Производство силикона

Что такое силикон?

Изначально силиконами называли высокомолекулярные кремнийорганические соединения с формулой [R₂SiO] _n, где «R» органическая группа.

Сейчас в «силиконы» объединяю различные составы от масел и каучуков до мономеров в виде силанов¹.

¹Силаны — это соединения кремния с водородом.

Все эти разновидности объединяет один компонент – кремний (Si), 14 элемент периодической системы химических элементов.

Кремний занимает второе место, после кислорода, по распространённости в земной коре (от 27 до 29 % по массе). В природе он представлен в виде соединения диоксида кремния (IV) SiO₂. К этим соединениям относиться песок, кварц, кремень, полевые шпаты и другие горные породы и минералы.

Также, кремний составляет основу силикатов и алюмосиликатов, к которым относится асбест, тальк, слюда, каолин, глинистые минералы, слюды и т.д.

Производят силикон в несколько этапов, но для начала нужно добыть первичное сырьё из земной породы.

Технология производства силикона

Технология производства силикона состоит из:

• добычи сырья;
• переработки сырья/очистки;
• переработки в силиконовые основы.

Добыча сырья

Один из способов получения свободного кремния, это прокаливание мелкого белого песка (кварц, он же диоксид кремния) с магнием. Полученный кремний, имеет вид бурого порошка.

В зависимости от залежей, кварцевый песок добывают тремя способами:

• Очисткой и прокаливанием первичного кварцевого песка
  

  Применяют к пескам получившимися естественным образом из разрушенной горной породы, в которой присутствуют зёрна кварца вперемежку с белой глиной.



• Очисткой и просушкой фракций вторичного кварцевого песка
  

  Применяют к тому же песку, что и в первом случае, только данный песок перенесён водой или ветром с места изначального залегания. Такие залежи чище и в основном расположены в руслах высохших рек.



• Добычей в подземных кварцевых жилах
  

  Монолитные скопления кварца находятся глубоко под землёй. Для их добычи строят шахты. Добывая в шахтах каменные породы их направляют на вибросита для дробления, где выделяют мелкие зёрна кварца.

Так как кварц широко применятся для стекольной промышленности, то его месторождения широко распространены в развитых странах.

Получение кремния из сырья

В промышленных масштабах кремний получают, путём восстанавливая расплав кварца коксом при температуре 1800°C. Этот процесс даёт сырьё чистотой 99,9% (основные примеси — углерод и металлы) и это технический кремний.

В зависимости от дальнейшего применения, кремний могут подвергнуть дополнительной обработке, при которой содержание примесей составляет до 0,0000001 % от массы.

В России технический кремний производится в:

• г. Каменск-Уральский
• г. Шелехов (Иркутская область)

Очистку кремния производит группа «Nitol Solar» на заводе в г. Усолье-Сибирское.

Получение силикона из кремния

Если кратко, то силикон можно получить за счёт соединения диоксида кремния (кварцевого песка) и метанола, тем самым они попадают в класс синтетических кремнийорганических соединений.

Сам кварцевый песок имеет примеси, его нужно переработать и выделить из него кремний.

Метанол взрывоопасен. С воздухом в объёмных концентрациях от 7% образует взрывоопасные смеси.
Его производство требует сложной аппаратуры и надёжного оборудования, так как получают его путём синтеза оксида углерода (угарный или углекислый газ) и водорода на медь-цинковом оксидном катализаторе. Получение происходит под давлением в 69 атм и температуре 250°C.

Соединяя диоксид кремния (кварцевого песка) и метанол образуется готовое силиконовое изделие со своими физико-механическими свойствами. Этот процесс сложен.

Более того, силикон бывает разных видов и состояния, от однокомпонентных твёрдых веществ до двухкомпонентных жидких. В данной статье рассмотрим получения монолитного силикона горячего отвержения. Такое сырьё применяют для серийного и массового выпуска изделий.

Силиконовый термоотверждаемый каучук (силикон горячего отвержения) применяют для упрощения выпуска изделий. Такое сырьё представляет из себя пластичную массу (эластомер ²), которому можно придать форму и зафиксировать её в процессе вулканизации. Для вулканизации смесь смешивают с органическим пероксидом или платиновым катализатором.

²Эластомеры — это полимеры, обладающие высокоэластичными свойствами и вязкостью.

Производит такое сырьё в основном: в Англии, в Германии, в Японии, в США и в Китае. Ещё его называют HCR силиконом (Heat Cured Rubber. Переводиться как Термо вулканизированная резина).
Состав материала состоит из прямых цепей с высокой молекулярной массой. Частично в состав добавляют перфторированные или фенилированные органические соединения.

Производственный процесс таких материалов у каждого производителя свой, поэтому выделить единый процесс синтеза HCR силикона нельзя.

Производство силиконов в России

HCR силиконы в России не производят. В основном это связано с инфраструктурой, рынком сбыта и стоимостью создания и ввода комплекса для получения силиконовой смеси.

Поэтому весь рынок HCR силиконов в России импортный.

В основном производство изделий из силикона в России представлено рядом предприятий, которые перерабатывают закупаемый HCR силикон в готовую продукцию. Спрос на продукцию с каждым годом растёт и объём закупок импортного сырья тоже.

Почему в России нет своего завода по выпуску HCR-силиконов?

Ранее была попытка организовать в г. Казань завод по производству силиконового каучука и герметиков (предприятие полного цикла), однако оно так и не было введено полностью в эксплуатацию и получила статус банкрота так и не начав выпуск продукции.

Инвестиции в строительство комплекса составили до 8 млрд. рублей. В 2009 году «заложили первый камень», а в 2017 году приписали статус «банкротство».

На заметку

Некоторые считают, что термин «силикон» было получено от составляющего его вещества кремния «Silicium», но это не так.

Ввёл этот термин английский химик Фредерик Киппинг в 1901 году. Строение силикона показалось ему схожей с известным тогда «катеоном» и он стал называть его «silicoketone». Впоследствии название упростили в «силикон».

Из-за иностранного происхождения слов, silicon (кремний) стали путать silicone (силикон), за счёт чего появился топоним «Силиконовая долина».