無定形硼粉的生產(chǎn)工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，為將質(zhì)量之比為3:1的硼酐粉和鎂刨花疊層放置，在800-1100℃溫度條件下進行熱還原反應(yīng)，制備無定形硼，然后再經(jīng)洗滌，烘干后過篩，得到無定形硼粉；采用該工藝制備的無定形硼粉純度高，達到97-98%，而且粒度小而均勻，燃燒性好，可用于固體沖壓發(fā)動機和無煙潔凈推進劑。
【專利說明】無定形硼粉的生產(chǎn)工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，屬于粉體材料的制備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]單質(zhì)硼有晶體和無定形兩種結(jié)構(gòu)。元素硼熔點2300°C，密度2.35g/cm3,是一種特別硬而脆的固體，硬度僅次于金剛石。結(jié)晶硼為黑灰色，有時呈黑色到銀灰色或亮紅色，并有金屬光澤，有高的電阻，導(dǎo)電率隨溫度升高而增大。無定形硼是一種無臭的黑褐色粉末，常溫下在空氣中穩(wěn)定，加熱到300°C時能被氧化,達到700°C時著火,無定形單質(zhì)硼的化學(xué)性質(zhì)比結(jié)晶單質(zhì)硼活潑，且無定形硼粉還具有比表面積大，燃燒熱值高等優(yōu)點，在軍事、航空航天、汽車及先進材料的制備等許多領(lǐng)域受到重視。
[0003]目前國際上只有美國、德國等少數(shù)國家能夠工業(yè)化生產(chǎn)無定形硼粉，通常采用鎂熱還原法，另外還有氯化硼還原法、溴化硼氫還原法，氫化硼裂解法等多種工藝。鎂熱還原法工藝為以B2O3和Mg按一定比例混合后，進行高溫?zé)徇€原反應(yīng)，高溫下得到的無定形硼容易被進一步氧化，造成純度不高，而通過制備的粗硼與Mg粉二次還原，由于二次反應(yīng)熱值較低、需要靠電加熱的方式維持反應(yīng)，純度也只有90-92%;該工藝不安全因素較多，且易生成硼鎂化合物雜質(zhì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，采用該工藝制備的無定形硼粉純度高，達到97-98 %，而且粒度小而均勻，燃燒性好。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，為將質(zhì)量之比為3:1的硼酐粉和鎂刨花疊層放置，在800-110(TC溫度條件下進行熱還原反應(yīng)，制備無定形硼，然后再經(jīng)酸洗和堿洗，烘干后過篩，得到無定形硼粉。
[0007]所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，具體包括以下步驟:
[0008](I)按質(zhì)量比3:1準備硼酐粉和鎂刨花；
[0009](2)將硼酐粉和鎂刨花疊層置于鑰盤中，底層為硼酐粉，上面鋪鎂刨花，逐層交錯鋪放，并使鑰盤留有20%的體積余量；
[0010](3)預(yù)熱真空馬弗爐，并穩(wěn)定在800-1100°C ；
[0011](4)將裝好原料的鑰盤置于真空馬弗爐中，進行抽真空，在真空狀態(tài)下進行熱還原反應(yīng);
[0012](5)當(dāng)觀察到鑰盤中固體變成棕色，這時表示反應(yīng)已完成；停止加熱，使鑰盤在真空馬弗爐中自然冷卻，然后在關(guān)閉抽真空裝置至壓力回復(fù)到大氣壓，將鑰盤取出，并將取出的產(chǎn)物進行破碎；
[0013](6)將破碎后產(chǎn)物與鹽酸和硝酸的混合液按一定比例混合，加熱至沸騰進行雜質(zhì)的酸解，直至溶液中的固體體積不再變化，然后過濾，洗滌；如此進行多次酸解；
[0014](7)然后將酸解剩余固體與氫氧化鈉溶液按一定比例混合，進行雜質(zhì)的堿解，直至溶液中固體的體積不再變化，然后過濾、洗滌；如此重復(fù)多次堿解；
[0015](8)過濾得粉狀固體，并用純水清洗至中性；
[0016](9)然后將粉狀固體平鋪于烘盤中，并加少量的無水乙醇，置于烘箱中烘干；
[0017](10)過150目篩，篩下物即為制得的無定形硼粉。
[0018]其中，
[0019]優(yōu)選的，鎂刨花的純度不低于99.5%，如選用1#、0#鎂錠。
[0020]優(yōu)選的，鎂刨花的尺寸為:寬不大于8mm、長不大于50mm、厚不大于0.5mm。所述鎂刨花為以鎂錠為原料，采用刨床制成的刨花。
[0021]優(yōu)選的，所述硼酐粉粒度在0.3mm以下；更優(yōu)選粒度在0.2mm以下。
[0022]步驟(4)中所述的熱還原反應(yīng)為瞬間反應(yīng)，反應(yīng)的一瞬間，爐溫會急劇上升，鑰盤中固體從黑色變成棕色，這表示反應(yīng)已完成。
[0023]優(yōu)選的，步驟(4)，抽真空至真空度為10_5Pa。
[0024]優(yōu)選的，步驟(6)中，所述鹽酸和硝酸的混合液中HCl的濃度為50_60wt %，HNO3的濃度為5-6wt%，其余為水。
[0025]優(yōu)選的，步驟￠)中，每次酸解，固體與鹽酸和硝酸的混合液的質(zhì)量之比為1:8?10。
[0026]優(yōu)選的，步驟(6)中，重復(fù)進行6次酸解。
[0027]優(yōu)選的，步驟(7)中，所述氫氧化鈉的濃度為I?2wt%。
[0028]優(yōu)選的，步驟(7)中，每次堿解，固體與氫氧化鈉溶液的質(zhì)量之比為1:8?10。
[0029]優(yōu)選的，步驟(7)中，重復(fù)進行2次堿解。
[0030]優(yōu)選的，步驟(9)中，所述無水乙醇的添加量為烘盤中粉狀固態(tài)總質(zhì)量的5?10%，添加無水乙醇的目的在于除水更徹底與防止產(chǎn)品受熱氧化。
[0031]優(yōu)選的，步驟(9)中，所述烘箱的溫度為120-200°C。
[0032]本發(fā)明制備的無定形硼粉純度達到97-98%、絕緣電阻100-500ΜΩ、燃燒值達到1090-1264.17KJ/mol，密度為 2.3-2.4g/cm3。
[0033]本發(fā)明的技術(shù)效果及優(yōu)點在于:
[0034](I)物理形態(tài)好；
[0035](2)熱值高；
[0036](3)制得無定形硼粉純度高、燃燒性能好；
[0037](4)可用于固體沖壓發(fā)動機和無煙潔凈推進劑；

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1實施例1制得無定形硼粉電鏡照片

【具體實施方式】
[0039]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的技術(shù)方案。應(yīng)理解，本發(fā)明提到的一個或多個方法步驟并不排斥在所述組合步驟前后還存在其他方法步驟或在這些明確提到的步驟之間還可以插入其他方法步驟；還應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。而且，除非另有說明，各方法步驟的編號僅為鑒別各方法步驟的便利工具，而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容的情況下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實施的范疇。
[0040]本試驗所使用的真空馬弗爐是經(jīng)改制的實驗爐具.(配有自耗爐的真空系統(tǒng))
[0041]實施例1
[0042]制備無定形硼粉:
[0043]1、制備鎂刨花:取鎂錠(O號)，采用刨床制成(寬5-8mm長20-50mm厚0.1-0.2_。)刨花
[0044]2、制備硼酐粉:1)取硼酸(分析純)，采用鑰盤和真空馬弗爐，熔化脫水；2)破碎后球磨成粉狀，粒徑小于0.2mm ；3)硼酐粉末放置于干燥瓶中待用。
[0045]3、裝料:硼酐取300g/份，鎂刨花稱取10g/份，在鑰盤中，底層為硼酐，然后鋪鎂刨花，逐層鋪放，裝至8成滿。
[0046]4、真空馬弗爐:預(yù)先加熱至1100°C，穩(wěn)定30分鐘。
[0047]5、反應(yīng):將已裝好原料的鑰盤，放置在上述真空馬弗爐中，抽真空至10_5Pa，開始熱還原反應(yīng)；當(dāng)觀察到鑰盤中固體變成棕色，這時表示反應(yīng)已完成；停止加熱，使鑰盤在真空馬弗爐中自然冷卻至室溫，然后在關(guān)閉抽真空裝置至壓力回復(fù)到大氣壓，將鑰盤取出；
[0048]6、破碎:取出鑰盤中的反應(yīng)物(棕色海綿狀)進行破碎。
[0049]7、溶解除雜:
[0050](I)將反應(yīng)物放置于燒杯中，先加一定純水覆蓋反應(yīng)物即可。然后加入8-10倍于固體質(zhì)量的配置好的硝酸和鹽酸混合溶液(混合液中鹽酸的濃度為50-60wt%，硝酸的濃度為5-6wt% )，在電爐上加熱至沸騰，進行雜質(zhì)的酸解，直至固體體積不再變化，然后過濾、洗滌；如此重復(fù)6次。
[0051](2)酸解后，再在固體中添加濃度為1-2?七％的氫氧化鈉溶液，進行雜質(zhì)的堿解，至固體體積不再變化，然后過濾、洗滌；如此重復(fù)堿解2次。
[0052]8、過濾和清洗
[0053]I)將燒杯中不能溶解的硼粉，在過濾漏斗中過濾除去溶液，留下固體粉末；
[0054]2)加純水清滌硼粉至pH值為6.5-7中性時結(jié)束。
[0055]9、烘干
[0056]I)將清洗過濾后的硼粉收集在烘盤中，均勻平鋪，加約為烘盤中粉狀固態(tài)總質(zhì)量的5?10%的無水乙醇，混勻；
[0057]2)將烘盤置放在烘箱中，溫度控制在120°C，直至烘干為止。
[0058]10、過篩和裝瓶
[0059]I)準備150目標(biāo)準篩網(wǎng)和篩盤
[0060]2)將烘干后的硼粉用150目篩網(wǎng)過篩，篩下物裝瓶(50g/瓶)
[0061]11、檢驗
[0062]I)密度；2.35g/cm3 ；
[0063]2)B > 97%，其余雜質(zhì)小于 3% (Fe、Cr、Ca、S1、Cu、Al)
[0064]3)絕緣電阻:495ΜΩ
[0065]4)制得硼粉的SEM圖如圖1所示；
[0066]5)燃燒值測定結(jié)果:1264.01KJ/mol
[0067]結(jié)果說明，制備的硼粉為無定形硼粉，物理形態(tài)良好雜質(zhì)含量低，符合軍工定貨規(guī)范。
[0068]實施例2
[0069]制備無定形硼粉:
[0070]1、制備鎂刨花:取鎂錠(0#)，采用刨床制成(寬5-8mm、長5_15mm、厚0.5mm)刨花
[0071]2、制備硼酐粉:1)取硼酸(分析純)，采用鑰盤和真空馬弗爐，熔化脫水；2)破碎后球磨成粉狀，粒徑小于0.3mm ；3)硼酐粉末放置于干燥瓶中待用。
[0072]3、裝料:硼酐取300g/份，鎂刨花稱取10g/份，在鑰盤中，底層為硼酐，然后鋪鎂刨花，逐層鋪放，裝8成滿。
[0073]4、真空馬弗爐:預(yù)先加熱至800°C，穩(wěn)定30分鐘。
[0074]5、反應(yīng):將已裝好原料的鑰盤，放置在真空馬弗爐中，抽真空至10_5Pa，開始熱還原反應(yīng)；當(dāng)觀察到鑰盤中固體變成棕色，這時表示反應(yīng)已完成；停止加熱，使鑰盤在真空馬弗爐中自然冷卻至室溫，然后在關(guān)閉抽真空裝置至壓力回復(fù)到大氣壓，將鑰盤取出。
[0075]6、破碎:取出鑰盤中的反應(yīng)物(棕色海綿狀)進行破碎。
[0076]7、溶解除雜:
[0077](I)將反應(yīng)物放置于燒杯中，先加一定純水覆蓋反應(yīng)物即可。然后加入8-10倍于固體質(zhì)量的配置好的硝酸和鹽酸混合溶液(混合液中鹽酸的濃度為50-60wt%，硝酸的濃度為5-6wt% )，在電爐上加熱至沸騰，進行雜質(zhì)的酸解，直至固體體積不再變化，然后過濾、洗滌；如此重復(fù)6次。
[0078](2)酸解后，再在固體中添加濃度為1_2?1%的氫氧化鈉溶液，進行雜質(zhì)的堿解，至固體體積不再變化，然后過濾、洗滌；如此重復(fù)堿解2次。
[0079]8、過濾和清洗
[0080]I)將燒杯中不能溶解的硼粉，在過濾漏斗中過濾除去溶液，留下固體粉末；
[0081]2)加純水清滌硼粉至pH值為中性時結(jié)束。
[0082]9、烘干
[0083]I)將清洗過濾后的硼粉收集在烘盤中，均勻平鋪，加約為烘盤中硼粉重量5%的無水乙醇。
[0084]2)將烘盤置放在烘箱中，溫度控制在200°C，直至烘干為止。
[0085]10、過篩和裝瓶
[0086]I)準備150目標(biāo)準篩網(wǎng)和篩盤
[0087]2)將烘干后的硼粉用150目篩網(wǎng)過篩，篩下物裝瓶(50g/瓶)
[0088]11、檢驗
[0089]I)密度:2.39g/cm3 ；
[0090]1)B > 97%，其余雜質(zhì)小于 2% (Fe、Cr、Ca、S1、Cu、Al)
[0091]2)絕緣電阻:460ΜΩ ;
[0092]3)制得硼粉的SEM圖同圖1所示；
[0093]4)燃燒值測定結(jié)果:1108kJ/mol ；
[0094]結(jié)果說明，制備的硼粉為無定形硼粉，物理形態(tài)良好雜質(zhì)含量低，符合軍工定貨規(guī)范。
[0095]實施例3
[0096]制備無定形硼粉:
[0097]1、制備鎂刨花:取鎂錠(0#)，采用刨床制成(寬0.1-0.5mm、長10_50mm、厚
0.05-0.1mm)刨花
[0098]2、制備硼酐粉:1)取硼酸(分析純)，采用鑰盤和真空馬弗爐，熔化脫水；2)破碎后球磨成粉狀，粒徑小于0.2mm ；3)硼酐粉末放置于干燥瓶中待用。
[0099]3、裝料:硼酐取300g/份，鎂刨花稱取10g/份，在鑰盤中，底層為硼酐，然后鋪鎂刨花，逐層鋪放，裝8成滿。
[0100]4、真空馬弗爐:預(yù)先加熱至800°C，穩(wěn)定30分鐘。
[0101]5、反應(yīng):將已裝好原料的鑰盤，放置在真空馬弗爐中，抽真空至10_5Pa，開始熱還原反應(yīng)；當(dāng)觀察到鑰盤中固體變成棕色，這時表示反應(yīng)已完成；停止加熱，使鑰盤在真空馬弗爐中自然冷卻，然后在關(guān)閉抽真空裝置至壓力回復(fù)到大氣壓，將鑰盤取出。
[0102]6、破碎:取出鑰盤中反應(yīng)物(棕色海綿狀)進行破碎。
[0103]7、溶解除雜:
[0104](I)將反應(yīng)物放置于燒杯中，先加一定純水覆蓋反應(yīng)物即可。然后加入8-10倍于固體質(zhì)量的配置好的硝酸和鹽酸混合溶液(混合液中鹽酸的濃度為50-60wt%，硝酸的濃度為5-6wt% )，在電爐上加熱至沸騰，進行雜質(zhì)的酸解，直至固體體積不再變化，然后過濾、洗滌；如此重復(fù)6次。
[0105](2)酸解后，再在固體中添加濃度為1_2?丨％的氫氧化鈉溶液，進行雜質(zhì)的堿解，至固體體積不再變化，然后過濾、洗滌；如此重復(fù)堿解2次。
[0106]8、過濾和清洗
[0107]I)將燒杯中不能溶解的硼粉，在過濾漏斗中過濾除去溶液，留下固體粉末；
[0108]2)加純水清滌硼粉至pH值為中性時結(jié)束。
[0109]9、烘干
[0110]I)將清洗過濾后的硼粉收集在烘盤中，均勻平鋪，加約為烘盤中硼粉重量5%的無水乙醇。
[0111]2)將烘盤置放在烘箱中，溫度控制在120°C，直至烘干為止。
[0112]10、過篩和裝瓶
[0113]I)準備150目標(biāo)準篩網(wǎng)和篩盤
[0114]2)將烘干后的硼粉用150目篩網(wǎng)過篩，篩下物裝瓶(50g/瓶)
[0115]11、檢驗
[0116]I)密度:2.36g/cm3
[0117]2)B > 98%，其余雜質(zhì)小于 2% (Fe、Cr、Ca、S1、Cu、Al)
[0118]3)絕緣電阻:490ΜΩ
[0119]4)燃燒值測定結(jié)果:1215.60KJ/mol ；
[0120]5)制得硼粉的SEM圖同圖1所示；
[0121]結(jié)果說明，制備的硼粉為無定形硼粉，物理形態(tài)良好雜質(zhì)含量低，符合軍工定貨規(guī)范。
【權(quán)利要求】
1.一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，為將質(zhì)量之比為3:1的硼酐粉和鎂刨花疊層放置，在800-110(TC溫度條件下進行熱還原反應(yīng)，制備無定形硼，然后再經(jīng)酸洗和堿洗，烘干后過篩，得到無定形硼粉。
2.如權(quán)利要求1所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，具體包括以下步驟: (1)按質(zhì)量比3:1準備硼酐粉和鎂刨花； (2)將硼酐粉和鎂刨花疊層置于鑰盤中，底層為硼酐粉，上面鋪鎂刨花，逐層交錯鋪放，并使鑰盤留有20%的體積余量； (3)預(yù)熱真空馬弗爐，并穩(wěn)定在800-1100°C； (4)將裝好原料的鑰盤置于真空馬弗爐中，進行抽真空，在真空狀態(tài)下進行熱還原反應(yīng)； (5)當(dāng)觀察到鑰盤中固體變成棕色，這時表示反應(yīng)已完成；停止加熱，使鑰盤在真空馬弗爐中自然冷卻，然后在關(guān)閉抽真空裝置至壓力回復(fù)到大氣壓，將鑰盤取出，并將取出的產(chǎn)物進行破碎； (6)將破碎后產(chǎn)物與鹽酸和硝酸的混合液按一定比例混合，加熱至沸騰進行雜質(zhì)的酸解，直至溶液中的固體體積不再變化，然后過濾，洗滌；如此進行多次酸解； (7)然后將酸解剩余固體與氫氧化鈉溶液按一定比例混合，進行雜質(zhì)的堿解，直至溶液中固體的體積不再變化，然后過濾、洗滌；如此重復(fù)多次堿解； (8)過濾得粉狀固體，并用純水清洗至中性； (9)然后將粉狀固體平鋪于烘盤中，并加少量的無水乙醇，置于烘箱中烘干； (10)過150目篩，篩下物即為制得的無定形硼粉。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述鎂刨花的純度不低于99.5% ;尺寸為:寬不大于8mm、長不大于50mm、厚不大于0.5mm ;所述硼酐粉粒度在0.3mm以下。
4.如權(quán)利要求2所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，步驟(4)中，所述抽真空至真空度為10_5Pa。
5.如權(quán)利要求2所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，步驟￠)中，所述鹽酸和硝酸的混合液中HCl的濃度為50-60wt%，HNO3的濃度為5_6wt%，，其余為水。
6.如權(quán)利要求5所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，步驟￠)中，每次酸解，固體與鹽酸和硝酸的混合液的質(zhì)量之比為1:8?10 ;重復(fù)進行6次酸解。
7.如權(quán)利要求2所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，步驟(7)中，所述氫氧化鈉的濃度為I?2wt%。
8.如權(quán)利要求7所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，步驟(7)中，每次堿解，固體與氫氧化鈉溶液的質(zhì)量之比為1:8?10，重復(fù)進行2次堿解。
9.如權(quán)利要求2所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，步驟(9)中，所述無水乙醇的添加量為烘盤中粉狀固態(tài)總質(zhì)量的5?10%。
10.如權(quán)利要求2所述的一種無定形硼粉的生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述制得的無定形硼粉的純度達到97-98%、絕緣電阻100-500ΜΩ、燃燒值達到1090-1264.17KJ/mol，密度為.2.30-2.40g/cm3。
【文檔編號】C01B35/02GK104402014SQ201410625436
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】劉守印, 汪勁松, 陳志良, 樊長雄 申請人:上海九鼎粉體材料有限公司