一种利用菱镁矿制备硼酸镁晶须的方法
阅读说明：本技术 一种利用菱镁矿制备硼酸镁晶须的方法 (Method for preparing magnesium borate whisker by using magnesite ) 是由 刘朝阳 于景坤 王佳康 袁磊 马北越 颜正国 于 2021-01-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一利用菱镁矿制备硼酸镁晶须的方法,将轻烧菱镁矿得到的氧化镁与硼酸及熔盐在水介质中进行高速球磨,在去除菱镁矿母盐假象的同时,达到氧化镁水化及原料混合均匀的目的。随后将得到的料浆干燥处理,利用两段升温法将干料浆在电阻炉中进行氢氧化镁分解及硼酸镁晶须的生成反应,随后将反应物进行洗涤和干燥即可得到硼酸镁晶须。过程主要包括配料、球磨、煅烧及干燥等步骤。本发明大幅缩短了工艺流程,提高了资源利用率及生产的经济效益。利用该工艺生产的硼酸镁晶须产品,具有尺寸均匀、长径比高等特点,可望作为增强材料用于铝/镁合金、陶瓷及橡胶等行业。(The invention provides a method for preparing magnesium borate whisker by magnesite, which is characterized in that magnesium oxide obtained by burning magnesite lightly, boric acid and molten salt are subjected to high-speed ball milling in an aqueous medium, so that the aims of magnesium oxide hydration and uniform raw material mixing are achieved while the magnesite mother salt artifact is removed. And then drying the obtained slurry, performing magnesium hydroxide decomposition and magnesium borate whisker generation reaction on the dry slurry in a resistance furnace by using a two-stage heating method, and then washing and drying reactants to obtain the magnesium borate whisker. The process mainly comprises the steps of material preparation, ball milling, calcination, drying and the like. The invention greatly shortens the process flow and improves the resource utilization rate and the economic benefit of production. The magnesium borate whisker product produced by the process has the characteristics of uniform size, high length-diameter ratio and the like, and is expected to be used as a reinforcing material in industries such as aluminum/magnesium alloy, ceramics, rubber and the like.)
技术领域
本发明涉及晶须材料制备领域，具体涉及一种利用菱镁矿制备硼酸镁晶须的方法。
背景技术
中国是世界上菱镁矿资源最丰富的国家，总查明矿石量36.42亿吨，总保有储量矿石18亿吨，居世界第1位。目前菱镁矿大都通过烧结法和电熔法制成镁砂,再以镁砂为主要原料制备成相关镁质耐火材料，例如镁砖、镁碳砖及镁铝碳砖等。据测算，每年在钢铁、建材等领域广泛使用镁质耐火材料及相关产品消耗超过2000万吨菱镁矿，占到菱镁矿资源利用率的90％左右。由此可见，现今菱镁矿的利用途径较为单一。另外，利用菱镁矿生产镁质耐火材料的技术含量少、附加值低，且对环境污染较为严重。菱镁矿资源是一种重要的不可再生自然资源，也是国家经济社会发展的重要物质基础和生态环境的构成要素。利用丰富的菱镁矿资源制备高性能、高附加值功能材料正成为当务之急。
硼酸镁晶须(Mg2B2O5)作为一种新型的晶须材料，具有良好的耐热、耐磨、增强作用显著以及价格低廉(约为SiC晶须的1/20)等特点，在汽车、塑料、陶瓷及复合材料等领域具有广泛应用。
目前制备硼酸镁晶须大多使用无机镁盐(如氯化镁、硫酸镁和硝酸镁)作为镁源，将其与硼酸或硼砂混合均匀，在加入或不加碱液及助溶剂条件下进行高温煅烧得到硼酸镁晶须。而使用无机镁盐作为镁源成本较高，易对资源造成浪费，且易产生HCl挥发性气体或硫酸盐、硝酸盐等副产物，造成环境污染，而增加HCl回收装置则势必要提高生产成本。另外，直接使用氧化镁作为镁源则会由于其活性较低，易导致硼酸镁晶须的合成温度高，晶须尺寸不均匀等缺点，导致能耗提高，成品质量降低。
目前，关于利用菱镁矿作为镁源，利用轻烧-球磨水化及两段煅烧工艺来制备硼酸镁晶须的研究或应用尚未见诸相关报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种利用菱镁矿制备硼酸镁晶须的方法，以菱镁矿为原料，采用球磨水化法与两段煅烧法相结合，可制备出纯度高、结晶性好、尺寸均匀且长径比大于50的硼酸镁晶须材料。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种利用菱镁矿制备硼酸镁晶须的方法，以菱镁矿作为镁源，经熔盐法制备硼酸镁晶须，包括以下步骤：
(1)将菱镁矿置于电阻炉中煅烧得到氧化镁；
(2)将步骤(1)的氧化镁与硼酸及助溶剂按比例加入去离子水中得到料浆；
(3)将步骤(2)的料浆加入球磨罐中并进行高速球磨；
(4)将步骤(3)球磨后料浆置于干燥箱中进行干燥；
(5)将步骤(4)的干燥产物置于电阻炉中进行煅烧；
(6)将步骤(5)的煅烧产物用去离子水洗涤、干燥，得到硼酸镁晶须。
进一步地，所述步骤(1)菱镁矿的煅烧温度为650℃～950℃，煅烧时间为1h～4h。
进一步地，所述步骤(1)菱镁矿的煅烧升温速率为1℃/min～10℃/min。
进一步地，所述步骤(2)中助溶剂为氯化钠、氯化钾中的一种或两种。
进一步地，所述步骤(2)中所述氧化镁与硼酸的摩尔比为1:1～1:5。
进一步地，所述步骤(2)中所述氧化镁和所述硼酸的混合物与所述助溶剂的摩尔比为2:1～1:2；
进一步地，所述步骤(2)中所述去氧化镁与所述离子水的摩尔比为1:20～1:300。
进一步地，所述步骤(3)中所述高速球磨转速为300转/min～800转/min，球磨时间为1h～48h。
进一步地，所述步骤(5)中所述电阻炉以1℃/min～10℃/min的升温速率升温至450℃～650℃，随后在此温度保温0.5h～5h，随后继续以1℃/min～10℃/min的升温速率升温至750℃～1150℃，在此温度保温1h～5h；随后以1℃/min～10℃/min的降温速率降温至500℃/min～800℃/min，随即随炉冷却。
优选地，一种利用菱镁矿制备硼酸镁晶须的方法，以菱镁矿作为镁源，经熔盐法制备硼酸镁晶须，包括以下步骤：
(1)将菱镁矿置于700℃的电阻炉中煅烧1h，得到氧化镁；
(2)将步骤(1)的氧化镁与硼酸、氯化钠、氯化钾加入去离子水中得到料浆；按摩尔比计算比例如下：所述氧化镁：所述硼酸：所述氯化钠：所述氯化钾：所述去离子水＝1:2:1:1:200
(3)将步骤(2)的料浆加入球磨罐中并进行高速球磨高速球磨，转速为500转/min，球磨时间为10h。
(4)将步骤(3)球磨后料浆置于干燥箱中进行干燥。
(5)将步骤(4)的干燥产物置于电阻炉中进行煅烧，电阻炉以5℃/min的升温速率升温至500℃并保温1h，随后继续以4℃/min的升温速率升温至800℃，在此温度保温2h，随后以4℃/min的降温速率降温至600℃，随即随炉冷却。
(6)将步骤(5)煅烧得到的产物经去离子水和无水乙醇进行洗涤，干燥后即可得到硼酸镁晶须材料。
本发明的基本思路是首先利用低温煅烧菱镁矿得到轻烧氧化镁，然后使其与硼酸、助溶剂混合，并加入去离子水进行高速球磨，在球磨过程中完成轻烧氧化镁的细化、水化及物料混合均匀的目的。随后将干料浆置于电阻炉中，利用两段升温法完成氢氧化镁的分解以及硼酸镁晶须的合成。本发明涉及的化学反应包括：
菱镁矿分解：MgCO3→MgO+CO2
氧化镁水化:MgO+H2O→Mg(OH)2
氢氧化镁分解:Mg(OH)2→MgO+H2O
硼酸分解:2H3BO3→B2O3+3H2O
硼酸镁合成:B2O3+MgO→Mg2B2O5
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明原料廉价易得、工艺简单、流程较短、产品附加值高、易于工业推广。利用本发明制得的硼酸镁晶须结晶好、形貌均匀，渴望作为增强材料用于铝/镁合金、陶瓷及橡胶等行业。类似工作国内外尚未见有报道。
(2)本发明将轻烧菱镁矿得到的氧化镁与硼酸及熔盐在水介质中进行高速球磨，在去除菱镁矿母盐假象的同时，达到氧化镁水化及原料混合均匀的目的。随后将得到的料浆干燥处理，利用两段升温法将干料浆在电阻炉中进行氢氧化镁分解及硼酸镁晶须的生成反应，随后将反应物进行洗涤和干燥即可得到硼酸镁晶须。过程主要包括配料、球磨、煅烧及干燥等步骤。以菱镁矿为原料，采用球磨水化法与两段煅烧法相结合，可制备出纯度高、结晶性好、尺寸均匀且长径比大于50的硼酸镁晶须材料。由于采用中国极为丰富的菱镁矿作为镁源，生产成本低廉，同时利用球磨法将菱镁矿轻烧粉细化、水化及混料整合为一体，利用两段升温法将氢氧化镁分解成高活性氧化镁及硼酸镁晶须的反应整合为一体，大幅缩短了工艺流程，提高了资源利用率及生产的经济效益。利用该工艺生产的硼酸镁晶须产品，具有尺寸均匀、长径比高等特点，可望作为增强材料用于铝/镁合金、陶瓷及橡胶等行业。
附图说明
图1为本发明方法制备的硼酸镁晶须的X射线衍射图谱。
图2为本发明方法制备的硼酸镁晶须的扫描电镜照片。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
取菱镁矿4.22g，利用电阻炉对其进行煅烧处理，以5oC/min的升温速率升温至700oC并保温1h，随后随炉降温。在煅烧后的菱镁矿中加入6.18g硼酸、2.92g氯化钠、3.73g氯化钾以及180g去离子水。将玛瑙球置于该浆液中并利用球磨机进行高速球磨，球磨转速为500转/min，球磨时间为10h。球磨结束后将浆液置于干燥箱中进行干燥。随后将干料浆置于电阻炉中进行煅烧，温度制度如下：以5℃/min的升温速率升温至500℃并保温1h，随后继续以4℃/min的升温速率升温至800oC，保温2h，随后以4℃/min的降温速率降温至600℃，随即随炉冷却。将冷却后的产物利用去离子水和无水乙醇进行洗涤，干燥后即可得到硼酸镁晶须材料。附图1和附图2分别显示了所得硼酸镁晶须的X射线衍射图谱(附图1)和扫描电镜照片(附图2)。
上述结果表明，以菱镁矿为原料，采用球磨水化法与两段煅烧法相结合，可制备出纯度高、结晶性好、尺寸均匀且长径比大于50的硼酸镁晶须材料。
实施例2
取菱镁矿4.22g，利用电阻炉对其进行煅烧处理，以1℃/min的升温速率升温至650℃并保温2h，随后随炉降温。在煅烧后的菱镁矿中加入3.09g硼酸、2.92g氯化钠以及18g去离子水。将玛瑙球置于该浆液中并利用球磨机进行高速球磨，球磨转速为800转/min，球磨时间为48h。球磨结束后将浆液置于干燥箱中进行干燥。随后将干料浆置于电阻炉中进行煅烧，温度制度如下：以10℃/min的升温速率升温至650℃并保温5h，随后继续以10℃/min的升温速率升温至1150℃，保温1h，随后以1℃/min的降温速率降温至800℃/min，随即随炉冷却。将冷却后的产物利用去离子水和无水乙醇进行洗涤，干燥后即可得到硼酸镁晶须材料。
实施例3
取菱镁矿4.22g，利用电阻炉对其进行煅烧处理，以10℃/min的升温速率升温至950℃并保温4h，随后随炉降温。在煅烧后的菱镁矿中加入15.5g硼酸、44.7g氯化钾以及270g去离子水。将玛瑙球置于该浆液中并利用球磨机进行高速球磨，球磨转速为300转/min，球磨时间为1h。球磨结束后将浆液置于干燥箱中进行干燥。随后将干料浆置于电阻炉中进行煅烧，温度制度如下：以1℃/min的升温速率升温至450℃并保温0.5h，随后继续以1℃/min的升温速率升温至750℃，保温5h，随后以10℃/min的降温速率降温至500℃/min，随即随炉冷却。将冷却后的产物利用去离子水和无水乙醇进行洗涤，干燥后即可得到硼酸镁晶须材料。
以上实施例对本发明的产品及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体例对本发明的主要步骤及实施方式进行了阐述，上述实施例只是帮助理解本发明的方法及核心原理。对于本领域的技术人员，依据本发明的核心原理，在具体实施中会对各条件和参数根据需要而变动，综上所述，本说明书不应理解为对本发明的限制。
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