CN114634167B - 一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统及方法，该方法利用硅源气和氮源气混合反应得到硅胺前驱体和卤化铵混合物，利用氧源气对硅胺前驱体粉体增氧，获得含氧前驱体球形粉体，在流化床中进行副产物脱除和前驱体热分解得到纯相Si2N2O空心球形粉体。本发明不仅解决了传统工艺难以获得高分散、高球形度纯相Si2N2O空心球形粉体的难题，同时能够实现连续批量化制备，工艺流程简单，生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及无机材料合成制备领域，具体为一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统及方法。
背景技术
Si2N2O陶瓷是一种强度高、抗热震性能好、介电常数小、透波性能好的结构陶瓷和功能陶瓷，在电子信息、航空航天、化工冶金等领域具有重要的应用价值。纯相粉体是制备高性能Si2N2O陶瓷器件的基础。此外，空心粉体具有比表面积大和保温性能好等优势，在药物载体、减重、隔热、保温、催化等领域具有重要应用潜力。自上世纪90年代以来，人们一直致力于开发出高效合成纯相空心Si2N2O粉体的方法。经过20多年的发展，目前Si2N2O粉体的合成方法主要有以下几种方法。
(1)Si3N4粉体与SiO2粉体混合高温烧制法，反应温度为1600～1800℃。反应方程式为：SiO2+Si3N4＝2Si2N2O。固相SiO2和固相Si3N4反应受扩散步骤控制，初始形成的Si2N2O包裹在Si3N4颗粒表面形成了传质障碍层，阻碍了后续反应的发生，因而粉体中Si2N2O相含量较低(约20wt.％)(J.Eur.Ceram.Soc.,18(1998)527-533)。此外，SiO2温度高于1300℃时会发生明显的软化，造成反应物严重烧结，反应物与产物之间分离难度增加。因此，该方法难以获得高纯相的Si2N2O粉体。此外，获得的粉体是实心粉体，无法合成空心的粉体。
(2)NH3高温氮化介孔SiO2法，发生的反应方程式为：2SiO2+2NH3＝Si2N2O+3H2O。该方法制备的Si2N2O物相含量提升至74wt.％(J.Eur.Ceram.Soc.,18(1998)527-533)。相较于前两种方法，Si2N2O物相含量的提升是由于介孔SiO2增大了反应比表面积，缩短了传质路径。但是该反应的缺陷是，SiO2的介孔通道会在反应后期因烧结而堵塞，增大了传质阻力，难以完全彻底氮化。降低合成温度，可避免孔道快速烧结，但是需要长时间保温(至少需要24h)，导致生产效率较低。因此，该方法也难以获得纯相空心Si2N2O粉体。
(3)采用微米级SiO2粉体和C粉在N2中反应，发生的反应方程式为：4SiO2+3C+2N2＝2Si2N2O+3CO2，Si2N2O相含量可提升至80wt.％(Green Chem.,23(2021)7751-7762)。然而SiO2-C-N2反应体系反应非常复杂，存在诸多副反应，除了生成Si2N2O外，还可以生成Si3N4(3SiO2+6C+2N2＝6CO+Si3N4)和SiC(SiO2+3C＝SiC+2CO)。因此，该方法也难以获得纯相的空心Si2N2O粉体。
综上所述，目前传统方法还无法获得高纯空心的Si2N2O球形粉体，亟待发开一种低成本、高效制备纯相的Si2N2O粉体的新方法。
发明内容
针对现有空心Si2N2O粉体合成方法的不足之处，本发明提出了一种采用多级流化床制备纯相Si2N2O空心球形粉体的连续化生产系统及方法。该系统包括硅胺前驱体合成反应装置1、硅胺前驱体纯化装置2、硅胺前驱体增氧装置3、粉体晶化装置4、产品冷却装置5、副产物收集装置6。该方法利用硅源气和氮源气混合反应得到硅胺前驱体，利用氧源气对硅胺前驱体粉体增氧，获得球形含氧前驱体粉体，在流化床中进行副产物脱除和热分解得到纯相Si2N2O空心球形粉体。本发明提供的方法不仅合成效率高、流程简单，而且最大限度的回收利用反应过程中的气体及Si2N2O粉体合成的显热和潜热，降低了生产成本。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，所述系统包括硅胺前驱体合成反应装置1、硅胺前驱体纯化装置2、硅胺前驱体增氧装置3、产品冷却装置5、副产物收集装置6；
所述硅胺前驱体合成反应装置1的进气口分别连通硅源气和氮源气，所述硅胺前驱体纯化装置1的出料口连通前驱体纯化装置2的进料口，所述前驱体纯化装置2的出料口连通硅胺前驱体增氧装置3的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置3的出料口连通产品冷却装置5的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置3的进气口连通氧源气；所述产品冷却装置5的出料口连通产品储罐；
所述前驱体纯化装置2的分解气出口连通副产物收集装置6的进料口，所述副产物收集装置6的尾气出口连接尾气处理装置；所述硅胺前驱体增氧装置3的尾气出口连通尾气处理装置；
所述产品冷却装置5的冷却气进口连通流化气，所述产品冷却装置5的出气口连通硅胺前驱体增氧装置3的进气口。
进一步地，所述系统还包括粉体晶化装置4；
当系统中设置粉体晶化装置4时，所述硅胺前驱体增氧装置3的出料口连通粉体晶化装置4的进料口，所述粉体晶化装置4的出料口连通产品冷却装置5的进料口，所述产品冷却装置5的出气口连通粉体晶化装置4的进气口，粉体晶化装置4的出气口连通硅胺前驱体增氧装置3的进气口。
优选地，所述硅胺前驱体合成反应装置1、前驱体纯化装置2、硅胺前驱体增氧装置3和粉体晶化装置4均采用流化床反应器或固定床反应器完成。
本发明中，前驱体纯化装置2和硅胺前驱体增氧装置3的设置顺序可以交换，即前驱体纯化装置2可以设置在硅胺前驱体增氧装置3之前，前驱体纯化装置2也可以设置在硅胺前驱体增氧装置3之后，均可以实现本发明的目的。
进一步优选地，所述流化床反应器为柱形流态化反应炉、锥形流化床反应炉或文丘里流化床反应炉。
优选地，所述产品冷却装置5和副产物收集装置6均采用换热器完成。
进一步优选地，所述换热器为1-3级旋风筒换热器、流化床换热器、1级液氮降温旋风筒换热器、3级水冷降温旋风筒换热器中一种或多种串联。
一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的方法，所述方法包括以下步骤：
1)硅源气和氮源气通入硅胺前驱体合成反应装置1合成得到硅胺前驱体与卤化铵混合物；硅胺前驱体合成反应装置1排出的气体进入硅胺前驱体纯化装置2或硅胺前驱体增氧装置3中加强粉体的流动；
2)硅胺前驱体与卤化铵混合物依次进入硅胺前驱体纯化装置2和硅胺前驱体增氧装置3，或硅胺前驱体与卤化铵混合物依次进入硅胺前驱体增氧装置3和硅胺前驱体纯化装置2；
在硅胺前驱体纯化装置2中，卤化铵发生热分解得到气相NH3和卤化氢，进入副产物收集装置6发生冷凝和沉降，实现副产物的分离和收集；
在硅胺前驱体增氧装置3中，硅胺前驱体与通入的氧源气进行增氧反应，得到含氧硅胺前驱体球形粉体；
3)含氧硅胺前驱体球形粉体进入产品冷却装置5与流化气进行换热，获得冷却的非晶纯相Si2N2O球形粉体；
4)产品冷却装置5排出的气体经过分离后进入硅胺前驱体增氧装置3，加强粉体流动及气固相传质，使氧源气均匀增氧粉体；所述硅胺前驱体增氧装置3排出的尾气回收后循环利用。
优选地，所述步骤3)还包括粉体晶化；
含氧硅胺前驱体球形粉体继续加热进行粉体晶化，所述粉体晶化中，晶化温度为1300℃-1500℃；粉体晶化后得到的纯相Si2N2O空心球形粉体进入产品冷却装置5进行冷却。
优选地，所述硅胺前驱体增氧装置3和副产物收集装置6排出的气体进入气体压缩泵回收后循环利用。
优选地，所述硅源气为SiClxH4-x或SiBrxH4-x与N2或Ar的混合气体，0≤x≤4；所述氮源气为NH3与N2或Ar的混合气体；所述流化气为N2、H2、NH3和Ar中的一种或任意两种以上的混合气体；所述氧源气为水蒸气、O2、N2O中的一种或任意两种以上的混合气体。
优选地，所述硅胺前驱体合成反应装置1中，反应温度为-10℃-40℃。
优选地，所述硅胺前驱体纯化装置2中，纯化加热温度为300℃-600℃；所述硅胺前驱体增氧装置3中，加热温度为300℃-950℃。所述粉体晶化装置4中，晶化温度为1300℃-1500℃。
根据本发明的一个优选实施例，所述方法的具体步骤包括：
(1)SiClxH4-x和/或SixBrH4-x(0≤x≤4)和NH3共同进入硅胺前驱体合成反应装置1，进行反应生成硅胺前驱体和卤化铵NH4X(X＝Br、Cl)的混合物。
(2)硅胺前驱体进入硅胺前驱体纯化装置2，混合物中NH4X(X＝Br、Cl)副产物经过加热分解，以气相形式进入副产物收集装置6快速冷凝沉降，从而实现卤化铵NH4X(X＝Br、Cl)的脱除与收集。
(3)从硅胺前驱体纯化装置2中出来的硅胺前驱体进入硅胺前驱体增氧装置3，在流化气和氧源气的作用下，使硅胺前驱体等结构转化为含氧前驱体球形粉体。
(4)所述硅胺前驱体增氧装置3排出的含氧前驱体球形粉体进入粉体晶化装置4，得到高温纯相Si2N2O空心球形粉体。
(5)所述粉体晶化装置4得到的热纯相Si2N2O空心球形粉体进入产品冷却装置(5)，在流化气的作用下快速降温，获得冷却的纯相Si2N2O空心球形粉体。
可选地，所述硅胺前驱体增氧装置3获得的粉体不进入粉体晶化装置4中，直接进入产品冷却装置5得到非晶氮氧化硅球形粉体。
可选地，步骤(2)和(3)可调换顺序，实现效果与调换前等同。
进一步地，所述方法还包括以下步骤：
冷流化气进入产品冷却装置5后对粉体进行快速降温；排出的气体进入粉体晶化装置4促进非晶含氧前驱体球形粉体的流化和晶化；所述粉体晶化装置4排出的气体进入硅胺前驱体增氧装置3用于加强硅胺前驱体粉体的流化和均匀增氧；所述硅胺前驱体增氧装置3排出的气体带有余温进入硅胺前驱体纯化装置2中，实现混合物中卤化铵NH4X(X＝Br、Cl)快速脱除；所述硅胺前驱体纯化装置2排出的气体进入硅胺前驱体合成反应装置1后，加强预反应形成硅胺前驱体和卤化铵NH4X(X＝Br、Cl)混合物的流化和热量转移。也可以硅胺前驱体合成反应装置1排出的气体进入硅胺前驱体纯化装置2，加强硅胺前驱体的流化，实现混合物中卤化铵NH4X(X＝Br、Cl)快速脱除。
优选地，所述的硅胺前驱体纯化装置2和粉体晶化装置4的加热装置为常规电阻加热或微波加热的任意组合。
优选地，所述硅源气为SiH4-xClx，SiH4-xBrx(0≤x≤4)等常见硅的卤化物中任意一种与N2或Ar的混合气体；所述氮源气为NH3与N2或Ar的混合气体；所述流化气体为N2、H2、NH3、Ar中任意一种或几种混合气体；所述氧源气为水蒸气、N2O、O2等具有增氧能力的气体。
本发明中，所述的硅胺前驱体合成反应装置1由流态化反应炉或反应室完成，实现硅胺前驱体和NH4X(X＝Br、Cl)的混合物的合成；所述的硅胺前驱体纯化装置2由流态化反应炉完成，实现混合物中NH4X(X＝Br、Cl)的脱除；所述的硅胺前驱体增氧装置3由流态化反应炉完成，将硅胺前驱体转化为含氧前驱体球形粉体；所述的粉体晶化装置4由流态化反应炉或/固定床完成，晶化为纯相Si2N2O空心球形粉体；所述的产品冷却装置5由旋风筒换热器和/或流化床换热器串联完成，实现高温纯相Si2N2O空心球形的快速冷却；所述的副产物收集装置6由1-3级降温旋风筒换热器和/或流化床换热器串联完成，实现卤化铵NH4X(X＝Br、Cl)的冷凝与收集；所述副产物收集装置6排出的尾气经过脱氧脱水后返回压缩泵完成收集和循环利用。
所述的硅胺前驱体合成反应装置1由流态化反应炉完成，实现硅胺前驱体的合成，可选地，在流态化反应炉中设有搅拌桨；
所述的硅胺前驱体纯化装置2由流态化反应炉完成，实现混合物中NH4X(X＝Br、Cl)的脱除，可选地，在流态化反应炉中设有搅拌桨；
所述的硅胺前驱体增氧装置3由流态化反应炉完成，实现硅胺的增氧，使其转化为含氧前驱体球形粉体。可选地，采用固定床完成；
所述的粉体晶化装置4由固定床完成，实现含氧前驱体球形粉体的晶化，可选地，采用流态化反应炉完成；
所述的产品冷却装置5由1-3级旋风筒换热器串联完成，实现Si2N2O空心球形粉体的冷却，可选地，采用旋风筒换热器和流化床换热器组合完成。
所述的副产物收集装置6由1-3级降温旋风筒换热器串联完成，实现NH4X(X＝Br、Cl)的冷凝与收集，可选地，采用水冷降温旋风筒换热器完成或液氮降温旋风筒换热器完成。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明提供的制备方法解决了传统工艺难以合成纯相Si2N2O粉体的难题，可实现连续化Si2N2O空心球粉体的制备；
(2)与NH3氮化介孔SiO2粉体方法相比，本发明显著缩短了合成时间(合成时间降低50％)，合成效率更高，成本更低；
(3)与传统SiO2碳热氮化或SiO2与Si3N4的方法相比，本发明的合成温度更低(温度降低15％)，产物粉体粒径更细(粉体粒径小于5μm)；
(4)本发明中分离出的NH4X(X＝Br、Cl)副产物还可以用于制造干电池、含氮肥料、及纺织品印花等领域，实现副产物的最大化利用。
(5)本发明中前驱体分解得到的NH3等经过干燥后还可继续用于前驱体的循环制备，实现Si2N2O粉体的高效低能耗生产。
(6)可实现连续批量化、低成本制备高质量的纯相Si2N2O粉体。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步阐释，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例1所述的制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统结构示意图；
图2为本发明实施例2所述的制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统结构示意图；
图3为本发明实施例3所述的制备高质量非晶Si2N2O球形粉体的系统结构示意图；
图4为本发明实施例1所制备的纯相Si2N2O空心球形粉体的SEM图；
图5为本发明实施例1所制备的纯相Si2N2O空心球形粉体的XRD图；
附图标记：
1、硅胺前驱体合成反应装置；2、硅胺前驱体纯化装置；3、硅胺前驱体增氧装置；4、粉体晶化装置；5、产品冷却装置；6、副产物收集装置。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
按图1所示，一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，所述系统包括硅胺前驱体合成反应装置1、硅胺前驱体纯化装置2、硅胺前驱体增氧装置3、粉体晶化装置4、产品冷却装置5、副产物收集装置6；
所述硅胺前驱体合成反应装置1的进气口分别连通硅源气和氮源气，所述硅胺前驱体纯化装置1的出料口连通前驱体纯化装置2的进料口，所述前驱体纯化装置2的出料口连通硅胺前驱体增氧装置3的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置3的出料口连通粉体晶化装置4的进料口，所述粉体晶化装置4的出料口连通产品冷却装置5的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置3的进气口连通氧源气；所述产品冷却装置5的出料口连通产品储罐；
所述前驱体纯化装置2的分解气出口连通副产物收集装置6的进料口，所述副产物收集装置6的尾气出口连接尾气处理装置；所述硅胺前驱体增氧装置3的尾气出口连通尾气处理装置；
所述产品冷却装置5的冷却气进口连通流化气，所述产品冷却装置5的出气口连通粉体晶化装置4的进气口，粉体晶化装置4的出气口连通硅胺前驱体增氧装置3的进气口。
硅胺前驱体合成反应装置1由一台底部有搅拌桨的柱形流态化反应炉完成；硅胺前驱体纯化装置2由一台锥形流化床反应炉完成；硅胺前驱体增氧装置3由一台底部有搅拌桨的柱形流态化反应炉完成；粉体晶化装置4由一台流态化反应炉完成；产品冷却装置5由3级旋风筒换热器串联完成；副产物收集装置6由3级水冷降温旋风筒换热器串联完成。
SiCl4-N2的混合气体作为硅源气与NH3-N2的混合气体作为氮源气同时进入硅胺前驱体合成反应装置1发生反应，得到硅胺前驱体和NH4Cl的混合物；得到的混合物进入硅胺前驱体纯化装置2，混合物中的NH4Cl副产物在硅胺前驱体纯化装置2中发生热分解，以气相HCl和NH3形式进入副产物收集装置6快速沉降冷凝为固态NH4Cl，实现副产物的分离和收集；脱完NH4Cl的硅胺前驱体进入硅胺前驱体增氧装置3，H2O-N2的混合气作为氧源气同时进入硅胺前驱体增氧装置3，将硅胺前驱体转化为含氧前驱体球形粉体；增氧后的含氧前驱体球形粉体进入晶化工序4得到晶化的纯相Si2N2O空心球形粉体；晶化后的高温纯相Si2N2O空心球形粉体进入产品冷却装置5，最终获得所需要的冷却产物。
硅胺前驱体合成反应装置1排出的气体经过3级旋风分离器实现粉体和气体的分离，分离出的气体与N2流化气混合进入硅胺前驱体纯化装置2，加强粉体流化及NH4Cl副产物的快速脱除；硅胺前驱体纯化装置2排出的N2、HCl和NH3的混合气进入副产物收集装置6中快速降温，实现副产物的收集，副产物收集装置6排出的N2由气体压缩泵完成收集和循环利用；NH3-Ar作为流化气进入产品冷却装置5，对高温晶化Si2N2O空心球形粉体进行快速冷却；产品冷却装置5排出的气体经过1级旋风分离器与粉体分离后进入粉体晶化装置4，对含氧前驱体球形粉体进行气氛保护和促进晶化；粉体晶化装置4排出的气体经过2级旋风分离器与粉体分离后进入硅胺前驱体增氧装置3，加强硅胺前驱体粉体的流化和促进硅胺前驱体增氧；硅胺前驱体增氧装置3排出的尾气经除氧干燥后，由气体压缩泵完成收集和循环利用。
本实施例中，硅胺前驱体合成反应装置1的温度为25℃；硅胺前驱体纯化装置2加热方式为常规电阻和微波加热的组合，温度为300℃；硅胺前驱体增氧装置3为电阻加热，温度为800℃；粉体晶化装置4的温度为1500℃，从产品冷却装置6出料，SEM测试和XRD测试图分别如图4和图5所示，SEM测试显示为空心球形粉体，粉体粒径约为3.6μm，XRD测试结果为纯相Si2N2O粉体。
实施例2
按图2所示，一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，所述系统包括硅胺前驱体合成反应装置1、硅胺前驱体纯化装置2、硅胺前驱体增氧装置3、粉体晶化装置4、产品冷却装置5、副产物收集装置6；
所述硅胺前驱体合成反应装置1的进气口分别连通硅源气和氮源气，所述硅胺前驱体纯化装置1的出料口连通硅胺前驱体增氧装置3的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置3的出料口连通前驱体纯化装置2的进料口，所述前驱体纯化装置2的出料口连通粉体晶化装置4的进料口，所述粉体晶化装置4的出料口连通产品冷却装置5的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置3的进气口连通氧源气；所述产品冷却装置5的出料口连通产品储罐；
所述前驱体纯化装置2的分解气出口连通副产物收集装置6的进料口，所述副产物收集装置6的尾气出口连接尾气处理装置；所述硅胺前驱体增氧装置3的尾气出口连通尾气处理装置；
所述产品冷却装置5的冷却气进口连通流化气，所述产品冷却装置5的出气口连通粉体晶化装置4的进气口，粉体晶化装置4的出气口连通前驱体纯化装置2的进气口。
硅胺前驱体合成反应装置1由一台底部有搅拌桨的柱形流态化反应炉完成；硅胺前驱体纯化装置2由一台锥形流化床反应炉完成；硅胺前驱体增氧装置3由一台锥形流化床反应炉完成；粉体晶化装置4由一台固定床反应器完成；产品冷却装置5由1级旋风筒换热器串联完成；副产物收集装置6由1级液氨降温旋风筒换热器串联完成。
SiH2Br2-Ar的混合气体作为硅源气、NH3-Ar的混合气体作为氮源气同时进入硅胺前驱体合成反应装置1，发生反应得到硅胺前驱体和NH4Br的混合物；预反应合成的前驱体粉体进入硅胺前驱体增氧装置3，O2-Ar的混合气作为氧源气进入反应器对混合物粉体进行增氧，将硅胺前驱体转化为含氧前驱体球形粉体；增氧后的混合物进入硅胺前驱体纯化装置2，使副产物NH4Br发生分解，以气相HBr和NH3的形式进入副产物收集装置6，实现NH4Br的分离和收集；随后含氧前驱体球形粉进入粉体晶化装置4发生热分解和晶化得到Si2N2O空心球形粉体；由粉体晶化装置4得到的粉体进入产品冷却装置5，最终获得所需要的冷却产物。
硅胺前驱体合成反应装置1排出的气体经过1级旋风分离器实现硅胺前驱体和Ar气体的分离，分离出的气体进入硅胺前驱体增氧装置3，加强硅胺前驱体粉体的流化和促进硅胺前驱体增氧；排出的尾气经过一级旋风分离器与粉体分离后，进入与气体除氧干燥设备相连的气体压缩泵完成收集和利用；Ar-H2作为流化气进入产品冷却装置5，对高温晶化Si2N2O空心球形粉体进行快速冷却；产品冷却装置5排出的气体进入粉体晶化装置4，对含氧前驱体球形粉体进行气氛保护和促进晶化；粉体晶化装置4排出的气体夹带余温进入硅胺前驱体纯化装置2，加强增氧后前驱体粉体流化及NH4Br脱除；Ar与气相HBr和NH3混合气进入副产物收集装置6，完成副产物冷凝沉降；而后副产物收集装置6排出的尾气由经由2级旋风分离器和气体压缩泵完成收集和循环利用。
本实施例中，硅胺前驱体合成反应装置1的温度为-10℃；硅胺前驱体增氧装置3加热方式为电阻加热，温度为300℃；硅胺前驱体纯化装置2和粉体晶化装置4加热方式为微波加热，温度分别为500和1300℃；产品冷却装置5出料为纯相Si2N2O空心球形粉体，SEM测试显示为空心球形粉体，粉体粒径约为3.3μm，XRD测试结果为纯相Si2N2O粉体。
实施例3
按图3所示，一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，所述系统包括硅胺前驱体合成反应装置1、硅胺前驱体纯化装置2、硅胺前驱体增氧装置3、产品冷却装置5、副产物收集装置6；
所述硅胺前驱体合成反应装置1的进气口分别连通硅源气和氮源气，所述硅胺前驱体纯化装置1的出料口连通前驱体纯化装置2的进料口，所述前驱体纯化装置2的出料口连通硅胺前驱体增氧装置3的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置3的出料口连通产品冷却装置5的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置3的进气口连通氧源气；所述产品冷却装置5的出料口连通产品储罐；
所述前驱体纯化装置2的分解气出口连通副产物收集装置6的进料口，所述副产物收集装置6的尾气出口连接尾气处理装置；所述硅胺前驱体增氧装置3的尾气出口连通尾气处理装置；
所述产品冷却装置5的冷却气进口连通流化气，所述产品冷却装置5的出气口连通硅胺前驱体增氧装置3的进气口。
硅胺前驱体合成反应装置1由柱形反应室完成；硅胺前驱体纯化装置2由流化床反应炉完成；硅胺前驱体增氧装置3由一台文丘里流态化反应炉完成；产品冷却装置5由2级旋风筒换热器和流化床换热器串联完成；副产物收集装置6由1级水冷降温旋风筒换热器和流化床换热器串联完成。
SiCl4-SiH3Br-N2的混合气体作为硅源气与NH3-N2的混合气体作为氮源气同时进入硅胺前驱体合成反应装置1，得到硅胺前驱体、NH4Br和NH4Cl的混合物，混合物进入硅胺前驱体纯化装置2，混合物中的NH4Cl和NH4Br在硅胺前驱体纯化装置2中发生分解反应，分解气相产物以NH3、HCl和HBr的形式与N2共同进入副产物收集装置6，实现其与硅胺前驱体的分离和收集；脱完NH4Cl和NH4Br的硅胺前驱体与N2O气体同时进入硅胺前驱体增氧装置3发生增氧，将硅胺前驱体转化为含氧前驱体球形粉体；增氧后的含氧前驱体球形粉体进入产品冷却装置5，最终获得所需要的冷却产物。
硅胺前驱体合成反应装置1排出的N2气体经过3级旋风分离器串联实现硅胺前驱体和气体的分离；分离出的N2进入硅胺前驱体纯化装置2加强颗粒流化并充当保护气，加速副产物分解；副产物分解后与排出的N2共同进入副产物收集装置6，由其排出的N2经气体压缩泵完成收集和循环利用；NH3-N2作为冷流化气进入产品冷却装置5对产物进行降温，产品冷却装置5排出的气体经过3级旋风分离器分离后进入硅胺前驱体增氧装置3，促进硅胺前驱体粉体流化和均匀增氧；由硅胺前驱体增氧装置3排出的尾气经干燥除氧后由气体压缩泵完成收集和循环利用。
本实施例中，硅胺前驱体合成反应装置1的温度为40℃；硅胺前驱体纯化装置2加热方式为微波加热，温度为600℃；硅胺前驱体增氧装置3的加热方式为常规热阻加热，温度为950℃；从产品冷却装置5出料为高质量非晶Si2N2O球形粉体，粉体粒径约为2.9μm。
本发明的工艺参数如温度、时间等区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，其特征在于，所述系统包括硅胺前驱体合成反应装置(1)、硅胺前驱体纯化装置(2)、硅胺前驱体增氧装置(3)、粉体晶化装置(4)、产品冷却装置(5)、副产物收集装置(6)；
所述硅胺前驱体合成反应装置(1)的进气口分别连通硅源气和氮源气，所述硅胺前驱体纯化装置(1)的出料口连通前驱体纯化装置(2)的进料口，所述前驱体纯化装置(2)的出料口连通硅胺前驱体增氧装置(3)的进料口，所述硅胺前驱体增氧装置(3)的出料口连通粉体晶化装置(4)的进料口，所述粉体晶化装置(4)的出料口连通产品冷却装置(5)的进料口，所述产品冷却装置(5)的出气口连通粉体晶化装置(4)的进气口，粉体晶化装置(4)的出气口连通硅胺前驱体增氧装置(3)的进气口，所述硅胺前驱体增氧装置(3)的进气口连通氧源气；所述产品冷却装置(5)的出料口连通产品储罐；
所述前驱体纯化装置(2)的分解气出口连通副产物收集装置(6)的进料口，所述副产物收集装置(6)的尾气出口连接尾气处理装置；所述硅胺前驱体增氧装置(3)的尾气出口连通尾气处理装置；
所述产品冷却装置(5)的冷却气进口连通流化气，所述产品冷却装置(5)的出气口连通硅胺前驱体增氧装置(3)的进气口；
所述硅胺前驱体合成反应装置(1)、前驱体纯化装置(2)、硅胺前驱体增氧装置(3)均采用流化床反应器或固定床反应器完成。
2.根据权利要求1所述的制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，其特征在于，所述粉体晶化装置(4)采用流化床反应器或固定床反应器完成。
3.根据权利要求1或2所述的制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，其特征在于，所述流化床反应器为柱形流态化反应炉、锥形流化床反应炉或文丘里流化床反应炉。
4.根据权利要求1或2所述的制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，其特征在于，所述产品冷却装置(5)和副产物收集装置(6)均采用换热器完成。
5.根据权利要求4所述的制备纯相Si2N2O空心球形粉体的系统，其特征在于，所述换热器为1-3级旋风筒换热器、流化床换热器、1级液氮降温旋风筒换热器、3级水冷降温旋风筒换热器中一种或多种串联。
6.一种基于权利要求1所述系统制备纯相Si2N2O空心球形粉体的方法，所述方法以下步骤：
1)硅源气和氮源气通入硅胺前驱体合成反应装置(1)合成得到硅胺前驱体与卤化铵混合物；硅胺前驱体合成反应装置(1)排出的气体进入硅胺前驱体纯化装置(2)中加强粉体的流动；
2)硅胺前驱体与卤化铵混合物进入硅胺前驱体纯化装置(2)和硅胺前驱体增氧装置(3)；
在硅胺前驱体纯化装置(2)中，卤化铵发生热分解得到气相NH3和卤化氢，进入副产物收集装置(6)发生冷凝和沉降，实现副产物的分离和收集；
在硅胺前驱体增氧装置(3)中，硅胺前驱体与通入的氧源气进行增氧反应，得到含氧硅胺前驱体球形粉体；
3)含氧硅胺前驱体球形粉体继续加热进行粉体晶化，所述粉体晶化中，晶化温度为1300℃-1500℃；粉体晶化后得到的纯相Si2N2O空心球形粉体进入产品冷却装置(5)与流化气进行换热，最终获得所需要的冷却产物；
4)产品冷却装置(5)排出的气体经过分离后进入硅胺前驱体增氧装置(3)，加强粉体流动及气固相传质，使氧源气均匀增氧粉体；所述硅胺前驱体增氧装置(3)排出的尾气回收后循环利用。
7.根据权利要求6所述的制备纯相Si2N2O空心球形粉体的方法，其特征在于，所述硅源气为SiClxH4-x或SiBrxH4-x与N2或Ar的混合气体，0＜x≤4；所述氮源气为NH3与N2或Ar的混合气体；所述流化气为N2、H2、NH3和Ar中的一种或任意两种以上的混合气体；所述氧源气为水蒸气、O2、N2O中的一种或任意两种以上的混合气体。
8.根据权利要求6所述的制备纯相Si2N2O空心球形粉体的方法，其特征在于，所述硅胺前驱体合成反应装置(1)中，反应温度为-10℃-40℃；所述硅胺前驱体纯化装置(2)中，纯化加热温度为300℃-600℃；所述硅胺前驱体增氧装置(3)中，加热温度为300℃-950℃。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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