爆米花状硅溶胶、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种爆米花状硅溶胶、其制备方法及其应用，该爆米花状硅溶胶纳米粒子为球形，粒径大小在20～150nm，表面具有明显的凹凸不平，凹凸处高度为5～20nm。该爆米花状硅溶胶的制备方法是分两步进行，首先通过球形颗粒表面的定向自组装方式制备不规则的起始晶种，接着是起始晶种的进一步生长，晶种的进一步生长使表面更加致密，凹凸部分更加牢固。本发明专利技术采用爆米花状的硅溶胶作为磨粒制成的抛光液，在抛光过程中颗粒与加工工件形成多点接触，摩擦系数增大，抛光速率高。同时，因为形成多点接触，载荷可以有效分散，从而导致较浅的压痕，有利于改善表面粗糙度。

【技术实现步骤摘要】
爆米花状硅溶胶、其制备方法及其应用
本专利技术涉及一种化学机械抛光技术中的抛光磨粒，尤其涉及到一种硅溶胶及其制备方法，应用于纳米复合材料及其制备工艺

技术介绍
目前，化学机械抛光技术已成为世界上广泛应用的全局平面化技术之一，其应用范围从集成电路的平面化扩展到薄膜存储盘，微机电系统，陶瓷，磁头，精密阀，光学玻璃，LED衬底和金属材料。研磨剂(磨粒)是化学机械抛光中的主要成分，通常采用氧化铈、氧化硅、氧化铝等无机磨粒。特别是硅溶胶由于性价比高，已经成为化学机械抛光中最主要的磨粒，但是目前商品硅溶胶均为球形外貌，其存在的问题是抛光速率较慢，影响了加工效率，增加了加工成本。研究表明，在化学机械抛光进程中，颗粒会存在滚动摩擦和滑动摩擦两种作用。如果颗粒的不规则度增加，颗粒发生滑动摩擦的比例会增加，发生滚动摩擦的比例会减少，最终表现为平均摩擦系数的增大，即机械作用增强，有利于材料去除速率的提高。例如专利CN103896287A提供了一种非球形氧化硅溶胶的制备方法，但是制备过程中使用到二价金属和苯乙烯，引入的金属离子有残留在加工工件表面的危险，金属离子的残留对半导体芯片的制造是致命的危险，而且颗粒表面包覆的苯乙烯是疏水性的，会影响硅溶胶的储存稳定性。专利CN106590530A提供了一种水溶性高分子包覆的异型硅溶胶，该异型硅溶胶的物理结构为不规则异型，表面由水溶性高分子包覆构成。表面包覆的高分子会阻碍磨粒与加工件的直接接触，可以降低加工件的表面粗糙度，但是一定程度上也会减缓抛光速率。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种爆米花状硅溶胶、其制备方法及其应用，硅溶胶颗粒为爆米花外形，其表面具有明显的凹凸不平，粒径大小在20～150nm，表面凹凸处高度为5～20nm。爆米花状的硅溶胶颗粒与加工工件可以形成多点接触，摩擦系数增大，抛光速率高。同时，因为形成多点接触，载荷可以有效分散，从而导致较浅的压痕，有利于降低表面粗糙度。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：一种爆米花状硅溶胶，包含液体介质和爆米花状的二氧化硅纳米粒子；所述液体介质为水；所述爆米花状的二氧化硅纳米粒子整体为球形或者球形表面有凸起的类球形，二氧化硅纳米粒子粒径大小为20～150nm，表面凹凸不平，凹凸处高度为5～20nm；爆米花状硅溶胶的pH值为8.5～11。作为本专利技术优选的技术方案，爆米花状硅溶胶的pH值为9～11。作为本专利技术优选的技术方案，二氧化硅纳米粒子的质量百分比浓度为20～50wt％。作为本专利技术优选的技术方案，二氧化硅纳米粒子粒径大小为60～110nm。一种本专利技术爆米花状硅溶胶的制备方法，分两步进行，首先通过球形颗粒表面的定向自组装方式制备不规则的起始晶种，然后使起始晶种进一步生长，制备爆米花状硅溶胶，晶种的进一步生长使表面更加致密，凹凸部分更加牢固，所述制备过程如下：a.制备起始晶种过程：a-1.将碱性催化剂溶于去离子水中，使碱性催化剂溶液的pH值为7.5～12；所述碱性催化剂采用有机弱碱或无机弱碱；然后加入正硅酸乙酯，加入的正硅酸乙酯的量相对于碱性催化剂溶液中的水的质量比为0.1～12％；在温度20～100℃及搅拌条件下，进行反应0.5～48h，得到蓝色球形二氧化硅溶胶；a-2.在所述步骤a-1中所得蓝色球形二氧化硅溶胶中加入非离子型表面活性剂，所述非离子型表面活性剂采用两亲性的高分子类共聚物，加入的非离子型表面活性剂的质量占在所述步骤a-1中所得蓝色球形二氧化硅溶胶质量的0.01～10％，使非离子型表面活性剂分子与二氧化硅表面羟基形成氢键，吸附在二氧化硅种子的表面，得到混合溶液；因为所述的非离子型表面活性剂是两亲性的，可以与二氧化硅表面羟基形成氢键，可以吸附在二氧化硅种子的表面；a-3.在所述步骤a-2中获得的混合溶液中继续加入正硅酸乙酯，加入的正硅酸乙酯的量相对于在所述步骤a-2中获得的混合溶液中的水的质量比为0.1～12％，加入正硅酸乙酯采用一次性加入或分次加入；然后在温度20～100℃及搅拌条件下，进行反应0.5～48h，使继续加入的正硅酸乙酯在二氧化硅表面再生长过程中，二氧化硅纳米粒子的亲水性部分附近更有利于二氧化硅的沉积，形成蓝色的不规则的二氧化硅溶胶晶种，得到二氧化硅溶胶晶种溶液；b.制备爆米花状硅溶胶过程：b-1.将水玻璃用去离子水稀释到固含量不高于8wt.％的硅酸钠水溶液，然后将硅酸钠水溶液通过阳离子交换树脂处理，得到SiO2浓度不高于2.5wt.％的活性硅酸溶液；b-2.将在所述步骤a-3中制备的二氧化硅溶胶晶种溶液加热至沸腾；然后，在搅拌下，将在所述步骤b-1中制备的新鲜的活性硅酸溶液逐渐加入到二氧化硅溶胶晶种溶液，进行混合反应；在反应过程中，通过控制硅酸溶液的滴加速率和水的蒸发速率，使混合清液的液位保持恒定；同时，添加氢氧化钠溶液来维持混合溶液反应体系的pH为10；在添加完硅酸溶液后，在进行反应至少1小时，然后冷却，从而制备出爆米花状硅溶胶产物，得到爆米花状硅溶胶产物溶液；b-3.将在所述步骤b-2中得到的爆米花状硅溶胶产物溶液通过蒸发或膜浓缩进行后处理，得到所需二氧化硅纳米粒子浓度的爆米花状硅溶胶产品。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a-1中，将碱性催化剂溶于去离子水中，使碱性催化剂溶液的pH值为8～10；所述碱性催化剂优选采用氨水、尿素、三乙胺、三乙醇胺、碱性氨基酸中的任意一种或任意几种的混合物；然后加入正硅酸乙酯，加入的正硅酸乙酯的量相对于碱性催化剂溶液中的水的质量比为0.5～5.8％；在温度40～70℃及搅拌条件下，进行反应3～24h，得到蓝色球形二氧化硅溶胶。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a-2中，在所得蓝色球形二氧化硅溶胶中加入非离子型表面活性剂，所述非离子型表面活性剂采用聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、N-乙烯基酰胺聚合物中的任意一种或两种的混合物，加入的非离子型表面活性剂的质量占所得蓝色球形二氧化硅溶胶质量的0.1～3.5％，得到混合溶液。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a-3中，在获得的混合溶液中继续加入正硅酸乙酯，加入的正硅酸乙酯的量相对于在所述步骤a-2中获得的混合溶液中的水的质量比为0.5～5.8％，加入正硅酸乙酯采用分次加入方式，每次加入量为总量的1/20～1/5；然后在温度40～70℃及搅拌条件下，进行反应3～24h，得到二氧化硅溶胶晶种溶液。作为本专利技术优选的技术方案，优选采用机械搅拌和超声搅拌，当采用机械搅拌时，使所述搅拌的搅拌速度为不低于200转/分钟，使混合液忠粉混合均匀。一种化学机械抛光用的抛光液，采用本专利技术爆米花状硅溶胶作为抛光液组合物磨料组分。作为本专利技术优选的技术方案，所述抛光液组合物的组成及质量百分比含量为：本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1.本专利技术爆米花状的硅溶胶颗粒的粒子形状为爆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种爆米花状硅溶胶，其特征在于：包含液体介质和爆米花状的二氧化硅纳米粒子；所述液体介质为水；所述爆米花状的二氧化硅纳米粒子整体为球形或者球形表面有凸起的类球形，二氧化硅纳米粒子粒径大小为20～150nm，表面凹凸不平，凹凸处高度为5～20nm；爆米花状硅溶胶的pH值为8.5～11。/n

【技术特征摘要】
1.一种爆米花状硅溶胶，其特征在于：包含液体介质和爆米花状的二氧化硅纳米粒子；所述液体介质为水；所述爆米花状的二氧化硅纳米粒子整体为球形或者球形表面有凸起的类球形，二氧化硅纳米粒子粒径大小为20～150nm，表面凹凸不平，凹凸处高度为5～20nm；爆米花状硅溶胶的pH值为8.5～11。


2.根据权利要求1所述爆米花状硅溶胶，其特征在于：爆米花状硅溶胶的pH值为9～11。


3.根据权利要求1所述爆米花状硅溶胶，其特征在于：二氧化硅纳米粒子的质量百分比浓度为20～50wt％。


4.根据权利要求1所述爆米花状硅溶胶，其特征在于：二氧化硅纳米粒子粒径大小为60～110nm。


5.一种权利要求1所述爆米花状硅溶胶的制备方法，其特征在于：分两步进行，首先通过球形颗粒表面的定向自组装方式制备不规则的起始晶种，然后使起始晶种进一步生长，制备爆米花状硅溶胶，所述制备过程如下：
a.制备起始晶种过程：
a-1.将碱性催化剂溶于去离子水中，使碱性催化剂溶液的pH值为7.5～12；所述碱性催化剂采用有机弱碱或无机弱碱；
然后加入正硅酸乙酯，加入的正硅酸乙酯的量相对于碱性催化剂溶液中的水的质量比为0.1～12％；在温度20～100℃及搅拌条件下，进行反应0.5～48h，得到蓝色球形二氧化硅溶胶；
a-2.在所述步骤a-1中所得蓝色球形二氧化硅溶胶中加入非离子型表面活性剂，所述非离子型表面活性剂采用两亲性的高分子类共聚物，加入的非离子型表面活性剂的质量占在所述步骤a-1中所得蓝色球形二氧化硅溶胶质量的0.01～10％，使非离子型表面活性剂分子与二氧化硅表面羟基形成氢键，吸附在二氧化硅种子的表面，得到混合溶液；
a-3.在所述步骤a-2中获得的混合溶液中继续加入正硅酸乙酯，加入的正硅酸乙酯的量相对于在所述步骤a-2中获得的混合溶液中的水的质量比为0.1～12％，加入正硅酸乙酯采用一次性加入或分次加入；
然后在温度20～100℃及搅拌条件下，进行反应0.5～48h，使继续加入的正硅酸乙酯在二氧化硅表面再生长过程中，二氧化硅纳米粒子的亲水性部分附近更有利于二氧化硅的沉积，形成蓝色的不规则的二氧化硅溶胶晶种，得到二氧化硅溶胶晶种溶液；
b.制备爆米花状硅溶胶过程：
b-1.将水玻璃用去离子水稀释到固含量不高于8wt.％的硅酸钠水溶液，然后将硅酸钠水溶液通过阳离子交换树脂处理，得到SiO2浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷红，代三威，徐磊，董越，丁振宇，丁如月，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31