Наноразмерный диоксид кремния заводы

Когда говорят про наноразмерный диоксид кремния, многие представляют стерильные лаборатории с пробирками, но реальное производство — это гигантские реакторы и тонны материала. Забавно, как часто путают лабораторный синтез с промышленным масштабом. Вот, например, в ООО Шаньдун Инжуй Новые Материалы мы начинали с пилотной установки на 50 литров, а сейчас работаем с реакторами на 10 кубов — и это ещё не предел. Но обо всём по порядку.

Технологические нюансы, которые не пишут в учебниках

Первый раз, когда мы масштабировали процесс осаждения из паровой фазы, столкнулись с проблемой градиента температуры в реакторе. В лаборатории всё равномерно прогревается, а тут — верхние зоны перегреты, нижние недогреты. Пришлось переделывать систему подачи тетрахлорида кремния, добавлять ступенчатый нагрев. Мелочь? Нет, именно такие мелочи определяют, будет ли наноразмерный диоксид кремния с удельной поверхностью 200 м2/г вместо запланированных 380.

Ещё момент — очистка сырья. Если в лаборатории используешь реактивы 'чистые', на заводе приходится учитывать примеси в техническом тетрахлориде. Однажды партия вышла с повышенным содержанием алюминия — всего 0.01%, но это убило дисперсность. Теперь на входе стоит дополнительная адсорбционная колонна, хотя изначально в проекте её не было.

И да, никто не предупреждает, что заводы наноразмерного диоксида кремния требуют особого подхода к безопасности. Гигроскопичность порошка — не просто свойство, а постоянная головная боль. Системы аспирации проектировали трижды переделывали, потому что стандартные решения для обычного диоксида не работали с наноразмерными фракциями.

Реальные кейсы: от успехов до провалов

В 2021 году для корейского завода покрытий делали партию с регулируемой пористостью. Заказчик хотел BET 250±10 м2/г, но в первых трёх партиях стабильно получали 230-235. Разбирались две недели — оказалось, виновата влажность воздуха в цехе. Сезон дождей, система осушения не справлялась. Пришлось ставить дополнительный осушитель на линию подачи воздуха в реактор.

А вот неудачный опыт с модификацией поверхности. Пытались ввести органофункциональные группы прямо в процессе синтеза, чтобы упростить технологию. В лаборатории получалось прекрасно, а в промышленном реакторе — неравномерное покрытие и агломераты. Потеряли три месяца и 20 тонн сырья. Вернулись к двухстадийному процессу: сначала синтез, потом модификация в отдельном аппарате.

Сейчас для ООО Шаньдун Инжуй Новые Материалы это стало стандартом — все партии наноразмерного диоксида кремния для покрытий идут через стадию жидкофазной модификации. Да, дороже, но стабильность свойств того стоит. Кстати, на сайте https://www.sdyingrui.ru есть технические спецификации, где как раз видно, как отличается плотность уплотнения модифицированных и немодифицированных марок.

Оборудование: что работает, а что — нет

Сушка распылением — казалось бы, стандартный процесс. Но для наноразмерных частиц пришлось полностью пересмотреть конструкцию форсунок. Использовали ротационные атомайзеры сначала, но получали широкий фракционный состав. Перешли на пневматические с соплом Лаваля — распределение стало уже, но энергозатраты выросли на 40%.

Системы фильтрации — отдельная история. Рукавные фильтры забивались за смену, хотя для обычного диоксида работали неделями. Пришлось ставить электрофильтры с предварительной ионизацией. Дорого, зато теперь менять фильтры раз в квартал вместо каждой смены.

И ещё про транспортные системы: пневмотранспорт для наноразмерного диоксида кремния — это всегда компромисс между производительностью и сохранением дисперсности. Слишком высокое давление — агломераты разрушаются, но появляются электростатические заряды. Слишком низкое — материал оседает в трубах. Подбирали режим полгода, сейчас используем импульсную подачу с контролем влажности транспортирующего газа.

Контроль качества: не доверяй сертификатам

Первое время полагались на сертификаты поставщиков сырья — и зря. Технический тетрахлорид кремния может иметь одинаковый паспортный состав, но разную историю производства. Сейчас каждый цистерну тестируем на следовые металлы, особенно железо и титан. Их наличие всего 0.001% уже влияет на фотокаталитическую активность конечного продукта.

Методы анализа тоже постоянно развиваем. BET — это хорошо, но для контроля пористости добавили ртуную порометрию, хотя она и дорогая. И SEM раз в месяц обязательно, чтобы видеть морфологию частиц. Как-то поймали интересный артефакт — частицы срастались в цепочки из-за электростатики при сушке. Никакие другие методы этого не показали бы.

Для особо ответственных заказов, например когда наноразмерный диоксид кремния идет для медицинских применений, подключаем РФА и ИК-спектроскопию. Да, увеличивает себестоимость, но зато клиенты в Европе принимают партии без перепроверок. Кстати, на https://www.sdyingrui.ru в разделе 'Контроль качества' как раз есть описание нашего подхода — не реклама ради, а для понимания клиентами, за что они платят.

Перспективы и тупиковые направления

Сейчас много говорят про непрерывные процессы вместо периодических. Пробовали — для некоторых марок работает, но для высокодисперсных сортов всё равно возвращаемся к периодическому синтезу. В непрерывном реакторе сложнее контролировать время пребывания, а это критично для формирования узкого распределения частиц по размерам.

Ещё одно модное направление — 'зелёные' технологии синтеза. Пытались заменить тетрахлорид кремния на силикат натрия — теоретически дешевле и экологичнее. Но на практике — больше примесей, сложнее очистка, и главное — совсем другие реологические свойства суспензий. Для некоторых применений подходит, но не для высокотехнологичных покрытий.

А вот что реально перспективно — так это гибридные материалы. В ООО Шаньдун Инжуй Новые Материалы сейчас экспериментируем с включением наноразмерного диоксида кремния в полимерные матрицы на стадии синтеза. Получаются композиты с уникальными барьерными свойствами. Пока в лабораторной стадии, но для упаковочных материалов выглядит многообещающе.

В общем, производство наноразмерного диоксида кремния — это постоянный поиск баланса между технологией, экономикой и требованиями рынка. Каждый новый заказ — это немного новый процесс, даже если используешь одно и то же оборудование. И это, пожалуй, самое интересное в работе.