CN105293452A - 三维结构氮化硼及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维结构氮化硼及其制备方法与应用。本发明三维结构氮化硼制备方法包括制备功能化氮化硼纳米片溶液、对功能化氮化硼纳米片溶液与水溶性聚合物制备三维结构氮化硼前驱体、对三维结构氮化硼前驱体进行烧结热处理等步骤。本发明实施例三维结构氮化硼的制备方法反应条件温和，生产成本低，制备得到的三维结构氮化硼密度低，孔隙率高，三维结构尺寸优异，具有良好的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于无机含硼材料技术领域，特别涉及一种三维结构氮化硼及其制备方法和三维结构氮化硼的应用。
背景技术
六方层状氮化硼(h-BN)是一种通过B-N键的SP2杂化键和而成，h-BN和石墨烯的结构和晶胞参数比较相似，因此被称为“白石墨”。自2004年石墨稀被发现以来，类似石墨烯的氮化硼以其多种优异的性能受到广泛关注。氮化硼(BN)具有高的导热系数(220W/m.K)，高化学稳定性、高耐腐烛性、高热导率、低热膨胀系数、低介电常数和低介电损耗特点，已经为电子材料领域重要材料之一。受益于良好的机械、热特性，基于二维氮化硼构筑的三维结构氮化硼，也受到了广泛的关注且具有良好的应用前景。如三维结构材料具有大的比表面积，良好的导热性能。可应用于能源催化、污水处理，复合材料邓领域。
当前，三维结构氮化硼通常是通过化学气相沉积方式制备。具体的是通过将氮化硼的前驱体在高温下与反应附着在三维结构的模板(三维结构镍或石墨)。反应结束后，通过化学蚀刻方式除去模板得到三维结构氮化硼。
如南京航空航天大学公开的采用泡沫金属为模板，通过化学气相沉积和化学蚀刻方式制得低密度、高热稳定性等优异性能的三维氮化硼泡沫。但是研究发现，该方法制备的泡沫金属的网络孔洞高达数百微米，在以此为模板制备的三维氮化硼泡沫，体积密度低，不利于其宏量制备。
又如在复旦大学公开的一种三维氮化硼的制备方法，其也是采用化学气相沉积法，以过渡金属单质粉末或含过渡金属元素的化合物为催化剂，经过高温还原反应，制备出多孔金属催化剂骨架；再利用化学气相沉积法生长六方氮化硼，获得带有催化剂骨架的六方氮化硼粉体和三维氮化硼。该方法虽然采用过渡金属单质或含过渡金属元素的化合物为原料，且以多孔催化剂模板取代传统的泡沫金属模板使得比采用泡沫金属作催化骨架得到的三维氮化硼孔隙率更高；但是该方法依然是采用传统的化学气相沉积和化学蚀刻相结合方式，导致制备的三维结构氮化硼易碎，机械强度差。
另外，当前通常化学气相沉积方法涉及高温反应(1000℃)和腐蚀性及爆炸性气体的使用，严重限制了三维结构氮化硼的引用。因此，如何在比较温和的条件下制备三维结构氮化硼，同时制备的三维结构氮化硼具有优异的力学强度显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供了一种三维结构氮化硼及其制备方法，以解决现有通常化学气相沉积方法制备三维氮化硼方法涉及高温反应(1000℃)和腐蚀性及爆炸性气体的使用，且制备的三维氮化硼机械强度差的技术问题。
本发明另一目的在于克服现有技术的上述不足，还提供了由本发明三维结构氮化硼制备方法制备的三维结构氮化硼的应用，以解决现有化学气相沉积方法制备三维氮化硼由于机械性能差而导致应用受限的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种三维结构氮化硼的制备方法，包括如下步骤：
将氮化硼纳米片、表面活性剂与水按照质量比为1:(0.1～0.2)：(10～50)的比例进行第一混合处理，得到功能化氮化硼纳米片溶液；
将所述功能化氮化硼纳米片溶液与水溶性聚合物按照质量比为(1～20)：100的比例进行第二混合处理后，进行冷冻处理形成冰冻混合液，并将所述冰冻混合液进行冷冻干燥处理，得到三维结构氮化硼前驱体；
将所述三维结构氮化硼前驱体进行烧结热处理，得到三维结构氮化硼。
以及，一种三维结构氮化硼，所述三维结构氮化硼是由本发明三维结构氮化硼的制备方法制备得到，且所述三维结构氮化硼的密度为1.0-100mg/cm3；和/或所述三维结构氮化硼的孔径为2-200μm；和/或所述三维结构氮化硼中氮化硼纳米片的直径为200-600nm。
以及，由本发明三维结构氮化硼的制备方法制备的三维结构氮化硼在能源催化、污水处理、聚合物复合材料、超级绝热材料、军事及航天领域中的应用。
与现有技术相比，上述本发明三维结构氮化硼的制备方法直接将氮化硼纳米片与水溶性聚合物形成混合物，只需将混合物经冷冻处理和冷冻干燥和烧结热处理即可，使得本发明方法反应条件温和，有效避免了如现有采用化学气相沉积方法涉及高温反应和腐蚀性及爆炸性气体等苛刻条件的使用，同时降低了三维结构氮化硼的生产成本。
另外，上述本发明方法通过气工艺步骤和条件的控制，制备得到的三维结构氮化硼密度低，孔隙率高，三维结构尺寸优异，具有良好的力学性能。
正是由于本发明方法制备的三维结构氮化硼具有优异三维结构尺寸特性，具有良好的力学性能，因此，其可以更加广泛的应用于能源催化、污水处理、聚合物复合材料、超级绝热材料、军事及航天等领域中。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例三维结构氮化硼的制备方法流程图；
图2为实施例三维结构氮化硼的一优选制备方法流程图；
图3为实施例1制备的三维结构氮化硼的扫描电镜(SEM)图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种三维结构氮化硼的制备方法。本发明实施例三维结构氮化硼的制备方法工艺步骤如图1所示，其包括如下步骤：
S01.制备功能化氮化硼纳米片溶液：将氮化硼纳米片、表面活性剂与水按照质量比为1:(0.1～0.2)：(10～50)的比例进行第一混合处理，得到功能化氮化硼纳米片溶液；
S02.对功能化氮化硼纳米片溶液与水溶性聚合物制备三维结构氮化硼前驱体：将所述功能化氮化硼纳米片溶液与水溶性聚合物按照质量比为(1～20)：100的比例进行第二混合处理后，进行冷冻处理形成冰冻混合液，并将所述冰冻混合液进行冷冻干燥处理，得到三维结构氮化硼前驱体；
S03.对三维结构氮化硼前驱体进行烧结热处理：将所述三维结构氮化硼前驱体进行烧结热处理，得到三维结构氮化硼。
具体地，上述步骤S01中，将氮化硼纳米片、表面活性剂与水按照上述一定比例进行第一混合处理后，化硼纳米片会形成均匀的分散体系。在一实施例中，所述第一混合处理是采用超声处理，且所述超声处理的超声功率为100～500W，时间为1～5h。将第一混合处理采用超声处理，并将超声处理的功率和时间进行控制，使得三维结构氮化硼前驱体系统稳定，氮化硼纳米片分散均匀。
在另一实施例中，该步骤S01中的表面活性剂选用十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钙、十二烷基硫酸钠或胆酸钠中的至少一种。选用该些表面活性剂能有效与氮化硼纳米片表面结合，使得该氮化硼纳米片表面含有亲水基团和疏水基团，从而保证氮化硼纳米片均匀分散，避免发生团聚现象。
在又一实施例中，该步骤S01中的氮化硼纳米片的直径控制在100nm～600nm。该范围的氮化硼纳米片为纳米级，能使得氮化硼纳米片有效分散，并形成分散稳定的功能化氮化硼纳米片溶液分散体系。
在优选实施例中，该步骤S01中的水选用去离子水。
在优选实施例中，该步骤S01中的氮化硼纳米片的直径、表面活性剂的选用和第一混合处理中的至少两个同时按照上述条件进行设置，以提高功能化氮化硼纳米片溶液分散体系的稳定性和氮化硼纳米片的分散均匀性。
在进一步实施例中，上述步骤S01中的氮化硼纳米片按照如下方法制备：
S011：将微米氮化硼与有机溶剂按照质量比为1:(50～100)的比例进行超声混合处理，得到初混液；
S012：对所述初混液进行固液分离，得到所述氮化硼纳米片。
其中，作为一实施例，该步骤S011中的所述微米氮化硼的粒径为2μm～18μm。在另一实施例中，所述有机溶剂为异丙醇、N,N’-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。在又一实施例中，所述超声混合处理操作中，超声功率为100～1000W，超声时间为12～24h。通过对微米氮化硼粒径、有机溶剂和超声混合处理工艺参数的控制，使得微米氮化硼被充分剥离，形成为氮化硼纳米片。
该步骤S012中的固液分离可以采用常规的手段实现氮化硼纳米片与有机溶剂的分离，在一实施例中，该固液分离为离心分离，且离心速率为1000rpm～5000rpm，离心时间为10-30min。
上述步骤S02中，所述功能化氮化硼纳米片溶液与水溶性聚合物进行第二混合处理是使得水溶性聚合物能够完全溶解于所述功能化氮化硼纳米片溶液中。因此，该步骤S02中的第二混合处理可以是常规的处理方式，如搅拌、超声处理等。
该步骤S02中，对功能化氮化硼纳米片溶液与水溶性聚合物形成的混合溶液的冷冻处理是为使得混合溶液中水结冰，有利于聚合物的凝固。因此，在一实施例中，该冷冻处理的冷冻温度控制为-20～-40℃，冷冻时间为12～24h。通过对冷冻处理温度和时间的控制，不仅能够使得水结冰以便于后续冷冻干燥过程中的升华，更重要的是通过对温度和时间的控制，使得氮化硼纳米片在该凝固的混合溶液中的能够均匀分散，避免其发生后续冷冻干燥过程中出现团聚现象和发生塌陷现象，从而保证氮化硼纳米片在三维结构氮化硼前驱体能够均匀分布。
对功能化氮化硼纳米片溶液与水溶性聚合物形成的混合溶液的冷冻干燥处理的真空度为-20Pa～-100Pa，冷冻温度为-50-0℃，在一具体实施例中，该冷冻干燥处理的真空度为-40Pa，冷冻温度为-50℃。通过控制冷冻干燥温度和时间，在有效除去水分的同时，保证氮化硼纳米片在最终干燥的三维结构氮化硼前驱体中分布均匀。
在上述实施例的基础上，在一实施例中，该所述水溶性聚合物选用聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。该聚合物不仅能有效溶解于水中，还能有效保证氮化硼纳米片在最终干燥的三维结构氮化硼前驱体中分布均匀，并有利于三维结构氮化硼的形成。
在上述步骤S02的基础上，步骤S02中得到的三维结构氮化硼前驱体经步骤S03中的烧结热处理后，三维结构氮化硼前驱体中的水溶性聚合物被除去，从而形成多孔结构的三维结构氮化硼。在一实施例中，该所述烧结热处理的温度为800-1200℃，烧结时间为4-8h，在一具体实施例中，该烧结热处理的温度为1000℃，烧结时间为4h。该烧结热处理能有效除去聚合物，并赋予三维结构氮化硼前驱体稳定的三维结构。
由上述可知，本发明实施例三维结构氮化硼的制备方法反应条件温和，有效避免了如现有采用化学气相沉积方法涉及高温反应和腐蚀性及爆炸性气体等苛刻条件的使用，同时降低了三维结构氮化硼的生产成本。另外，本发明实施例方法通过气工艺步骤和条件的控制，制备得到的三维结构氮化硼密度低，孔隙率高，三维结构尺寸优异，具有良好的力学性能。
相应地，在上文所述的三维结构氮化硼的制备方法的基础上，本发明实施例还提供了一种三维结构氮化硼材料。理所当然的是，该三维结构氮化硼是采用上文三维结构氮化硼的制备方法制备获得，经检测得知，在一实施例中，所述三维结构氮化硼的密度为1.0-100mg/cm3。在另一实施例中，所述三维结构氮化硼的孔径为2-200μm。在又一实施例中，所述三维结构氮化硼中氮化硼纳米片的直径为200-600nm。因此，本发明实施例三维结构氮化硼密度低，孔隙率高，三维结构尺寸优异，具有良好的力学性能。
正文本发明实施例三维结构氮化硼具有密度低，孔隙率高，三维结构尺寸优异，力学性能好的特性，其可被广泛应用于能源催化、污水处理、聚合物复合材料、超级绝热材料、军事及航天领域中，以提高相应的处理效果。
现以三维结构氮化硼及其制备方法为例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
一种三维结构氮化硼及其制备方法。三维结构氮化硼的制备方法参照附图2所示，包括如下具体步骤：
S11：按照质量比为1:75直径为10μm的氮化硼和异丙醇混合后在功率为100W的超声机中超声12h，所述初混液进行离心纯化操作中，离心速度1000rpm离心时间为10min得到直径为100nm的氮化硼纳米片；
S12：按照质量比为1:0.2：50,将所述氮化硼纳米片，十二烷基苯磺酸钠与去离子水在功率为100W的超声机中超声3h得到功能化氮化硼纳米片溶液；
S13：按照质量比1:100，将功能化氮化硼纳米片和聚乙二醇混合后在冰箱中以-20℃温度下，冷冻12h得到冰冻的混合物，将冰冻混合液采用冷冻真空干燥过程，其真空度为-50Pa，冷冻温度为-50℃，得到三维结构氮化硼前驱体；
S14：将三维结构氮化硼前驱体高温烧结操作过程，其烧结温度为1000℃，烧结时间为4h。
将本发明实施例1制备的三维结构氮化硼进行宏观和微观分析，其微观结构如图3所示。上述三维结构氮化硼的密度为1.0mg/cm3；孔径为50μm。
实施例2
一种三维结构氮化硼及其制备方法。三维结构氮化硼的制备方法参照附图2所示，包括如下具体步骤：
S21：按照质量比为1:50将直径为10.0μm的氮化硼和异丙醇混合后在功率为500W的超声机中超声18h，所述初混液进行离心纯化操作中，离心速度3000rpm离心时间为30min得到直径为300nm的氮化硼纳米片；
S22：按照质量比为10:1：100,将所述氮化硼纳米片，十六烷基三甲基溴化铵与去离子水在功率为100W的超声机中超声1h得到功能化氮化硼纳米片溶液；
S23：按照质量比20:100将功能化氮化硼纳米片和聚乙烯醇混合和在冰箱中以-30℃温度下，冷冻18h得到冰冻的混合物，将冰冻混合液采用冷冻真空干燥过程，其真空度为-40Pa，冷冻温度为-50℃，得到三维结构氮化硼前驱体；
S24：将三维结构氮化硼前驱体高温烧结操作过程，其烧结温度为1000℃，烧结时间为4h。
将本发明实施例2制备的三维结构氮化硼进行如实施例1中的微观分析，得知三维结构氮化硼的密度为5.0mg/cm3；孔径为2μm。
实施例3
一种三维结构氮化硼及其制备方法。三维结构氮化硼的制备方法参照附图2所示，包括如下具体步骤：
S31：按照质量比为1:100将直径为18μm的氮化硼和异丙醇混合后在功率为1000W的超声机中超声24h，所述初混液进行离心纯化操作中，离心速度5000rpm离心时间为20min得到直径为600nm的氮化硼纳米片；
S32：按照质量比为7:0.5：100,将所述氮化硼纳米片，十二烷基苯磺酸钙与去离子水在功率为500W的超声机中超声5h得到功能化氮化硼纳米片溶液；
S33：按照质量比5:100将功能化氮化硼纳米片和聚丙烯酰胺混合和在冰箱中以-20℃温度下，冷冻24h得到冰冻的混合物，将冰冻混合液采用冷冻真空干燥过程，其真空度为-20Pa，冷冻温度为-50℃，得到三维结构氮化硼前驱体；
S34：将三维结构氮化硼前驱体高温烧结操作过程，其烧结温度为1000℃，烧结时间为6h。
将本发明实施例2制备的三维结构氮化硼进行如实施例1中的微观分析，得知三维结构氮化硼的密度为20.0mg/cm3；孔径为200μm。
实施例4
一种三维结构氮化硼及其制备方法。三维结构氮化硼的制备方法参照附图2所示，包括如下具体步骤：
S41：按照质量比为1:100将直径为10μm的氮化硼和异丙醇混合后在功率为500W的超声机中超声24h，所述初混液进行离心纯化操作中，离心速度2000rpm离心时间为20min得到直径为300nm的氮化硼纳米片；
S42：按照质量比为10:1：75，将所述氮化硼纳米片，十二烷基硫酸钠与去离子水在功率为300W的超声机中超声5h得到功能化氮化硼纳米片溶液；
S43：按照质量比10:100将功能化氮化硼纳米片和聚乙烯吡咯烷酮混合和在冰箱中以-20℃温度下，冷冻16h得到冰冻的混合物，将冰冻混合液采用冷冻真空干燥过程，其真空度为-20Pa，冷冻温度为-25℃，得到三维结构氮化硼前驱体；
S44：将三维结构氮化硼前驱体高温烧结操作过程，其烧结温度为800℃，烧结时间为8h。
将本发明实施例4制备的三维结构氮化硼进行如实施例1中的微观分析，得知三维结构氮化硼的密度为20.0mg/cm3；孔径为100μm。
实施例5
一种三维结构氮化硼及其制备方法。三维结构氮化硼的制备方法参照附图2所示，包括如下具体步骤：
S51：按照质量比为1:60将直径为5μm的氮化硼和异丙醇混合后在功率为300W的超声机中超声16h，所述初混液进行离心纯化操作中，离心速度1000rpm离心时间为20min得到直径为200nm的氮化硼纳米片；
S52：按照质量比为1:0.2：50，将所述氮化硼纳米片，胆酸钠与去离子水在功率为200W的超声机中超声2h得到功能化氮化硼纳米片溶液；
S53：按照质量比15:100将功能化氮化硼纳米片和聚乙烯醇混合和在冰箱中以-20℃温度下，冷冻16h得到冰冻的混合物，将冰冻混合液采用冷冻真空干燥过程，其真空度为-100Pa，冷冻温度为-0℃，得到三维结构氮化硼前驱体；
S54：将三维结构氮化硼前驱体高温烧结操作过程，其烧结温度为1200℃，烧结时间为8h。
将本发明实施例5制备的三维结构氮化硼进行如实施例1中的微观分析，得知三维结构氮化硼的密度为20.0mg/cm3；孔径为100μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三维结构氮化硼的制备方法，包括如下步骤：
将氮化硼纳米片、表面活性剂与水按照质量比为1:(0.1～0.2)：(10～50)的比例进行第一混合处理，得到功能化氮化硼纳米片溶液；
将所述功能化氮化硼纳米片溶液与水溶性聚合物按照质量比为(1～20)：100的比例进行第二混合处理后，进行冷冻处理形成冰冻混合液，并将所述冰冻混合液进行冷冻干燥处理，得到三维结构氮化硼前驱体；
将所述三维结构氮化硼前驱体进行烧结热处理，得到三维结构氮化硼。
2.根据权利要求1所述的三维结构氮化硼的制备方法，其特征在于：所述氮化硼纳米片的直径为100nm～600nm；和/或
所述第一混合处理是采用超声处理，且所述超声处理的超声功率为100～500W，时间为1～5h。
3.根据权利要求1-2任一所述的三维结构氮化硼的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钙、十二烷基硫酸钠或胆酸钠中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的三维结构氮化硼的制备方法，其特征在于：所述冷冻处理的冷冻温度为-20～-40℃，冷冻时间为12～24h；和/或
所述冷冻干燥处理的真空度为-20Pa～-100Pa，冷冻温度为-50-0℃。
5.根据权利要求1、2、4任一所述的三维结构氮化硼的制备方法，其特征在于：所述水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
6.根据权利要求1、2、4任一所述的三维结构氮化硼的制备方法，其特征在于：所述烧结热处理的温度为800-1200℃，烧结时间为4-8h。
7.根据权利要求1、2、4任一所述的三维结构氮化硼的制备方法，其特征在于：所述氮化硼纳米片是按照如下方法制备：
将微米氮化硼与有机溶剂按照质量比为1:(50～100)的比例进行超声混合处理，得到初混液；
对所述初混液进行固液分离，得到所述氮化硼纳米片。
8.根据权利要求7所述的三维结构氮化硼的制备方法，其特征在于：所述微米氮化硼的粒径为2μm～18μm；和/或
所述有机溶剂为异丙醇、N,N’-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的至少一种；和/或
所述超声混合处理操作中，超声功率为100～1000W，超声时间为12～24h；和/或
所述固液分离为离心分离，且离心速率为1000rpm～5000rpm，离心时间为10-30min。
9.一种三维结构氮化硼，其特征在于：所述三维结构氮化硼是由权利要求1～8任一所述的制备方法制备得到，且所述三维结构氮化硼的密度为1.0～100mg/cm3；和/或
所述三维结构氮化硼的孔径为2～200μm；和/或
所述三维结构氮化硼中氮化硼纳米片的直径为200～600nm。
10.如权利要求9所述的三维结构氮化硼在能源催化、污水处理、聚合物复合材料、超级绝热材料、军事及航天领域中的应用。
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