，而且料液分散狀態持續時間長，隨著料液濃度的增加，分散率下降，當料液濃度達到10%時，超聲波對碳化硅的分散效果變差。

以料液濃度0.5%，其它條件不變，考察分散時間對分散效果的影響，見圖6。

由圖6可見，初始階段，超聲波時間短，分散效果不好，隨著超聲波時間的延長，分散率大幅增加，當時間達到5min以后，分散率變化不明顯。這是因為，超聲波通過在料液中的能量波震蕩將微細顆粒聚團打散，隨著超聲波分散時間的增長，顆粒分散效果變好，但當顆粒達到充分分散后，繼續延長超聲波時間對分散效果的影響不大。選擇料液濃度0.5%時的超聲波分散時間5min為宜。

2.2.3分散劑篩選試驗

分別選取六偏磷酸鈉、水玻璃、木質素堿式鹽、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，見圖7。

由圖7可見，六偏磷酸鈉的分散效果較好，持續作用時間較長。后續的分散試驗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

考察六偏磷酸鈉用量對分散效果的影響，試驗結果見圖8。

由圖8可見，六偏磷酸鈉用量對初始的分散率有一定影響，當分散劑用量比較少時，即＜5kg/t，料液的分散率比較低。當分散劑用量≥5kg/t以后，分散率大為改觀，而且持續作用時間比較長。分散劑依靠改變懸浮液連續相和懸浮顆粒表面的物化性質從而起到一定的分散效果，當分散劑用量少，溶液中分散劑沒有達到飽和時，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，分散率也會提高。但隨著分散劑用量的繼續增大，分散劑在溶液中過飽和，過多的分散劑不會增加分散效果。

六偏磷酸鈉用量5kg/t，其它條件不變，改變料液濃度對分散率的影響見圖9。

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

3 結論

（1）通過對碳化硅晶須和碳化硅顆粒的物理和化學性質的比較可知，由于它們形態的差異導致了動電位和零電點的不同。（2）超聲波分散法對碳化硅晶須和碳化硅顆粒的分散效果較好，但料液濃度相對較低，僅為0.5%時分散效果較好，因此超聲波分散法只適用于樣品測試處理。（3）工業生產可以采用添加分散劑的方法，在料液濃度2%時添加5kg/t的六偏磷酸鈉分散效果較顯著。

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