基于尿素氮源制备球形六方氮化硼粉体的方法技术

一种基于尿素氮源制备球形六方氮化硼粉体的方法，按以下步骤进行：(1)准备硼砂和硼酸；(2)准备尿素、丙烯酰胺、N,N‑亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵；(3)将硼砂、硼酸、尿素、丙烯酰胺和N,N‑亚甲基双丙烯酰胺溶于去离子水后，加入过硫酸铵搅拌溶解，在60～70℃水浴条件下搅拌至形成凝胶；(4)烘干后与二次氮源尿素一起机械混合；(5)在加热炉内气压高于大气压条件下在700～900℃保温2～6小时，再经酸洗、水洗、醇洗和研磨；(6)在电阻炉中加热除碳。本发明专利技术的方法采用低温合成条件，不形成氨气污染和腐蚀，操作简便，设备要求低，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于尿素氮源制备球形六方氮化硼粉体的方法
本专利技术属于无机化学材料
，特别涉及一种基于尿素氮源制备球形六方氮化硼粉体的方法。
技术介绍
迄今为止,六方氮化硼是最理想的导热填充材料和绝缘材料；但是，填充材料的颗粒形貌对填充量有很大影响，球形比片状颗粒的填充性能要好；此外，对于氮化硼陶瓷而言，球形颗粒也比片状颗粒的流动性要好，坯体密度高，有利于降低氮化硼陶瓷的烧结温度，提高氮化硼陶瓷的烧结性能。制备球状六方氮化硼粉体的方法主要有如下几种：第一种是以球状化石墨为原料，使球状化石墨与硼氧化物，在氮气氛下、高达1600～2100℃的温度下发生反应，制备球状氮化硼，但是石墨与六方氮化硼的晶体结构相似，经过高温合成的六方氮化硼中很容易掺杂碳杂质，而很难去除；第二种是将氧化硼与一元醇发生酯化反应，生成三羟基硼酸酯与硼酸的混合物，用氮气或其它惰性气体将其带入氮化炉中，或直接将反应混合物利用超声雾化器或高速气流雾化成微米雾滴后，用氮气或其它惰性气体将其带入氮化炉中，在高温进行氮化反应；反应得到的产物，以甲醇洗涤，除去产物中的氧化硼后，得到六方氮化硼纳米微球；这种方法工艺复杂，成本高；其次是气相沉积方法，该方法产量很低，成本也很高，至今未得到发展；还有一种就是高分子网络法，该方法是以硼酸和硼砂为硼源，流动氨气为氮源，在较低温度范围内700～900℃就可合成出球状六方氮化硼粉体；由于合成温度低，除碳问题容易得到解决；但面临的问题是该方法采用流动氨气作为氮源，氨气是强腐蚀性气体，容易引起氨气泄漏，给生产设备、生产安全、人生安全和环境保护造成极大威胁，因此至今未得到推广和应用。因此，开发一种能够替代流动氨气并适宜工业化规模生产的氮源是目前球形六方氮化硼制备技术需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于尿素氮源制备球形六方氮化硼粉体的方法，以尿素替代流动氨气作为氮源，采用二步方式分别引入氮源：实现低成本安全便捷合成球形六方氮化硼粉体的目的。本专利技术的方法按以下步骤进行：1、准备硼砂和硼酸作为硼源原料，硼源原料中硼砂和硼酸的摩尔比为1:(0.5～3)；2、准备尿素为一次氮源，丙烯酰胺为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为引发剂；一次氮源为硼源原料总质量的5～20％；丙烯酰胺:N,N-亚甲基双丙烯酰胺:过硫酸铵的摩尔比为100:4:25，丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的总量占硼源原料总质量的3～20％；3、将硼砂、硼酸、尿素、丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺放入去离子水中，搅拌至全部溶解，再加入过硫酸铵继续搅拌至全部溶解，然后在60～70℃水浴保温条件下继续搅拌，直至形成硼源原料表面包覆尿素的前驱体凝胶；4、将前驱体凝胶置于烘干箱中，在65～200℃条件下烘干去除水分，随炉冷却至常温，再与二次氮源尿素一起机械混合均匀，制成混合粉体；其中二次氮源尿素的加入量按尿素与硼源原料的总摩尔比为(5～60):1；5、将混合粉体置于加热炉中；对加热炉抽真空后通入氮气，重复至少一次，将空气排出；在加热炉内的气压高于大气压的条件下，将加热炉升温700～900℃，保温2～6小时，然后随炉冷却至常温取出，再经过酸洗、水洗、醇洗和研磨，获得含有残余碳的六方氮化硼粗粉体；6、将含有残余碳的六方氮化硼粗粉体置于电阻炉中，加热至550～650℃保温2～5小时进行除碳，然后随炉冷却至常温，研磨制成球形六方氮化硼粉体。上述的步骤3中，去离子水的用量以全部溶解硼砂、硼酸、尿素、过硫酸铵、丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺为准。上述的球形六方氮化硼粉体的粒径≤2微米。上述的步骤5中，加热炉升温和保温过程中，控制加热炉内的气压高于大气压。本专利技术的方法采用尿素替代流动氨气作为氮源，并采用二步方式分别引入氮源：第一步以湿化学方式引入；第二步以机械混合方式引入，最终实现合成球形六方氮化硼粉体的目的；在第一步中，一次氮源与硼源能够达到原子或分子级别的均匀混合，尿素是通过氢键被包覆在硼源表面的，即包覆表面改性，其主要作用是增加硼源与氮源的相容性，为后续第二步引入氮源做准备；所以在此步骤中尿素添加量不宜过量，否则会需要较多的网络剂(单体、交联剂和引发剂)才能形成凝胶，增加成本，同时也会带入很多的碳，给后续除碳带来困难；第二步中，二次氮源加入较多，能够使硼源反应充分而不残留，更重要的是尿素分解产生的高活性氨气原位与硼源发生反应生成六方氮化硼；本专利技术的方法采用低温合成条件，不形成氨气污染和腐蚀，操作简便，设备要求低，具有良好的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1中的球形六方氮化硼粉体的TEM照片图；图2为本专利技术实施例1中的球形六方氮化硼粉体的XRD图。具体实施方式本专利技术实施例中采用的硼砂和硼酸为市购分析纯试剂。本专利技术实施例中采用的尿素、丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵为市购产品。本专利技术实施例1中采用的透射电子显微镜型号为TecnalG220。本专利技术实施例1中采用的X射线衍射仪为PW3040/60。本专利技术实施例中步骤5中酸洗、水洗、醇洗和研磨的具体步骤为：将烧结粉体置于质量浓度30％的盐酸中搅拌至少5min去除钠离子，过滤后用水清洗去除盐酸，再过滤后置于乙醇中搅拌至少5min，第三次过滤并烘干去除乙醇后研磨。本专利技术实施例中前驱体凝胶的烘干时间为2～24小时。本专利技术实施例中加热炉升温和保温时，因尿素分解产生氨气会导致加热炉内气压升高，当加热炉内的气压高过或等于0.4MPa时，通过开启加热炉上的放气阀门将加热炉内气压降低。本专利技术实施例中，开启放气阀门时，放气阀门通过排气管道将气体通入盛水的密闭容器中，使放出的氨气溶于水中回收。实施例1准备硼砂和硼酸作为硼源原料，硼源原料中硼砂和硼酸的摩尔比为1:0.5；准备尿素为一次氮源，丙烯酰胺为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为引发剂；一次氮源为硼源原料总质量的10％；丙烯酰胺:N,N-亚甲基双丙烯酰胺:过硫酸铵的摩尔比为100:4:25，丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的总量占硼源原料总质量的3％；将硼砂、硼酸、尿素、丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺放入去离子水中，搅拌至全部溶解，再加入过硫酸铵继续搅拌至全部溶解，然后在60～70℃水浴保温条件下继续搅拌，直至形成硼源原料表面包覆尿素的前驱体凝胶；其中去离子水的用量以全部溶解硼砂、硼酸、尿素、过硫酸铵、丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺为准；将前驱体凝胶置于烘干箱中，在65℃条件下烘干去除水分，随炉冷却至常温，再与二次氮源尿素一起机械研磨混合均匀，制成混合粉体；其中二次氮源尿素的加入量按尿素与硼源原料的总摩尔比为5:1；将混合粉体置于加热炉中；对加热炉抽真空后通入氮气，重复一次，将空气排出；在加热炉内的气压高于大气压的条件下，将加热炉升温至700℃，保温6小时，然后随炉冷却至常温取出，再经酸洗、水洗、醇洗和研磨，获得含有残余碳的六方氮化硼粗粉体；加热炉升温和保温过程中，控制加热炉内气压高于大气压；将含有残余碳的六方氮化硼粗粉体置于电阻炉中，加热至550℃保温5小时进行除碳，然后随炉冷却至常温，研磨制成球形六方氮化硼粉体，其粒径≤1.2微米，TEM照片如图1所示，XRD衍射图如图2所示，由图可见产品没有明显的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于尿素氮源制备球形六方氮化硼粉体的方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)准备硼砂和硼酸作为硼源原料，硼源原料中硼砂和硼酸的摩尔比为1:(0.5～3)；(2)准备尿素为一次氮源，丙烯酰胺为单体，N,N‑亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为引发剂；一次氮源为硼源原料总质量的5～20％；丙烯酰胺:N,N‑亚甲基双丙烯酰胺:过硫酸铵的摩尔比为100:4:25，丙烯酰胺、N,N‑亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的总量占硼源原料总质量的3～20％；(3)将硼砂、硼酸、尿素、丙烯酰胺和N,N‑亚甲基双丙烯酰胺放入去离子水中，搅拌至全部溶解，再加入过硫酸铵继续搅拌至全部溶解，然后在60～70℃水浴保温条件下继续搅拌，直至形成硼源原料表面包覆尿素的前驱体凝胶；(4)将前驱体凝胶置于烘干箱中，在65～200℃条件下烘干去除水分，随炉冷却至常温，再与二次氮源尿素一起机械混合均匀，制成混合粉体；其中二次氮源尿素的加入量按尿素与硼源原料的总摩尔比为(5～60):1；(5)将混合粉体置于加热炉中；对加热炉抽真空后通入氮气，重复至少一次，将空气排出；在加热炉内的气压高于大气压的条件下，将加热炉升温700～900℃，保温2～6小时，然后随炉冷却至常温取出，再经过酸洗、水洗、醇洗和研磨，获得含有残余碳的六方氮化硼粗粉体；(6)将含有残余碳的六方氮化硼粗粉体置于电阻炉中，加热至550～650℃保温2～5小时进行除碳，然后随炉冷却至常温，研磨制成球形六方氮化硼粉体。...

【技术特征摘要】
1.一种基于尿素氮源制备球形六方氮化硼粉体的方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)准备硼砂和硼酸作为硼源原料，硼源原料中硼砂和硼酸的摩尔比为1:(0.5～3)；(2)准备尿素为一次氮源，丙烯酰胺为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为引发剂；一次氮源为硼源原料总质量的5～20％；丙烯酰胺:N,N-亚甲基双丙烯酰胺:过硫酸铵的摩尔比为100:4:25，丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的总量占硼源原料总质量的3～20％；(3)将硼砂、硼酸、尿素、丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺放入去离子水中，搅拌至全部溶解，再加入过硫酸铵继续搅拌至全部溶解，然后在60～70℃水浴保温条件下继续搅拌，直至形成硼源原料表面包覆尿素的前驱体凝胶；(4)将前驱体凝胶置于烘干箱中，在65～200℃条件下烘干去除水分，随炉冷却至常温，再与二次氮源尿素一起机械混合均匀，制成混合粉体；其中二次氮源尿素的加入量按尿素与硼源原料的总摩尔比为(5～60):...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宁，
申请(专利权)人：沈阳大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21