專利名稱：氧化硼的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化硼，更具體地說涉及含85-92%B2O3并基本不含鈉的新的無定形態(tài)氧化硼產(chǎn)品的制備。
氧化硼有許多工業(yè)用途，特別是在玻璃制造領(lǐng)域希望有一個(gè)不含不受歡迎的鈉的B2O3來源，例如用硼砂或從例如硼酸中蒸發(fā)多余的水得到。氧化硼通常是以工業(yè)化規(guī)模在燃油或燃?xì)獾牟ＡЦG爐中通過硼酸在高溫(例如約700-950℃的范圍內(nèi))下脫水來制備。熔融玻璃通過讓連續(xù)玻璃帶沿冷卻輥上流動(dòng)來固化，然后破碎并過篩得到需要的顆粒尺寸。(見Kirk-Othmer，“Encyclopedia of Chemical Technology”第四版、第四卷的370頁和U.S.Patent 2893838。)這種產(chǎn)品是高純(99% B2O3)的無定形態(tài)固體，但它有一個(gè)缺點(diǎn)就是在正常的使用和貯存條件下會(huì)吸水，容易再次水合并結(jié)塊。此外，由于保持窯爐在要求的高溫下需要的能量使得生產(chǎn)的費(fèi)用很高。通過用硼砂與硫酸反應(yīng)然后將得到的混合物供給燃?xì)獾挠?00℃-900℃下工作的窯爐中已經(jīng)制得了較低B2O3含量的產(chǎn)品。得到的無定形態(tài)產(chǎn)品含95-98%的B2O3并還含有殘留的鈉，這在許多玻璃制造的應(yīng)用中是不希望出現(xiàn)的。該方法也要消耗大量的能量使得產(chǎn)品制造費(fèi)用很高?！耙奡upplement to Mello′s Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry，Volume V.Part A.Pages 171-174”。
例如使硼酸在225℃-250℃的爐子中緩慢脫水7-14天已經(jīng)可以制得高純、晶態(tài)的氧化硼。還有人建議使用負(fù)壓或有機(jī)液相載體。見美國專利號2137058、2186257、3397954、3582272和4098196，意大利專利467440[Chemical Abrtracts 47，4563(1953)]，還有上面討論的Kirk-Othmer和Mellor的文獻(xiàn)，以及Kemp“The Chemistry of Borates”，Part I，Page10-11(1956)。
英國專利1278466描述了一種通過在一個(gè)氣體擴(kuò)散裝置(例如多孔板，熱空氣流通過該板形成流化床)里加熱顆粒狀的原硼酸來制備顆粒狀氧化硼的方法。這種產(chǎn)品是B2O3含量接近98%的顆粒狀氧化硼。
本發(fā)明提供了一種含大約85-92%B2O3的新的含氧化硼的產(chǎn)品以及制造這種新產(chǎn)品的方法。該方法需要相對較低的溫度，結(jié)果能量消耗費(fèi)用明顯減少。它容易改進(jìn)為不需要耐高溫的特殊裝置也不用在反應(yīng)區(qū)滯留很長時(shí)間并以連續(xù)方式來生產(chǎn)很有用的含氧化硼產(chǎn)品的連續(xù)方法。
該產(chǎn)品是一種穩(wěn)定的固態(tài)玻璃，當(dāng)將它粉碎到希望的顆粒度時(shí)，它比類似顆粒度的氧化硼更不容易再次水合。這是一種高度無定形態(tài)并且無孔的產(chǎn)品，當(dāng)研磨至約過60目篩的粒度時(shí)，其體積密度約64磅/立方英尺。它基本上是不含鈉并且比許多其它的市場上可買到的脫水硼酸產(chǎn)品純度要高。由于它比這樣的工業(yè)化產(chǎn)品吸水性低因此不容易結(jié)塊。在較低溫度下制造本發(fā)明產(chǎn)品可節(jié)省大量的能源，因此可獲得適合于在各種玻璃制造中使用的經(jīng)濟(jì)性滿意的產(chǎn)品。
本發(fā)明的方法包括在220°-275℃范圍的溫度下加熱硼酸，經(jīng)過足夠使硼酸脫水的時(shí)間并形成含有約85-92%B2O3、優(yōu)選約88-91%B2O3的熔融玻璃。將獲得的熔融玻璃冷卻并形成固態(tài)玻璃狀產(chǎn)品，該產(chǎn)品可進(jìn)一步粉碎(如研磨)得到基本上不含鈉雜質(zhì)的顆粒狀的含無定形態(tài)氧化硼產(chǎn)品。
應(yīng)嚴(yán)格保證硼酸加熱的溫度不超過約275℃并且優(yōu)選的溫度范圍是約250℃-270℃。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)硼酸在約220℃的較低溫度下要經(jīng)過一個(gè)玻璃相。在220℃時(shí)熔融配合料是一種可澆注的、沸騰的液態(tài)熔體，其粘度約為5000泊。隨著溫度的升高和硼酸的繼續(xù)脫水，熔體變得粘稠并不可澆注。在270℃時(shí)熔體粘度很快增加到18000泊，而且在這點(diǎn)上熔體中B2O3含量達(dá)到90-91%(重量B2O3)附近的平穩(wěn)段。然后將熔體冷卻形成固態(tài)玻璃狀產(chǎn)品，它可按需要進(jìn)行研磨。
本方法容易改進(jìn)為例如通過輸送連續(xù)的硼酸料流經(jīng)過一個(gè)加熱區(qū)的連續(xù)方法。一種特別有利的裝置是使用連續(xù)的不銹鋼帶(或用平板運(yùn)輸機(jī)替換)，在其上鋪開一層約0.25-0.75英寸厚的連續(xù)的均勻硼酸層。傳送帶將硼酸傳送經(jīng)過一個(gè)加熱區(qū)，加熱區(qū)的熱量是通過電或天然氣使用加熱板從硼酸層的上面提供的?？刂萍訜岚宓臏囟仁沟门鹚崾軣岷鬁囟炔桓哂诖蠹s275℃。硼酸在加熱區(qū)的滯留時(shí)間由傳送帶移動(dòng)的速率和加熱區(qū)的長度來控制。通常，滯留時(shí)間不超過約0.5小時(shí)，優(yōu)選約5-15分鐘，將形成含大約90%B2O3的氧化硼產(chǎn)品。包含一層熔融氧化硼玻璃的移動(dòng)傳送帶在退出熱區(qū)后通過用冷水或冷空氣噴射傳送帶下面而冷卻。當(dāng)冷卻的氧化硼玻璃層到達(dá)傳送帶末端并開始沿皮帶輪彎曲時(shí)，很容易用跨過傳送帶并在氣動(dòng)裝置或液壓裝置負(fù)載作用下壓在傳送帶表面的刮刀將這層氧化硼玻璃刮下而除去。用刮刀將冷卻的產(chǎn)品以片狀玻璃除下，然后將片狀玻璃喂入不同的研磨設(shè)備以粉碎成需要的篩分粒度的顆粒狀材料。
下面的實(shí)施例表明了使用一批量的配合料和連續(xù)工藝時(shí)本發(fā)明的新方法。
實(shí)施例1在9×11 1/2英寸的不銹鋼盤(型號304)中均勻鋪上一層3/4英寸厚的顆粒狀硼酸層。將盤置于預(yù)熱好的強(qiáng)制對流爐并在270℃保持4.3小時(shí)。經(jīng)過大約3小時(shí)硼酸就完全變?yōu)槿垠w。將盤從爐中取出，在不浸濕盤中產(chǎn)品的前提下通過在冷水浴中驟冷而將產(chǎn)品快速冷卻。冷卻時(shí)產(chǎn)品從盤中分離并裂成碎片。使用TEEM-A-MILL環(huán)輥研磨機(jī)(ring and puck grinder)來研磨碎片。獲得的研磨材料在美國標(biāo)準(zhǔn)篩30目和200目上過篩。+30目的材料重新研磨，-30+200目的材料保留作為最后的產(chǎn)品。發(fā)現(xiàn)得到的產(chǎn)品含有89.7%(重量)的B2O3。
重復(fù)進(jìn)行上述過程兩次，只是在270℃下加熱6.5小時(shí)來獲得產(chǎn)品的附加配合料。將三批配合料混合發(fā)現(xiàn)含有89.9%的B2O3。
實(shí)施例Ⅱ重復(fù)實(shí)施例Ⅰ的步驟，只是將硼酸加熱至270℃保持3小時(shí)。發(fā)現(xiàn)得到的產(chǎn)品中含86.98%的B2O3。
實(shí)施例Ⅲ將硼酸在用連續(xù)的1050SM不銹鋼帶(0.6×5.5m)做成的移動(dòng)傳送帶裝置中加熱。螺旋加料機(jī)在傳送帶一端維持一堆硼酸。傳送帶驅(qū)動(dòng)速率為23cm/min，當(dāng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳送帶上的硼酸被拉著經(jīng)過一個(gè)在傳送帶上方0.8cm高和41cm寬的門。這將硼酸均勻地鋪在移動(dòng)的傳送帶上并在其整個(gè)長度上形成一條0.8cm深、41cm寬的硼酸料帶。移動(dòng)傳送帶被四塊燃?xì)饧訜岚寮訜?，燃?xì)饧訜岚鍛覓煸趥魉蛶戏讲⒏采w從離門口處61cm開始的傳送帶中173cm長的區(qū)段。當(dāng)傳送帶以每分鐘9英寸速度通過加熱板下方時(shí)，硼酸被加熱7-8分鐘。加熱板在離硼酸上方約5-8cm處懸掛著覆蓋傳送帶。每塊板通過固著在板下面的2.5cm厚的纖維墊將熱量均勻向硼酸傳遞。加熱板的溫度約760-870℃，可將硼酸加熱至約270℃。當(dāng)硼酸通過第一塊板下面時(shí)，可以觀察到有水蒸汽從硼酸中產(chǎn)生。當(dāng)硼酸經(jīng)過第二塊板和第三塊板下方時(shí)隨著更多的水被蒸發(fā)除去，硼酸轉(zhuǎn)化為沸騰的熔融液體。材料在第四塊指下方變成粘稠的熔融玻璃并在傳送帶上形成0.1cm均勻厚度的玻璃層。用懸掛在燃燒器上面的頂排氣罩從燃燒區(qū)域?qū)⒖諝庵械乃羝蛷呐鹚嶂嗅尫诺膿]發(fā)性B2O3抽走。當(dāng)熔融玻璃塊從加熱區(qū)離開后，經(jīng)過一個(gè)向傳送帶下方噴水的區(qū)域而快速冷卻。在冷卻時(shí)固化的玻璃片破裂并從傳送帶上脫離。當(dāng)冷卻的玻璃碎片到達(dá)傳送帶末端時(shí)，用刮刀將玻璃刮下使其掉入裝在傳送帶下面的小料斗中。玻璃通過一個(gè)圓錐破碎機(jī)破碎至-30到+140目顆粒度的顆粒，過30目篩后，將過大的顆粒重新破碎。從最后取出的試樣表明產(chǎn)品中的B2O3含量在89.5-90.7%(重量)范圍內(nèi)。
實(shí)施例Ⅳ對本發(fā)明產(chǎn)品和市場上買到的氧化硼產(chǎn)品(作為脫水硼酸HP，含B2O398.5%)進(jìn)行加速結(jié)塊測試。將本發(fā)明產(chǎn)品(-30+200目)和脫水硼酸(60目)分別裝入成對的寬口瓶里到離頂部1 1/4英寸的位置。將倒置的瓶蓋放在材料表面作為壓板，在壓板上放置一彈簧。擰上瓶蓋壓緊彈簧，產(chǎn)生約4磅/平方英寸壓強(qiáng)。將裝有每種測試材料的1個(gè)寬口瓶用膠帶密封并置于135°F烘箱中。另一個(gè)測試瓶置于室溫下。
24小時(shí)后將瓶蓋、彈簧和壓板從每個(gè)瓶中取出。將寬口瓶小心傾斜觀察內(nèi)裝產(chǎn)品的結(jié)塊情況。室溫下保存的兩種測試材料均自由流下。本發(fā)明的產(chǎn)品在135°F保存后也是自由流下。工業(yè)化脫水硼酸結(jié)塊而且不能從寬口瓶中流下。使用頂尖為1/10平方英寸的葡氏貫入器(Proctor penetometer)，發(fā)現(xiàn)打破結(jié)塊需830磅/平方英寸壓強(qiáng)。
根據(jù)體現(xiàn)本發(fā)明精神的程度不同，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改進(jìn)和變化，但它們都包含在后面權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種通過硼酸脫水而制得的無定形態(tài)氧化硼產(chǎn)品，其特征在于包含大約85-92%的B2O3并基本上不含鈉。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的氧化硼產(chǎn)品，其特征在于包含約88-91%的B2O3。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的顆粒狀氧化硼產(chǎn)品的顆粒度在-30+200目范圍內(nèi)。
4.一種制造含大約85-92%B2O3的顆粒狀無定形態(tài)氧化硼產(chǎn)品的方法，包括將硼酸在220℃-275℃范圍溫度下加熱足夠使所說的硼酸脫水的時(shí)間，并形成含大約85-92%B2O3的熔融玻璃，冷卻上述的熔融玻璃形成固態(tài)玻璃狀產(chǎn)品，粉碎上述的固態(tài)玻璃狀產(chǎn)品形成包含大約85-92%B2O3的顆粒狀無定形態(tài)氧化硼產(chǎn)品，上述產(chǎn)品基本上不含鈉。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所說的硼酸放置在移動(dòng)的傳送帶上。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所說的硼酸被其上面的熱源加熱。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所說的氧化硼產(chǎn)品包含大約88-91%的B2O3。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所說的硼酸被加熱至大約250-270℃的溫度。
9.一種制備包含大約85-92%B2O3的氧化硼產(chǎn)品的連續(xù)方法，包括將硼酸加在移動(dòng)的傳送帶上，輸送上述硼酸經(jīng)過一個(gè)加熱區(qū)并將上述硼酸加熱至220℃-275℃范圍溫度下保持足夠使所述硼酸脫水的時(shí)間，形成含大約85-92%B2O3的熔融玻璃，冷卻上述的熔融玻璃形成固態(tài)玻璃狀產(chǎn)品，從上述移動(dòng)的傳送帶上除下上述的固態(tài)玻璃狀產(chǎn)品，并將上述除下來的固態(tài)玻璃狀產(chǎn)品粉碎形成包含大約85-92%B2O3的顆粒狀無定形態(tài)氧化硼產(chǎn)品。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中上述的硼酸被加熱至250°-270℃范圍的溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中上述的硼酸在上述加熱區(qū)保持大約5-15分鐘。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所說的移動(dòng)傳送帶為不銹鋼帶。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所說的硼酸被其上面的加熱板加熱。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所說的移動(dòng)傳送帶上有一層0.25-0.75英寸厚的硼酸層。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所說的氧化硼產(chǎn)品包含大約88-91%的B2O3。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所說的熔融玻璃通過冷卻上述傳送帶的下側(cè)面而冷卻。
17.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述的氧化硼被粉碎至-30+200目尺寸范圍內(nèi)。
全文摘要
通過將硼酸在不超過大約275℃的高溫下加熱，使硼酸脫水形成熔融玻璃并冷卻為固態(tài)玻璃狀產(chǎn)品，從而制得包含大約85—92％(重量)B
文檔編號C01B35/10GK1107120SQ9411893
公開日1995年8月23日 申請日期1994年11月23日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月24日
發(fā)明者P·F·扎科布森, R·P·費(fèi)舍爾, J·J·穆 申請人:美國博拉克有限公司