[发明专利]制备多孔性材料的方法

说明书

本发明提供一种制备多孔性材料的方法，其包含：提供干燥的污泥，其是由半导体制程化学机械研磨所产生；将所述干燥的污泥、黏土矿物及发泡剂混合并研磨成粉体；再将所述粉体与黏结剂混合以得一混合物；以及烧结膨胀所述混合物，以获得一多孔性材料。

技术领域

本发明是关于一种制备多孔性材料的方法，其特征在于，将半导体制程中化学机械研磨所产生的污泥转化成多孔性材料。

背景技术

轻质骨材最早源自公元1908年，美国利用膨胀性黏土及页岩，经过旋窑于高温下烧制获得。而烧制轻质骨材的原料选择上，有天然的原料如珍珠岩、松脂岩、页岩、板岩及蛭石等，但因天然原料的获得需进行矿物开采，对于环境的破坏较大且此类矿物匮乏的国家亦不容易发展轻质骨材。于1970年代开始，轻质骨材的原料发展有选用工业废弃物，如膨胀矿渣、煤矸石陶粒、粉煤灰、下水道污泥、工业污泥以及飞灰等；在台湾直至1990年代，始之利用水库淤泥作为制造轻质骨材以发展轻质混凝土。

因此随着制备轻质骨材所使用的原料不同，因此制程上也会有所差别。最初的轻质骨材的制作法是选择自然界矿物作为原料，如页岩或膨胀黏土，矿物经过开采后，破碎筛分至适当粒径的大小后进入旋窑烧结膨胀，完成品需再经过破碎分级出产品别。依据生产商的不同，过程中会进行造粒动作(pelletizing)，使骨材形成大小约5mm至20mm圆形造粒体，依照造粒体的大小差异具有不同的产品别，圆形造粒体主要是因可帮助混凝土在高压输送的流动性，因此具低吸水性的圆形骨材较受业界所采用。如原料取用工业废弃物，为维持成分的均一性，制程中需加入配料措施(ingredient)以维持后续烧制膨胀的温度条件，其中德国Dennert Poraver公司是利用废弃玻璃进行膨胀骨材的生产，除生产5mm至10mm的轻质骨材，并于公元2003年成功利用喷雾造粒生产超细轻质骨材，最小粒径可至0.04mm，因粒径范围的延伸，骨材除应用在生产轻质混凝土，亦可添加至涂料中，可见轻质骨材不止于建筑材料的应用。

此外，制备轻质骨材时，需经过一烧制程序，使其发生膨胀行为而形成多孔结构。先前研究指出只要符合一定成分范围的二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)及助熔剂(氧化钠(Na₂O)、氧化钾(K₂O)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铁(Fe₂O₃))，烧制温度约在1100℃至1300℃可达到发泡的效应，其中SiO₂影响玻璃相的黏度，含量越高时，所得到的玻璃相的黏度也随之提升，对骨材的性质影响，则是降低骨材的强度；氧化铝则是影响骨材强度与密度；其他助熔剂影响玻璃相的黏度，含量增加时，玻璃相的黏度随之下降。根据其他研究显示，轻质骨材的制造过程一定要满足两种条件：(1)原料加热至高温时，必须能够生成黏性的玻璃相来包覆逸散的气体；当玻璃相黏滞度较高时，所产生的孔隙较细，黏滞度低时，产生在内部的孔洞较大；以及(2)在原料内部气体生成前，表面必须以生成玻璃相。

而因轻质骨材为一种具多孔结构的矿物粒料，可经由高温烧制获得，因此具耐火性质，且因其结构关系，具有隔音、隔热且质轻的效果，依照物理特性用于结构混凝土及非结构性混凝土的用途上，如道路沥青料、高楼建筑的结构梁或是隔音墙面。

目前随着半导体工业的发展，晶圆尺寸的需求已经从8吋上升到12吋，为了在晶圆上累积更多的组件，晶圆的平坦化措施已是一项标准化流程，化学机械研磨(Chemical-Mechanical Polishing；CMP)制法是目前主要使晶圆平整的方式，而在CMP研磨液中，掺杂了许多纳米级二氧化硅(SiO₂)粒子作为研磨粒体，于制程使用完毕后，悬浮在废水之中，为了减少环境冲击及符合废水排放标准，CMP制程废水经过一定处理程序及过滤后，产生许多由纳米粒子及絮凝物所组成的污泥，其状况多为饼状并依据絮凝物的种类而有白色及棕色之分。