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硼酸铝晶工艺

发布日期:2014-05-09 15:29:08  来源:本站整理  将本页收藏至:QQ书签 百度收藏

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硼酸铝晶工艺

概述:硼酸铝晶须是极微细的单结晶。通常以9A1203.28203、2A1203.B203、A1203.B203三种形态的化合物存在于天然矿物中。工业化晶须是9A1203.28203。相对密度2.93,熔点1440℃,耐热温度1200℃,莫氏硬度7。



  化学性质基本为中性,具有高的弹性模量,良好的机械强度、耐热性、耐化学药品性、耐酸性、电绝缘性和中子吸收性能。硼酸铝晶须可用作塑料、金属、陶瓷等的补强材料。作为塑料补强剂使用时,与玻璃纤维比较,对微小、复杂形状的塑料成型品可以起到补强作用。亦可作聚碳酸酯树脂的补强材料。



  产品规模:考虑到硼酸铝晶须下游产品研究和开发的进度以及国内、外的需求状况,近期和中远期利用西藏的硼矿资源,深加工硼酸硼砂新建200吨/年和300吨/年硼酸铝晶须装置比较稳妥适宜,这样远期硼酸铝晶须规模可达到500吨/年。



  硼酸铝晶须发展现状:无机晶须材料是复合材料中的一种特殊组分。它是晶体极端各向异性生长的产物。无机晶须材料有优良的耐高温、耐腐蚀性能,良好的机械强度、电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量及高硬度等特性。凭借其优良的性能,无机晶须材料可用作绝热材料、电绝缘材料、催化剂载体、过滤材料、磨擦材料、离子交换材料、吸附材料以及复合材料的组分。由于晶须增强的复合材料具有达到高强度的潜力,因此对晶须的研究和开发受到了高度重视。20世纪60年代初已开发了近百种晶须实验品,包括金属、氧化物、碳化物、氮化物、卤化物等。1965年,开发出强度比A1高6倍的A1203(w)/A1复合材料,强度比塑料高10倍的A1203(w)/塑料复合材料,从而又一次激发了晶须的研究工作,并开展了许多晶须复合材料的研究。但由于晶须制备和处理技术上存在的困难,其产量小,价值昂贵,极少得到实际应用,以致对晶须的开发一度落人低潮。直到1975年HULCO公司开发出从稻壳制备p—SiC晶须,随后日本也有了稻壳制备p—SiC晶须的专利,晶须的工业生产才打开了局面。到80年代初,美国和日本实现了大规模生产SiC晶须,同时又开发了SiC晶须的金属基、陶瓷基、树脂基的复合材料。除SiC晶须外,还推出了A1203、Si3N4、K2Ti6013等晶须产品以及其他新品种晶须,如,FiN、TiB2、Zn—Ni等。一个研究与开发晶须材料的浪潮再次兴起。



  无机盐晶须材料是高技术新型复合材料中特殊成员,它有高强度、高弹性模量、高硬度等特性,作为塑料、金属、陶瓷的改性增强材料时显示出极佳的物理、化学性能和优异的机械性能。以碳化硅晶须为代表的无机盐晶须材料增强增韧的金属基、陶瓷基复合材料已应用到机械、电子、化工、国防、环保等领域,可以预计,它将对国防工业、汽车摩托车工业、航空航天材料工业、塑料工业等多种产品的升级换代和提高经济效益,具有现实的或潜在的重大促进作用。



  相对其他晶须而言,硼酸铝晶须具有很高的性能价格比,这是它能够得以广泛应用的极大优势。它具有高的弹性模量、良好的机械强度、耐热性、耐化学药品性、耐酸性、电绝缘性、中子吸收性能、与金属共价性,它不仅应用于绝热、耐热和耐腐材料,也可用于热塑性树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金属的补强剂。硼酸铝的一般分子式是nAl203·mB203,作为晶须工业化的一般是指9A1203‘28203,其合成方法有熔融法、气相法、内部助溶剂法、外部助溶剂法、水热法等,其中外部助溶剂法反应温度低,能耗低,收率高,适合l,Jkl~e.产。



  硼酸铝晶须最早由日本四国化成和四~I,Jk技术研究所共同研究开发并在四国化成的九龟工厂投产,设计生产能力20吨/年,1989年6月有产品销售,1995年就形成200吨/年的生产规模,产品分C、Y、S1、S2、S3五个等级。Y是1991年夏季开始用干晶须补强塑料,其晶须基本特性和产品G相同,但晶须的凝聚性低,在塑料中分散性好,混炼也容易,当初价格为2200日元/kg,G级产品为3500日;~/kg,S级的晶须是根据不同种类的塑料应用,采用了偶联剂的表面处理,S1和S3是用氨基硅烷系,S2是环氧硅烷系偶联剂。



  硼酸铝晶须就其组成看,A1203成分占86%,故其共价性高,同铝及其合金有较好的相容性,是铝基复合材料良好的增强相,日本名古屋工业技术试验所金属部最早从事硼酸铝晶须增强铝基复合材料的研究,并取得显著研究成果,日本丰田和铃木汽车公司现已使用硼酸铝晶须增强复合材料制造汽车活塞。



  国内硼酸铝晶须的合成和开发研究起步较晚,但发展异常迅速。1996年,中科院盐湖研究所承担并完成了青海省科技攻关项目“硼酸铝晶须新材料研制”; 2000年,青海海兴公司承担并完成了“100吨级硼酸铝晶须工业性试验及下游产品开发”项目,该项目已通过国家验收,验收评审认为:该技术先进可靠、工艺设计合理、操作简便、原料易得、产品质量稳定,填补了国内空白,其技术达到国际先进水平。目前,晶须产品正逐步推向市场。另外.东北大学等也在近年来参与这一研究。



  国内关于硼酸铝晶须增强复合材料的研究,超先于其合成研究而展开,当初是通过购买日本产的晶须而进行研究工作的,哈尔滨工业大学、中科院沈阳金属研究所、中科院上海硅酸盐研究所、清华大学、上海交通大学、浙江大学等都从事这一研究,取得了丰硕的研究成果。其在战车装甲、飞机雷达、导弹和火箭排气管、宇宙飞船、飞机机翼、切削工具、压缩机叶片、高焊接强度有机聚合物、电子部件、轴承、热阻材料、铁电陶瓷、高频线路板、轻质陶瓷、催化剂载体、抗氧化电导粉末等实用性领域即将取得很大突破和广泛应用。



  综上所述,我国在硼酸铝晶须的合成研究和增强增韧复合材料的研究,包括产业化的现状和前景等诸方面都具备相当的实力,可以预期,在不远的将来,硼酸铝晶须将会在增强金属基(铝基、镁基)、陶瓷基、塑料、玻璃、纤维、涂料等方面,得到非常广泛的应用。预计今后硼酸铝晶须产品的需求量将会迅速增加。



  工艺技术方案:



  1.工艺技术方案的选择



  硼酸铝晶须有多种生产方法,主要有助熔剂法、气相合成法、内部熔融法、高温气化法、水热合成法等。在这些生产方法中,有的因工艺本身不够完善成熟,有的因不易操作、难于控制,有的因成本高难以实现工业化,使国内硼酸铝晶须的生产处于空白。科研人员经多年研究,对助熔剂法生产硼酸铝晶须不断进行改进和完善,取得了具有自主知识产权的工艺技术。该项独创的助熔剂法工艺具有生产成本低、反应温度低、工艺条件易于实现和控制、收率高等优点。青海海兴科技开发有限公司采用该工艺技术,于2000年完成了“年产100吨硼酸铝晶须工业性试验”。通过工业性试验,对工艺可靠性、工艺条件等进行了验证,取得了工业化生产和装置设计所需的参数,为助熔剂法生产硼酸铝晶须实现产业化提供了保障。世界上仅有的产业化生产硼酸铝晶须的日本四国化成株式会社也是采用了“助熔剂法”。该技术与之相比,最大的区别在于原材料的选用上。日本采用高纯度单盐进行混合,而青海海兴科技开发有限公司则采用工业优级品复盐。该复盐在反应过程中分解产生部分助熔剂,有利于反应的完成,使原料消耗费用较低。再考虑动力和燃料价格、劳动力成本等因素,本项目的硼酸铝晶须产品比日本的同类产品具有较大的成本优势,有利于市场开拓。



  因此,本项目选用具有自主知识产权的“助熔剂法”工艺。



  2.工艺流程简述



  工艺流程包括焙烧、溶浸、酸化、干燥四个工段。



  将脱水明矾、硼酸和辅助熔剂按工艺配比,经计量加入混料机,混合均匀后装入焙烧坩埚,送人隧道窑,在1150℃高温下焙烧4—5小时,焙烧完成后送到溶浸工序。



  将坩埚中物料取出,送人鄂式破碎机破碎。经破碎的物料送人溶解槽中加热溶解,溶解后的料浆泵入高位槽。料浆用悬振筛筛分,粗粒部分返回溶解槽,细粒部分泵人高位槽,经离心机保温过滤、洗涤得到粗产品。粗产品送酸化工序,母液送副产品回收工序。



  将粗产品和一定浓度的硫酸按工艺要求,经计量加入酸化槽进行酸化,然后送干燥工序,制得成品。


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作者:佚名
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