阅读说明：本技术 超细无定形硼粉的制备方法 (Preparation method of superfine amorphous boron powder ) 是由 喇培清 董晨晨 朱敏 郑月红 占发琦 石玉 毛宇奇 刘海斌 王娇 安宁 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明属于硼粉制备技术领域。为了获得高纯度、低粒径的超细无定形硼粉,本发明公开了一种超细无定形硼粉的制备方法。该超细无定形硼粉的制备方法,具体包括以下步骤：步骤S1,秤取反应原料；按质量百分比计,反应原料包括Mg粉末40～48％、B<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>粉末35～42％、稀释剂粉末10～24％；步骤S2,对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理,获得圆饼状坯体；步骤S3,进行镁热反应,制备获得含有硼粉的块状物。步骤S4,采用酸洗-水洗的浸洗工艺,对获得含有硼粉的块状物进行杂质去除,得到高纯度、低粒径的超细无定形硼粉。采用本发明的方法不仅可以高纯度、低粒径的超细无定形硼粉,而且可以降低制造成本,提高生产效率。(The invention belongs to the technical field of boron powder preparation. The invention discloses a preparation method of superfine amorphous boron powder in order to obtain the superfine amorphous boron powder with high purity and low particle size. The preparation method of the superfine amorphous boron powder specifically comprises the following steps: step S1, weighing reaction raw materials; according to mass percentage, the reaction raw materials comprise 40-48% of Mg powder and B 2 O 3 35-42% of powder and 10-24% of diluent powder; step S2, mixing the reaction raw materials, and pressurizing the mixed reaction raw materials to obtain a round cake-shaped blank; and step S3, performing magnesium thermal reaction to prepare and obtain a block containing boron powder. And step S4, removing impurities from the obtained block containing the boron powder by adopting an acid washing-water washing immersion washing process to obtain the superfine amorphous boron powder with high purity and low particle size. The method of the invention not only can be used for preparing the superfine amorphous boron powder with high purity and low particle size, but also can reduce the manufacturing cost and improve the production efficiency.)

超细无定形硼粉的制备方法

技术领域

本发明属于硼粉制备技术领域，具体涉及一种超细无定形硼粉的制备方法。

背景技术

无定形硼粉具有比表面积大,燃烧热值高以及携带方便等优点而用途广泛，主要用于冶金新材料合成及航空、航天军事领域的富硼燃料，也有做安全气囊的引发剂。

目前，制备无定形硼粉的方法包括熔盐电解、乙硼烷裂解、卤化硼氢还原和金属热还原等方法。其中，由于熔盐电解受到电流效率低、工作环境恶劣及非连续化生产的制约而无法得到进一步的发展推广。乙硼烷裂解和卤化硼氢还原虽然可以获得高纯硼粉，但是高要求的操作环境和严重的污染制约了该方法的大范围推广和应用。自蔓延冶金法可以制备获得硼含量达到92.43％的硼粉，但是其平均粒径达不到美国SB Boron95对硼粉的要求，SBBoron95要求硼粉的平均粒径为0.8～1.0μm。

发明内容

为了获得高纯度、低粒径的超细无定形硼粉，本发明提出了一种超细无定形硼粉的制备方法。该超细无定形硼粉的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，秤取反应原料；按质量百分比计，反应原料包括Mg粉末40～48％、B₂O₃粉末35～42％、稀释剂粉末10～24％，其中稀释剂粉末选用KCl、MgCl₂和NaCl中的任意一种；

步骤S2，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状坯体；

步骤S3，首先将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置引燃剂；其次向反应釜内充入0.5MPa氩气，待反应釜内温度加热至110℃～130℃时，将反应釜内的气体排放至压力为0后停止气体排放，待反应釜内温度再次加热至170℃～190℃时，将反应釜内的气体完全排出，并保温0.5h；然后再次向反应釜内充入氩气，使反应釜内压强上升至1Mpa～3Mpa；待反应釜内温度升至250℃～270℃时，在反应釜内发生镁热反应；最后待镁热反应完成并冷却至室温后，获得含有硼粉的块状物。

步骤S4，采用酸洗-水洗的浸洗工艺，对获得含有硼粉的块状物进行杂质去除，得到高纯度、低粒径的超细无定形硼粉。

优选的，在所述步骤S1中，按质量百分比计，反应原料包括Mg粉末43～47％、B₂O₃粉末37～40％、KCl粉末13～20％。

优选的，在所述步骤S1中，按质量百分比计，反应原料包括Mg粉末40～45％、B₂O₃粉末35～40％、MgCl2粉末16～24％。

优选的，在所述步骤S1中，按质量百分比计，反应原料包括Mg粉末44～48％、B₂O₃粉末38～42％、NaCl粉末10～16％。

优选的，在所述步骤4中，首先，将反应得到的含有硼粉的块状物用粉碎机粉碎，获得含有硼粉的粉体；接着，采用12mol/L的盐酸作为浸洗剂，进行酸洗处理；然后，对酸洗产物进行水洗至呈中性，并用离心机离心出目标产物；最后，在100℃下的真空干燥箱内对离心出的目标产物进行12h干燥处理，获得最终的高纯度、低粒径的超细无定形硼粉。

进一步优选的，在酸洗处理过程中，利用PH指示计检测浸洗后的溶液，以判断是否酸洗完全；其中，若PH指示计显示为中性或碱性，则继续加入浸洗剂；若PH指示计显示为酸性，则停止浸洗剂的加入。

进一步优选的，在酸洗处理过程中，保持在搪瓷反应釜中进行并且持续开启搅拌器。

优选的，在所述步骤S2中，采用15MPa～45MPa的压力对反应原料进行坯体压制。

本发明具有以下有益效果：

1、采用本发明的方法，通过选用成本低廉的镁粉末、三氧化二硼粉末和稀释剂粉末组成混合粉末，并采用低成本、低能耗的镁热反应制备获得含硼粉的块状物，再经过对含硼粉的块状物依次进行酸洗、水洗、离心和干燥处理后即可获得高纯度、低粒径的超细无定形硼粉。这样，不仅达到了低成本、低能耗制备获得无定形硼粉的目的，降低了制备超细无定形硼粉的成本，提高了制备超细无定形硼粉的效率，而且获得了高纯度、低粒径的超细无定形硼粉，满足其在冶金新材料、航空、航天军事领域的推广应用。

2、在本发明的方法中，根据不同情况，稀释剂粉末可以选择KCl、MgCl₂和NaCl中的任意一种，并且根据稀释剂选用种类的不同，通过匹配相应质量百分比的Mg粉末和B₂O₃粉末，即可保证最终获得超细无定形硼粉，从而实现由不同混合组分制备获得超细无定形硼粉的效果，满足不同工况下采用本发明方法进行超细无定形硼粉低成本、高效率的制备，提高该无定形硼粉制备方法的效率。

附图说明

图1为实施例1中制备高纯度、低粒径的超细无定形硼粉的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

实施例1

结合图1所示，制备高纯度、低粒径的超细无定形硼粉的具体过程如下：

步骤S1，秤取反应原料。按质量百分比计，反应原料包括Mg粉末41.65％、B₂O₃粉末36.15％、稀释剂粉末22.20％，其中稀释剂粉末选用KCl粉末。此外要求，Mg粉末达到工业纯95％以上，B₂O₃粉末达到分析纯95％以上以及KCl粉末达到分析纯99.5％以上。

步骤S2，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状坯体。

在本实施例中，首先借助QM-1SP4行星式球磨机对反应原料进行混合处理。其中，将球磨机的转速设定为150r/min，将球料比设定为2：1，进行8～12h的混合，并且每隔2h改变球磨机的转向，保证反应原料的均匀混合。然后将混合均匀的反应物料放置在Y32-100t液压机上，并且在45MPa的压力作用下，在模具中将反应原料压制成直径为80mm、高度约15～20mm圆饼状坯体。

步骤S3，进行镁热反应制备获得含有硼粉的块状物。

首先，将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置2g的薄片状引燃剂。其次，向反应釜内充入0.5MPa氩气，待反应釜内温度加热至120℃时，将反应釜内的气体排放至压力为0后停止气体排放，待反应釜内温度再次加热至180℃时，再将反应釜内的气体完全排出，并保温0.5h。然后，再次向反应釜内充入氩气，使反应釜内压强上升至2Mpa，当待反应釜内温度升至260℃时，引燃剂被点燃，反应物料与引燃剂接触瞬间也达到燃烧温度，此时镁热反应发生，从压力、温度监控系统可以看出炉内温度急剧上升，在几分钟内上升几十度甚至几百度，炉内压力也会激增，增长一倍甚至数倍。最后，待反应釜内的镁热反应完成并冷却至室温后，即可获得含有硼粉的块状物。

步骤S4，采用酸洗-水洗的浸洗工艺，对获得含有硼粉的块状物进行杂质去除，获得编号为A1的无定形硼粉。

首先，将镁热反应得到的含有硼粉的块状物用粉碎机粉碎，获得含有硼粉的粉体。接着，采用12mol/L的盐酸作为浸洗剂，进行酸洗处理。然后，对酸洗产物进行水洗至呈中性，并用离心机离心出目标产物。最后，在100℃下的真空干燥箱内对离心出的目标产物进行12h干燥处理，获得编号为A1的无定形硼粉。

其中，在酸洗处理过程中，利用PH指示计检测浸洗后的溶液，以判断是否酸洗完全。若PH指示计显示为中性或碱性，则继续加入浸洗剂，以保证完成酸洗反应；若PH指示计显示为酸性，则停止浸洗剂的加入完成酸洗反应，并且此时可以对剩余酸进行回收利用，提高利用效率，降低成本。

此外，由于对含有硼粉的块状物进行浸洗时，会出现剧烈反应并且反应物料的使用量比较大，所以需要将整个浸洗过程都置于搪瓷反应釜中进行，同时保持整个浸洗过程中开启搅拌器，使浸洗剂与含有硼粉的粉体充分接触和反应，提高酸洗质量和效率。

实施例2

采用与实施例1相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为38.78％，B₂O₃粉末质量百分比为33.66％，KCl粉末27.56％，获得标记为A2的无定形硼粉。

实施例3

采用与实施例1相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为36.28％，B₂O₃粉末质量百分比为31.49％，KCl粉末32.23％，获得标记为A3的无定形硼粉。

实施例4

采用与实施例1相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，稀释剂选用MgCl₂粉末，并且制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为44.97％，B₂O₃粉末质量百分比为39.02％，MgCl₂粉末16.01％，获得标记为B1的无定形硼粉。

实施例5

采用与实施例4相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为42.69％，B₂O₃粉末质量百分比为37.05％，MgCl₂粉末20.26％，获得标记为B2的无定形硼粉。

实施例6

采用与实施例4相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为40.63％，B₂O₃粉末质量百分比为35.26％，MgCl₂粉末24.11％，获得标记为B3的无定形硼粉。

实施例7

采用与实施例1相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，稀释剂选用NaCl粉末，并且制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为47.93％，B₂O₃粉末质量百分比为41.60％，NaCl粉末10.47％，获得标记为C1的无定形硼粉。

实施例8

采用与实施例7相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为46.31％，B₂O₃粉末质量百分比为40.19％，NaCl粉末13.50％，获得标记为C2的无定形硼粉。

实施例9

采用与实施例7相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为44.80％，B₂O₃粉末质量百分比为38.88％，NaCl粉末16.32％，获得标记为C3的无定形硼粉。

对比例1

采用与实施例1相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为51.00％，B₂O₃粉末质量百分比为44.26％，KCl粉末4.74％，获得标记为A4的无定形硼粉。

对比例2

采用与实施例1相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为48.69％，B₂O₃粉末质量百分比为42.26％，KCl粉末9.05％，获得标记为A5的无定形硼粉。

对比例3

采用与实施例4相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为51.00％，B₂O₃粉末质量百分比为44.26％，MgCl₂粉末4.74％，获得标记为B4的无定形硼粉。

对比例4

采用与实施例4相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为48.69％，B₂O₃粉末质量百分比为42.26％，MgCl₂粉末9.05％，获得标记为B5的无定形硼粉。

对比例5

采用与实施例7相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为48.69％，B₂O₃粉末质量百分比为42.26％，KCl粉末4.74％，获得标记为C4的无定形硼粉。

对比例6

采用与实施例7相同的方法进行无定形硼粉的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备无定形硼粉的混合粉末中Mg粉末质量百分比为48.69％，B₂O₃粉末质量百分比为42.26％，KCl粉末9.05％，获得标记为C5的无定形硼粉。

接下来，在室温环境中，对实施例1至实施例9以及对比例1至对比例6中获得无定形硼粉分别进行纯度和平均粒度检测，获得如表1所示数据。

表1

根据表1所示，相较于对比例1和对比例2，采用实施例1至实施例3中由Mg粉末、B₂O₃粉末和KCl粉末组成的混合粉末进行镁热反应制备无定形硼粉，并且将Mg粉末质量百分比控制在36％～42％，将B₂O₃粉末质量百分比控制为31％～36％，将KCl粉末质量百分比控制在22％～32％，可以获得纯度在93％以上且粒度在0.73～0.96μm的高纯度、低粒径的超细无定形硼粉，其中采用实施例3中的混合粉末进行镁热反应可以制备获得粒度达到0.73μm的超细无定形硼粉。

根据表1所示，相较于对比例3和对比例4，采用实施例4至实施例6中由Mg粉末、B₂O₃粉末和MgCl₂粉末组成的混合粉末进行镁热反应制备无定形硼粉，并且将Mg粉末质量百分比控制在40％～45％，将B₂O₃粉末质量百分比控制为35％～39％，将MgCl₂粉末质量百分比控制在16％～24％，可以获得纯度在92.86％～94％之间且粒度在0.69～0.83μm的高纯度、低粒径的超细无定形硼粉，其中采用实施例6中的混合粉末进行镁热反应可以制备获得粒度低至0.69μm的超细无定形硼粉。

根据表1所示，相较于对比例5和对比例6，采用实施例7至实施例9中由Mg粉末、B₂O₃粉末和NaCl粉末组成的混合粉末进行镁热反应制备无定形硼粉，并且将Mg粉末质量百分比控制在45％～48％，将B₂O₃粉末质量百分比控制为39％～42％，将NaCl粉末质量百分比控制在10％～16％，可以获得纯度在92.90％～94.36％之间且粒度在0.72～1.03μm的高纯度、低粒径的超细无定形硼粉，并且采用实施例9中的混合粉末进行镁热反应可以制备获得粒度低至0.72μm的超细无定形硼粉。