СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФИТОПОДОБНОГО НИТРИДА БОРА Российский патент 2001 года по МПК C01B21/64 

Изобретение относится к области неорганической химии и синтеза тугоплавких неорганических соединений, в частности к способам получения порошка нитрида бора графитоподобной структуры, который может быть использован в качестве твердой смазки, как добавка к смазочным маслам, как антифрикционный материал, как добавка к косметическим средствам и в других областях, характерных для использования нитрида бора.

Известен способ получения графитоподобного нитрида бора путем азотирования элементарного бора азотом при высоких температурах, выше 2000^oC (Ждановский А.А., Лакомский В.Н. Порошковая металлургия, 67, 3, с.16, 1970). Низкий выход нитрида бора, высокий расход электроэнергии не позволяют использовать этот способ в промышленных условиях.

Перспективным методом синтеза нитрида бора является способ его получения в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), включающий приготовление смеси исходных компонентов, содержащей магний, оксид бора, 10-20 мас.% целевой добавки, выбранной из ряда%: продукт синтеза нитрида бора, нитрид бора или оксид магния, помещение приготовленной смеси в оболочку из материала целевой добавки, термообработку под давлением азота 8-10 МПа с последующей обработкой продукта синтеза в 20-26%-ной серной кислоте, при этом толщина оболочки составляет преимущественно 3-5 мм, а в азот дополнительно может быть введено не более 10 об.% аммиака или водорода (патент РФ N 2130336, В 01 J 3/06, С 01 В 21/064, 20.05.99).

Выход нитрида бора в этом случае относительно оксида бора составляет 97 - 99%, но содержание нитрида бора в продукте синтеза не превышает 30% от массы взятых исходных компонентов. Необходимость стадии кислотной обработки продукта синтеза усложняет процесс получения нитрида бора и требует тщательной экологической проработки.

Известен способ получения графитоподобного нитрида бора, включающий горение аморфного бора под давлением азота (Статья "Графитоподобный нитрид бора новых марок - высококачественное сырье для синтеза СТМ", А.Н. Порада, С.Н. Пикалов, Л.И. Фельдгун, М.И. Гасик, "Сверхтвердые материалы", 1991, N 6, с. 20).

В основе способа получения лежит экзотермическая реакция взаимодействия бора с азотом, протекающая с высоким тепловыделением:
2B + N₂ = 2BN + Q
Высокие температуры синтеза в известном способе (более 2000^oC) приводят к процессу разложения нитрида бора с образованием труднорастворимых модификаций кристаллического бора и снижению степени азотирования, которая не превышает 60%.

Примесь кристаллических модификаций бора остается в продукте синтеза как трудноудаляемая примесь, требующая кислотной обработки, что усложняет способ и снижает эффективность процесса.

Известен способ получения графитоподобного нитрида бора путем азотирования бора под давлением азота 10 МПа в режиме горения в присутствии разбавителя-нитрида бора в количестве 0,40-0,55 молей ("Химия синтеза сжиганием", М. Коидзуми, Изд-во "Мир", перевод с японского, под ред. А.В.Хачояна, М., 1998 г., с.82-83).

Известный способ позволяет осуществить практически полное азотирование бора, однако добавление разбавителя, в качестве которого используют BN, снижает производительность процесса.

Последний источник информации взят в качестве наиболее близкого аналога к заявляемому способу. Задачей изобретения является создание эффективного, промышленного и безотходного способа получения графитоподобного нитрида бора с высоким выходом и чистотой целевого продукта.

Поставленная задача решается тем, что способ получения графитоподобного нитрида бора включает азотирование бора: аморфного кристаллического в присутствии разбавителя, в качестве которого используют оксид бора, в режиме горения под давлением азота 6-10 МПа, при этом азотирование может быть осуществлено в присутствии по крайней мере одной добавки, выбранной из ряда: щавелевая кислота, мочевина, фторид аммония, хлорид аммония, углерод, взятой в количестве до 10 мас.%.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Смесь исходных компонентов в соответствии с заявленным соотношением перемешивают в шаровой мельнице до получения однородной массы. Засыпают смесь в реактор СВС, заполняют реактор азотом до давления 6-10 МПа, инициируют горение в смеси. После прохождения волны горения реактор охлаждают, извлекают содержимое. Продукт синтеза представляет собой слегка спекшийся конгломерат, который легко измельчается в порошок. После измельчения порошок обрабатывают горячей водой для удаления примеси оксида бора и целевых добавок (в случае их использования), отделяют и сушат.

Добавка оксида бора играет двоякую роль: снижает температуру экзотермической реакции, подавляя разложение нитрида бора, и выполняет роль газотранспортного агента, тем самым повышая степень азотирования бора и соответственно выход целевого продукта. Известно, что система В + N + O(B₂O₃) при высокой температуре может содержать следующие вещества: В_конд., В_газ., В₂, N, N₂, BO, B₂O₃ конден., B₂O₃ газ, BO₂, B₂O₂, BN_конд., BN_газ и др., газообразные компоненты которых могут служить газотранспортными агентами.

По данным рентгеноструктурного анализа полученный продукт представляет собой графитоподобный нитрид бора.

В таблице представлены параметры синтеза нитрида бора, соотношение исходных компонентов, выход и свойства нитрида бора.

Из представленных данных следует, что степень азотирования по бору составляет не менее 97%, удельная поверхность порошка не менее 10 м²/г и может контролироваться в зависимости от требования заказчика и области использования графитоподобного нитрида бора. Общее содержание примесей в готовом продукте не превышает 1%.

Высокая чистота продукта и контролируемая дисперсность порошка позволяет использовать графитоподобный нитрид бора в любых областях, характерных для его промышленного применения.

Способ получения графитоподобного нитрида бора отличается простотой, высоким выходом целевого продукта. Экологически чист, т.к. имеет замкнутый цикл производства: добавка оксида бора и целевые добавки после растворения их в воде, направляют для упаривания, термообработке выделенных добавок, которые направляют вновь для использования в процессе.

Изобретение предназначено для неорганической химии и может быть использовано при получении смазочных и антифрикционных материалов, косметических средств. Аморфный и/или кристаллический бор смешивают с оксидом бора. Количество оксида бора - не менее 30%. Можно дополнительно ввести до 10% щавелевой кислоты, мочевины, графита, фторида аммония и хлорида аммония (1:1). Смесь помещают в реактор СВС, заполняют азотом до давления 6-10 МПа. Инициируют горение смеси. После охлаждения извлекают целевой продукт, обрабатывают горячей водой, отделяют и сушат. Выход нитрида бора - не менее 97%, удельная поверхность порошка - не менее 10 м²/г, общее содержание примесей (азот, свободный бор, оксид бора, кислород) - не более 1%. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения графитоподобного нитрида бора, включающий азотирование бора в режиме горения под давлением азота в присутствии разбавителя, отличающийся тем, что в качестве разбавителя используют не менее 30 мас.% оксида бора, а азотирование проводят под давлением азота 6 - 10 МПа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве бора используют бор аморфный и/или кристаллический. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при азотировании бора в присутствии оксида бора дополнительно вводят до 10 мас.%, по крайней мере, одной добавки из ряда: щавелевая кислота, мочевина, хлорид аммония, фторид аммония, графит.