一种无定形硼粉制备装置及其制备无定形硼粉的方法制造方法及图纸

一种无定形硼粉制备装置，包括密封体、反应器(2)、自蔓延反应引发部件、充气阀(7)、放气阀(8)、导气管(9)和加热体(12)；反应器(2)用于盛放反应原料；密封体用于安放反应器(2)，使反应器中的反应原料与外界绝热且在反应过程中处于密封空间内；自蔓延反应引发部件用于引发反应原料的自蔓延反应；密封体上有两个通气孔，导气管(9)穿过所述通气孔连接密封体的内外部，充气阀(7)和放气阀(8)设置在密封体外部的导气管(9)上；加热体(12)用于加热密封体，从而使反应器(2)内的反应原料被预热。

Preparation device of amorphous boron powder and preparation method of amorphous boron powder

An amorphous boron powder preparation device, including a seal, a reactor (2), a self propagating reaction trigger unit, a inflatable valve (7), a deflation valve (8), a gas guide (9) and a heating body (12); the reactor (2) is used to hold the reaction material; the seal is used for placing the reactor (2) in the reactor and the reaction process is adiabatic and in the reaction process. In a sealed space; a self propagating reaction triggering part is used to trigger a self propagating reaction of the reaction material; there are two air blowholes on the seal, the air duct (9) connects the inner and outer parts of the seal through the vent, and the inflatable valve (7) and the vent valve (8) are set on the air conduit (9) sealed in the external part; the heating body (12) is used for heating and sealing. The reaction material in the reactor (2) is preheated.

【技术实现步骤摘要】
一种无定形硼粉制备装置及其制备无定形硼粉的方法
本专利技术涉及硼粉制备
，具体涉及到一种制备无定形硼粉的装置及利用该装置高效制备无定形硼粉的方法。
技术介绍
单质硼有晶体硼和无定形硼两种结构，无定形硼是棕色粉末，晶体硼一般呈灰黑色。晶体硼有四种结晶形态：α-菱形结晶、β-菱形结晶、α-四方结晶和β-四方结晶，α-菱形结晶密度最大，为2.45g/cm3，熔点为2180℃，3650℃升华；无定形硼的密度为2.35g/cm3，熔点为2300℃，2550℃升华。无定形硼的化学性质比晶体硼活泼，常温下，无定形硼在空气中稳定，加热到300℃时开始氧化，700℃时可燃烧，高温时可与氧、氮、碳、卤素和一些金属反应生成相应硼化物。具有粒度小、比表面积大和燃烧热高等优点，在军事、航空航天、冶金及先进材料等许多领域有重要应用。现有的硼粉制备方法主要有：1)金属钾、钠、镁、铝还原氧化硼法，2)金属钠还原三氯化硼法，3)碳还原硼砂法，4)氢气还原三氯化硼、三溴化硼法，5)乙硼烷热分解法，6)电解熔融氟硼酸钾法。目前国际上只有美国和德国等国家能够工业化生产无定形硼粉，传统的硼粉制备工艺采用镁热还原法制备硼粉，使用Mg作为还原剂，B2O3作为氧化剂，通过氧化还原反应将B2O3中的硼置换出来，得到无定形硼粉。一般该反应需要在800℃左右的高温下进行，反应式为B2O3+3Mg＝3MgO+2B-532.3kJ由于该反应会放出大量的热，故实际反应体系的温度极高，对反应设备提出了较高的耐热要求。在高温下，产物中的MgO也会和原料中过量的B2O3发生反应，生成难溶于酸的MgO·B2O3，还可能产生nMgO·B2O3、BxO和MgB2等杂质，影响硼粉纯度。镁热还原法的优点有：1、放热反应，一旦反应开始，就可以自维持进行，无需外界持续供能；2、能耗较低，对设备要求较低。一旦开始反应即可自发反应，能够有效降低生产成本，适宜工业化生产。镁热还原法的主要缺点是制备的无定形硼粉纯度较低，产品中含有大量杂质。要经过反复洗涤提纯，后处理成本较高。国内许多科研工作者研究了镁热还原自蔓延法制备硼工艺。黄菊林等研究了基于B2O3的镁热还原法制取高纯度硼粉的影响因素，并分析了原因。发现使用镁热还原法制取硼粉时，当原料中Mg与B2O3摩尔比小于3∶1(理论化学计量比)时，原料摩尔比越小，产物硼粉中镁含量就越低，但含氧量越低、硼含量也越高。张廷安等将SHS技术与传统镁热法生产硼粉相结合，优化了硼粉的制备过程，并考察了自蔓延反应初始条件对硼粉纯度的影响。发现减小Mg粒度可以加速Mg颗粒的消耗，从而避免Mg与B生成难溶化合物，有助于提高硼粉的纯度；使用平均粒径小于45μm的镁粉用于镁热还原法制备硼粉，可以得到硼含量92wt％以上、平均粒径0.5μm～0.8μm的无定形硼粉。伍继君等优化了自蔓延工艺，采用自蔓延高温合成法，用粒径低于200目的Mg粉还原B2O3粉，发现当反应体系温度为850℃、B2O3/Mg质量比为3.0时，可以制备出平均粒径为0.5μm～0.7μm的超细无定形硼粉。Bung等在镁热还原自蔓延体系中加入了氯化钠(NaCl)作为惰性稀释剂，吸收反应放热，降低自蔓延反应温度，发现可以有效降低产物硼粉的粒径；当NaCl占原料质量的29wt％左右时，可以制备出平均粒径为0.1μm～0.3μm的超细无定形硼粉。Gu等在传统镁热还原反应的基础上，加入了硼氢化钾(KBH4)作为降温剂，KBH4可以与B2O3反应生成B，该反应为吸热反应，在镁热还原体系中，加入适量KBH4有助于降低反应体系温度。调整KBH4在原料中的配比，当KBH4在反应物中的含量达到12.8wt％时，反应放热量降低30％左右，产物硼粉纯度可以提高至95％以上。且反应条件温和可控，工艺简单，对设备要求低，有利于工业化生产。镁热还原法制备硼粉是目前应用最为普遍的工业生产方法。但在使用原料、混合方式，反应方式及水洗上各生产厂家均有不同的方法。在原料配比上，通过调节氧化硼与镁粉的物质的量之比，可得到从85％-92％不同纯度的产品。当氧化硼与镁粉的物质的量之比为(1.5-1.8):1时得到的产品是85％左右的，当比例增加到2.6-3.0时，可以得到90％以上的无定形硼粉。目前大多数厂家只使用商业化的氧化硼，此方法生产出的产品杂质，大部分为硼镁化合物及复杂的硼镁氧化合物，可通过多次酸洗除去反应生成的氧化镁和硼镁化合物，再经过多次水洗，最终干燥得到硼粉。通过化学精制可以得到95％-97％的硼颗粒，经球磨粉碎后可得到粒径约1μm的无定形硼粉；该生产方法较多的处理步骤增加了排放的化工污水的量，且硼粉的收率不高，100kg原料只能得到约5～7kg无定形硼粉。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是，针对现有技术情况，提供一种通过自蔓延法制备无定形硼粉的装置，利用该装置自蔓延燃烧制备无定形硼粉方法简便、生产成本低、产品质量好、制备的硼粉纯度和产率高。根据专利技术的一个方面，提供了一种无定形硼粉制备装置，包括密封体、反应器、自蔓延反应引发部件、充气阀、放气阀、导气管和加热体；所述反应器用于盛放反应原料；所述密封体用于安放反应器，使反应器中的反应原料与外界绝热且在反应过程中处于密封空间内；因为自蔓延法制备无定形硼粉的反应放出大量的热且后续反应需要放出的大量热，且自蔓延法制备无定形硼粉的反应需要在真空或保护性气体中进行，因此，密封体用于使反应器中的反应原料处于与外界隔热的封闭空间中；所述自蔓延反应引发部件用于引发反应原料的自蔓延反应；自蔓延反应需要通过高热或燃烧点燃原料，原料燃烧反应放出的热使得邻近的原料温度升高，从而引发更多的原料发生化学反应；所述密封体上有两个通气孔，导气管穿过所述通气孔连接密封体的内外部，充气阀和放气阀分别设置在密封体外部的导气管上；所述充气阀用于控制经通气孔向密封体内通入保护性气体，所述放气阀用于控制经通气孔向密封体外排出保护性气体；自蔓延法制备无定形硼粉的反应一般在保护性气氛中进行，需要有将外部气源经导气管引入密封体中的通气孔，导气管上的的充气阀和放气阀根据需要打开阀门使气体充入、排出密封体，并根据需要关闭阀门，阻断保护性气体的流通；所述加热体用于加热密封体，从而使反应器内的反应原料被预热。进一步的，上述密封体为不锈钢罐体和罐盖组成的密封结构。进一步的，上述反应器为坩埚，坩埚材质为选自不锈钢、钨、钼、氮化硼或氮化硅中的一种；所述坩埚底部放置有金属烧结网，反应原料放置于金属烧结网上的坩埚内，以防止反应原料在坩埚底部烧结，且与充气阀连接的导气管通入金属烧结网底部，这种设置进一步保证保护性气体与反应原料的充分接触，并防止反应产物堵塞导气管。更进一步的，上述自蔓延反应引发部件为固定在上端盖内侧的钨丝和铜点火电极；铜点火电极穿过上端盖并通过聚四氟乙烯绝缘套固定；两根铜点火电极通过钨丝连接导通；当用钨丝连接两根铜点火电极并将上端盖盖合在密封不锈钢罐体上时，钨丝与反应原料接触，给铜点火电极通电，钨丝被加热，原料的自蔓延反应被引发。进一步的，上述罐盖与不锈钢罐体通过嵌在罐盖内侧圆周上的橡胶密封圈进行密封，所述不锈钢罐体上靠近与罐盖结合处安装有冷却管，以在反应过程中通过冷却水降低橡胶密封圈的温度；上述罐盖与不锈钢罐体经螺栓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无定形硼粉制备装置，其特征在于，它包括密封体、反应器(2)、自蔓延反应引发部件、充气阀(7)、放气阀(8)、导气管(9)和加热体(12)；所述反应器(2)用于盛放反应原料；所述密封体用于安放反应器(2)，使反应器中的反应原料与外界绝热且在反应过程中处于密封空间内；所述自蔓延反应引发部件用于引发反应原料的自蔓延反应；所述密封体上有两个通气孔，导气管(9)穿过所述通气孔连接密封体的内外部，充气阀(7)和放气阀(8)分别设置在密封体外部的导气管(9)上；所述充气阀(7)用于控制经通气孔向密封体内通入保护性气体，所述放气阀(8)用于控制经通气孔向密封体外排出保护性气体；所述加热体(12)用于加热密封体，从而使反应器(2)内的反应原料被预热。

【技术特征摘要】
1.一种无定形硼粉制备装置，其特征在于，它包括密封体、反应器(2)、自蔓延反应引发部件、充气阀(7)、放气阀(8)、导气管(9)和加热体(12)；所述反应器(2)用于盛放反应原料；所述密封体用于安放反应器(2)，使反应器中的反应原料与外界绝热且在反应过程中处于密封空间内；所述自蔓延反应引发部件用于引发反应原料的自蔓延反应；所述密封体上有两个通气孔，导气管(9)穿过所述通气孔连接密封体的内外部，充气阀(7)和放气阀(8)分别设置在密封体外部的导气管(9)上；所述充气阀(7)用于控制经通气孔向密封体内通入保护性气体，所述放气阀(8)用于控制经通气孔向密封体外排出保护性气体；所述加热体(12)用于加热密封体，从而使反应器(2)内的反应原料被预热。2.如权利要求1所述的无定形硼粉制备装置，其特征在于，所述密封体为不锈钢罐体(1)和上端盖(5)组成的密封结构。3.如权利要求1所述的无定形硼粉制备装置，其特征在于，所述反应器(2)为坩埚，坩埚材质为选自不锈钢、钨、钼、氮化硼或氮化硅中的一种；所述坩埚底部放置有金属烧结网(10)，反应原料放置于金属烧结网(10)上部的坩埚内，且与充气阀(7)连接的导气管(9)通入金属烧结网(10)下部。4.如权利要求2所述的无定形硼粉制备装置，其特征在于，所述自蔓延反应引发部件为固定在上端盖(5)内侧的钨丝(11)和铜点火电极(6)；铜点火电极(6)通过穿过上端盖(5)并经聚四氟乙烯绝缘套固定；两根铜点火电极(6)通过钨丝(11)连接导通；当钨丝(11)连接两根铜点火电极(6)并将上端盖(5)盖合在密封不锈钢罐体(1)上时，钨丝(11)与反应原料接触，给铜点火电极(6)通电，钨丝(11)发热引发自蔓延反应。5.如权利要求2所述的无定形硼粉制备装置，其特征在于，所述上端盖(5)与不锈钢罐体(1)通过嵌在上端盖(5)内侧圆周上的橡胶密封圈(4)进行密封，所述不锈钢罐体(1)上靠近与上端盖(5)结合处安装有冷却管(3)，在反应过程中通冷却水以降低橡胶密封圈(4)的温度；所述上端盖(5)与不锈钢罐体(1)经螺栓和法兰拧紧；所述加热体(12)为电阻炉，所述电阻炉上设有与所述不锈钢罐体(1)底部匹配的凹槽，以将所述不锈钢罐体(1)置于电阻炉的凹槽内，实现更好的加热效果。6.一种制备无定形硼粉的方法，其特征在于，它利用如权利要求3-5中任一权利要求所述的制备装置，包括以下步骤：a.将混合均匀的反应原料放入坩埚(2)中，振实，将坩埚(2)放入不锈钢罐体(1)中，然后将上端盖(5)的铜点火电极(6)连接钨丝(11)，盖好上端盖(5)使钨丝(11)与反应原料接触，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：周星，张炜，鲍桐，邓蕾，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43