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      硼砂與尿素合成六方氮化硼的機(jī)理

      2016-08-16 06:52:29孫苒荻朱高遠(yuǎn)張紅玲張炳燭徐紅彬
      化學(xué)研究 2016年4期
      關(guān)鍵詞:氮化硼混料硼砂

      趙 凱,孫苒荻,朱高遠(yuǎn),張紅玲,張炳燭,徐紅彬,張 懿

      (1.河北科技大學(xué) 化學(xué)與制藥工程學(xué)院,河北 石家莊 050018;2.中國科學(xué)院過程工程研究所 濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;3.中國科學(xué)院 綠色過程與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

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      硼砂與尿素合成六方氮化硼的機(jī)理

      趙凱1,2,3,孫苒荻2,3*,朱高遠(yuǎn)2,3,張紅玲2,3,張炳燭1*,徐紅彬2,3,張懿2,3

      (1.河北科技大學(xué) 化學(xué)與制藥工程學(xué)院,河北 石家莊 050018;2.中國科學(xué)院過程工程研究所 濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;3.中國科學(xué)院 綠色過程與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

      研究了N2氣氛下硼砂與尿素反應(yīng)生成六方氮化硼以及主要副產(chǎn)物產(chǎn)生和變化的過程,采用熱重-差示掃描量熱法(TG-DSC)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)等檢測手段對反應(yīng)產(chǎn)物和氮化硼樣品進(jìn)行了分析. 研究結(jié)果表明,氮化硼在700 ℃左右完全生成,隨焙燒溫度的提高其結(jié)晶度不斷提高. 反應(yīng)副產(chǎn)物偏硼酸鈉的生成是導(dǎo)致氮化硼產(chǎn)率較低的主要原因,在高溫焙燒過程中偏硼酸鈉的存在有利于六方氮化硼的結(jié)晶過程. 研究結(jié)果可為硼砂-尿素法六方氮化硼制備工藝的優(yōu)化和改進(jìn)提供理論基礎(chǔ).

      六方氮化硼;過程;偏硼酸鈉;結(jié)晶

      六方氮化硼具有耐高溫、耐腐蝕、潤滑、絕緣、透波等優(yōu)異物化特性[1-4],是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦凸δ芴沾刹牧希谝苯?、潤滑劑、電子、航空航天、儲氫材料等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用[5-8]. 氮化硼的制備工藝有多種[9-10],在發(fā)展過程中逐漸形成了硼砂-尿素法、硼砂-氯化銨法、硼砂-三聚氰胺法等傳統(tǒng)高溫方法[11-14],以及化學(xué)氣相沉積法、高頻等離子法、先驅(qū)體法、模板法等新型制備工藝[15-17]. 雖然新型合成方法制備的氮化硼結(jié)晶性好、純度高,但因其對設(shè)備要求較高,而且原料價(jià)格昂貴、有一定毒性,所以無法形成規(guī)?;a(chǎn). 目前國內(nèi)市場的氮化硼粉體主要由傳統(tǒng)高溫工藝制備[11].

      傳統(tǒng)高溫法存在的主要問題是氮化硼產(chǎn)率較低(不足50%),前期研究者主要對工藝進(jìn)行了探索和改進(jìn),對于氮化硼的生成過程研究甚少,沒有明確氮化硼產(chǎn)率較低的根本原因[18]. 硼砂-尿素法中,原料尿素價(jià)格便宜,容易提純,是工業(yè)應(yīng)用較為廣泛的方法. 研究者[11,13]普遍認(rèn)為硼砂與尿素的反應(yīng)方程如下:

      但通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),硼砂與尿素混合焙燒物中并沒有產(chǎn)生氧化鈉,而是其他形式的鈉鹽. 本文作者以傳統(tǒng)高溫法之一的硼砂-尿素法為研究對象,探究氮化硼及主要副產(chǎn)物的產(chǎn)生、變化過程,闡明本方法氮化硼產(chǎn)率低的主要原因,為現(xiàn)有工藝的改進(jìn)提供理論基礎(chǔ).

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1試劑與儀器

      無水硼砂(純度≥99%,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所),尿素(純度≥97%,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),偏硼酸鈉(純度≥99%,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),氮?dú)?純度為99.5%,北京千禧氣體).

      管式電阻爐(上海意豐電爐),Q600型同步TGA-DSC熱分析儀(TG-DSC,美國TA儀器公司),Empyrean型X射線衍射儀(XRD,荷蘭帕納科公司),JSM-7001F型掃描電子顯微鏡(SEM,日本電子株式會社).

      1.2實(shí)驗(yàn)方法

      通過硼砂-尿素法在氮?dú)庀潞铣闪降鸬墓に噧?yōu)化得到最佳制備條件,其中硼砂與尿素物質(zhì)的量比1∶4,焙燒溫度1 300 ℃,保溫時(shí)間2~4 h. 故在對其反應(yīng)過程研究中采用硼砂與尿素物質(zhì)的量比1∶4,最高焙燒溫度1 300 ℃.

      1) 將物質(zhì)的量比1∶4的硼砂與尿素的混料進(jìn)行TG分析,劃分樣品失重溫度區(qū)間. 然后將硼砂與尿素混料利用管式爐在氮?dú)鈼l件下以5 ℃·min-1升溫速率加熱至不同溫度并保溫3 h,冷卻得到焙燒樣品,將焙燒樣品研磨、洗滌、干燥得到氮化硼樣品,計(jì)算氮化硼的產(chǎn)率.

      2) 利用XRD對不同溫度下的焙燒樣品和氮化硼樣品進(jìn)行物相和結(jié)晶性分析,觀察焙燒樣品物相及氮化硼樣品隨焙燒溫度的變化;通過SEM觀察氮化硼樣品的形貌隨焙燒溫度的變化過程;利用堿熔、酸堿滴定的方法測定氮化硼樣品的純度.

      2 結(jié)果與討論

      2.1偏硼酸鈉的產(chǎn)生及變化過程

      圖1為物質(zhì)的量比1∶4的硼砂與尿素混料25~1 300 ℃并在1 300 ℃保溫10 min的TG曲線. 由圖可知,硼砂與尿素在焙燒過程中可分為4個(gè)失重階段,135~205 ℃、205~380 ℃、380~700 ℃和1 100 ℃以上. 據(jù)文獻(xiàn)可知,尿素加熱分解主要的失重階段為室溫~190 ℃、190~250 ℃和250~360 ℃,360 ℃時(shí)質(zhì)量損失超過95%[19],由于尿素是過量的因此可推斷TG曲線中380 ℃之前的失重主要是尿素的分解變化.

      圖1 硼砂與尿素混料的TG曲線Fig.1 TG curve of borax and urea mixture

      圖2為硼砂與尿素混料分別在450 ℃、500 ℃焙燒樣品的XRD圖. 由圖可見,500 ℃焙燒混料檢測到有偏硼酸鈉特征峰的出現(xiàn),而450 ℃焙燒樣品沒有. 但是,硼砂單獨(dú)在500 ℃焙燒時(shí),沒有發(fā)生化學(xué)變化,如圖3所示. 因此可推斷偏硼酸鈉為硼砂和尿素作用的產(chǎn)物,其生成溫度在450~500 ℃之間. 另外,焙燒過程中還產(chǎn)生了少量的異氰酸鈉,是尿素的分解物異氰酸與硼砂作用的產(chǎn)物.

      圖2 硼砂與尿素混料450 ℃和500 ℃焙燒樣品的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of borax-urea mixture roasted at 450 ℃ and 500 ℃

      圖3 硼砂單獨(dú)500 ℃焙燒的XRD譜圖Fig.3 XRD pattern of borax roasted at 500 ℃

      圖4和圖5分別為硼砂與尿素混料600~900 ℃和900~1 300 ℃焙燒樣品的XRD圖. 由圖可見,隨焙燒溫度的提高,樣品中硼砂的特征峰逐漸減弱,在700~800 ℃消失,根據(jù)TG曲線(圖1)硼砂與尿素混料在700~1 100 ℃基本上無失重,可知700~800 ℃硼砂和尿素生成氮化硼的反應(yīng)基本結(jié)束;偏硼酸鈉的衍射峰在700~800 ℃達(dá)到最強(qiáng),并在1 100 ℃之前穩(wěn)定存在;1 200 ℃焙燒樣品的XRD譜圖中偏硼酸鈉的衍射峰強(qiáng)度明顯減弱,1 300 ℃焙燒樣品中觀察不到偏硼酸鈉的特征峰.

      美國心理學(xué)家和行為科學(xué)家斯金納等人提出了強(qiáng)化理論。強(qiáng)化理論是以學(xué)習(xí)的強(qiáng)化原則為基礎(chǔ)的關(guān)于理解和修正人的行為的一種學(xué)說。強(qiáng)化可分為正強(qiáng)化和負(fù)強(qiáng)化,正強(qiáng)化就是獎(jiǎng)勵(lì)那些組織上需要的行為,從而加強(qiáng)這種行為;負(fù)強(qiáng)化就是懲罰那些與組織不相容的行為,從而削弱這種行為。

      圖4 硼砂與尿素混料600~900 ℃焙燒樣品的XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of borax-urea mixture roasted at 600~900 ℃

      在1 300 ℃焙燒時(shí),偏硼酸鈉消失有兩種可能的原因:一是偏硼酸鈉參與反應(yīng)分解;一是偏硼酸鈉揮發(fā)(偏硼酸鈉熔點(diǎn)約970 ℃). 為了解偏硼酸鈉在氮化硼生成過程中參與反應(yīng)的情況及消失的原因,將偏硼酸鈉和尿素以不同B/N物質(zhì)的量比球磨混合進(jìn)行焙燒反應(yīng),并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

      圖5 硼砂與尿素混料900~1 300 ℃焙燒樣品的XRD譜圖 Fig.5 XRD patterns of borax-urea mixture roasted at 900~1 300 ℃

      圖6為偏硼酸鈉與尿素不同B/N比例于1 300 ℃保溫3 h后水洗、干燥所得氮化硼樣品的XRD圖. 由圖6可知,不同B/N比例下均生成了結(jié)晶性較好的氮化硼. 對不同條件下氮化硼的產(chǎn)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表1所示. 由結(jié)果可知,在氮源充足的情況下,偏硼酸鈉與尿素反應(yīng)生成氮化硼的產(chǎn)率很低,即使B/N物質(zhì)的量比為1∶5時(shí)也低于20%. 據(jù)此可知,偏硼酸鈉與尿素反應(yīng)比較困難. 在硼砂與尿素工藝中,由于偏硼酸鈉為硼砂和尿素作用的副產(chǎn)物,其與尿素直接作用的程度會更低,因此,偏硼酸鈉的產(chǎn)生阻礙了硼進(jìn)一步進(jìn)行氮化反應(yīng),是導(dǎo)致硼砂與尿素合成氮化硼產(chǎn)率低的根本原因.

      表1 偏硼酸鈉、尿素不同B/N物質(zhì)的量比制備氮化硼產(chǎn)率

      圖7為硼砂與尿素混料1 300 ℃焙燒后爐管內(nèi)壁收集樣品的XRD圖. 由圖7可見,樣品中含有二水合偏硼酸鈉(偏硼酸鈉吸濕所致),由此證明偏硼酸鈉在高溫條件下?lián)]發(fā). 此結(jié)果與圖5偏硼酸鈉衍射峰強(qiáng)度在1 200 ℃明顯減弱,以及圖1中TG曲線在1 100 ℃之后明顯下降,并在1 300 ℃保溫過中持續(xù)下降的結(jié)果是一致的.

      綜上,在硼砂和尿素混合料的焙燒過程中,尿素的存在會促使硼砂生成副產(chǎn)物偏硼酸鈉. 少量偏硼酸鈉參與氮化硼的生成,絕大部分在高溫下?lián)]發(fā)掉,使得參與氮化硼生成的硼元素大大減少,是導(dǎo)致氮化硼最終產(chǎn)率低的主要原因.

      圖6 偏硼酸鈉與尿素不同B/N物質(zhì)的量比制備氮化硼的XRD譜圖Fig.6 XRD patterns of BN prepared by sodium metaborate and urea with different B/N molar ratio

      圖7 硼砂與尿素混料1 300 ℃焙燒后管壁收集樣品的XRD譜圖Fig.7 XRD pattern of sample collected from tube wall after borax-urea mixture roasted at 1 300 ℃

      2.2氮化硼的生成及變化過程

      實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),將硼砂與尿素混料450 ℃焙燒樣品水洗后,沒有得到氮化硼樣品;500 ℃焙燒樣品洗滌后,得到極少量的氮化硼樣品且樣品的結(jié)晶性很差. 結(jié)合圖2可知,副產(chǎn)物偏硼酸鈉的生成溫度亦在450~500 ℃之間. 可見,氮化硼和偏硼酸鈉的生成溫度基本一致,均在450~500 ℃之間;隨焙燒溫度的提高,偏硼酸鈉大量生成并一直和氮化硼共存. 因此,硼砂與尿素焙燒過程中主要反應(yīng)方程式為:

      2BN+2NaBO2+CO2+ 2H2O

      圖8和圖9分別為硼砂與尿素混料500~900 ℃和900~1 300 ℃焙燒、洗滌、干燥后所得氮化硼樣品的XRD圖. 由圖可知,隨焙燒溫度的提高,氮化硼衍射峰強(qiáng)度逐漸增大,晶型逐漸完整.

      圖8 硼砂、尿素混料500~900 ℃制備氮化硼樣品的XRD譜圖Fig.8 XRD patterns of BN prepared by borax and urea at 500~900 ℃

      圖9 硼砂、尿素混料900~1 300 ℃制備氮化硼樣品的XRD譜圖Fig.9 XRD patterns of BN prepared by borax and urea at 900~1 300 ℃

      圖10為900~1 300 ℃氮化硼樣品的SEM圖. 對比發(fā)現(xiàn),溫度較低時(shí),氮化硼顆粒呈無規(guī)則狀;隨焙燒溫度升高,氮化硼顆粒由無規(guī)則狀逐漸向圓片狀轉(zhuǎn)變,且顆粒尺寸變大,粒徑趨于均勻,約為500 nm. 表2為硼砂與尿素不同溫度焙燒制備氮化硼樣品的收率及純度. 由結(jié)果可知,氮化硼的產(chǎn)率在600 ℃之前較低,700 ℃之后變化不大,氮化硼基本上完全生成;氮化硼的純度隨焙燒溫度的升高逐漸提高.

      綜合圖8~10及表2的結(jié)果,氮化硼在700 ℃左右基本完全生成,此時(shí)氮化硼的結(jié)晶性較差,純度較低,隨焙燒溫度的繼續(xù)提高,氮化硼產(chǎn)率基本不變,其結(jié)晶性和純度逐漸提高,形貌越來越規(guī)整.

      (a) 900 ℃;(b) 1 000 ℃;(c) 1 100 ℃;(d) 1 200 ℃;(e) 1 300 ℃.圖10 硼砂、尿素混料900~1 300 ℃制備氮化硼樣品的SEM圖 Fig.10 SEM images of BN prepared by borax and urea at 900~1 300 ℃

      t/℃5006007008009001000110012001300Yield/%~1042.846.747.247.647.146.947.347.0Purity/%-92.893.493.794.395.597.097.298.2

      2.3偏硼酸鈉對氮化硼結(jié)晶過程的影響

      THOMAS等[20]在無定形的氮化硼中添加一定量的氧化硼,在高溫條件下得到了結(jié)晶性良好的氮化硼,高溫條件下呈熔融狀態(tài)的氧化硼促進(jìn)了氮化硼的結(jié)晶過程. 硼砂與尿素反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的偏硼酸鈉,由于偏硼酸鈉在熔點(diǎn)960 ℃左右變?yōu)槿廴趹B(tài),推測其存在對氮化硼的結(jié)晶過程也會產(chǎn)生一定的影響. 為研究偏硼酸鈉對氮化硼結(jié)晶過程的影響,進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):(1)將硼砂、尿素混料900 ℃焙燒樣品洗滌得到氮化硼樣品S1; (2)將樣品S1分為兩份,一份直接進(jìn)行1 300 ℃焙燒,所得樣品進(jìn)行水洗后標(biāo)記為S2; (3)另一份和等物質(zhì)的量的偏硼酸鈉混合均勻再進(jìn)行1 300 ℃焙燒,所得樣品水洗后標(biāo)記為S3.

      圖11為不同氮化硼樣品的XRD圖. 由圖可知, S2的氮化硼特征衍射峰強(qiáng)度較S1有明顯的提高,說明焙燒溫度的提高有利于氮化硼的結(jié)晶過程,S3氮化硼特征衍射峰較S2強(qiáng)度更高、更尖銳,這說明偏硼酸鈉的存在對氮化硼結(jié)晶性的提升有一定的影響. 圖12為不同氮化硼樣品的SEM圖. 從圖中可以看到,S2的顆粒尺寸大小較S1有一定提高,但形貌依舊不均勻,S3較S2顆粒尺寸更大,且形貌更均勻. 由此可推斷,在高溫條件下偏硼酸鈉的存在有利于氮化硼的結(jié)晶過程,可提高氮化硼的結(jié)晶度,使氮化硼顆粒尺寸更大、形貌更均勻.

      偏硼酸鈉促進(jìn)氮化硼結(jié)晶過程機(jī)理:結(jié)晶過程的本質(zhì)為物質(zhì)分子的遷移和重排,在高溫條件下,由于液相偏硼酸鈉的存在,附著在其表面的氮化硼分子的遷移和重排相對更為容易,因此,氮化硼的結(jié)晶度提高.

      圖11 不同氮化硼樣品的XRD譜圖Fig.11 XRD patterns of BN sample by different method

      (a) S1;(b) S2;(c) S3.圖12 不同氮化硼樣品的SEM圖Fig.12 SEM images of BN sample by different method

      3 結(jié)論

      本研究對硼砂與尿素在N2氣氛下反應(yīng)合成氮化硼及主要副產(chǎn)物產(chǎn)生和變化過程進(jìn)行了分析,利用XRD、SEM對樣品進(jìn)行了表征. 結(jié)果表明:

      1) 硼砂與尿素反應(yīng)的主要副產(chǎn)物是偏硼酸鈉,偏硼酸鈉的產(chǎn)生使得參與氮化硼生成的硼元素大大減少,導(dǎo)致本工藝氮化硼產(chǎn)率較低.

      2) 氮化硼在700 ℃左右基本生成,隨焙燒溫度的提高,其產(chǎn)率基本上無變化,但結(jié)晶性和純度逐漸提高,氮化硼顆粒尺寸逐漸增大,形貌也越來越均勻.

      3) 高溫焙燒過程中,副產(chǎn)物偏硼酸鈉的存在可促進(jìn)氮化硼的結(jié)晶過程.

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      [責(zé)任編輯:吳文鵬]

      Synthetic mechanism ofh-BN with borax and urea

      ZHAO Kai1,2,3, SUN Randi2,3*, ZHU Gaoyuan2,3, ZHANG Hongling2,3,ZHANG Bingzhu1*, XU Hongbin2,3, ZHANG Yi2,3

      (1.CollegeofChemicalandPharmaceuticalEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang050018,Hebei,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforHydrometallurgicalCleanerProductionTechnology,InstituteofProcessEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China; 3.KeyLaboratoryofGreenProcessandEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

      The experiments for synthesis ofh-BN were carried out under N2atmosphere using borax and urea as reactants. The production and evolution process ofh-BN and the main by-product were studied. Samples were analyzed by TG-DSC, XRD and SEM. The results indicate that the synthesis reaction ofh-BN is finished at about 700 ℃ and the crystallinity ofh-BN improves with the temperature increasing. The production of NaBO2by-product is the main reason for the low yield ofh-BN. However, the NaBO2by-product can improve the crystallinity ofh-BN during the roasting process at high temperature. These results may provide theoretical basis for the optimization and improvement ofh-BN preparation process by borax-urea method.

      hexagonal boron nitride; process; sodium metaborate; crystallization

      1008-1011(2016)04-0455-06

      2016-04-19.

      國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB632600).

      趙凱(1989-), 男, 碩士生, 研究方向?yàn)闊o機(jī)陶瓷材料.*通訊聯(lián)系人, E-mail: rdsun@ipe.ac.cn;751895430@qq.com.

      TQ174

      A

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