CN111944484A - 一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料及其制备方法 - Google Patents

一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料及其制备方法，该非金属材料是一种采用包括质量比为1：（0.2～0.5）的立方氮化硼和石墨烯纳米片为原料制成的层片状材料；立方氮化硼为粉状、片状、纳米片的立方氮化硼中的一种或两种以上的混合物；石墨烯纳米片为由单层碳原子平面结构石墨烯堆垛而成，厚度为纳米尺度的二维石墨纳米材料，层数为2～20层。本发明的产品具备较高的硬度和抗破损强度，破损率低，回收率高，用于不锈钢等金属表面处理，可以实现船舶用不锈钢的高粗糙度表面处理，减少金属磨料带来的电偶腐蚀等问题。

Description

一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料及其制备方法
技术领域
本发明属于非金属材料技术领域，具体涉及一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料及其制备方法。
背景技术
不锈钢通常硬度较高，且表面易形成钝化膜，这能够保护自身减少侵蚀，但使得不锈钢表面难以形成足够的粗糙度。在船舶建造过程中，普通的喷砂往往粗糙度不够，较低的粗糙度会导致不锈钢表面涂层的附着力差，涂层易剥落，影响船舶运行安全和服役时间。
现在部分船舶企业使用铁砂等金属磨料进行表面处理，导致金属磨料嵌入导致异金属腐蚀；另一部分船舶企业使用非金属磨料对不锈钢表面进行处理，而非金属磨料破损率往往较高，急需针对不锈钢表面处理，开发一种硬度高且具备高抗破碎强度的非金属磨料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料及其制备方法，用于船舶不锈钢表面处理，以克服现有技术中非金属磨料破损率高、处理后钢板表面粗糙度低的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料，其特征在于，采用包括质量比为1：（0.2～0.5）的立方氮化硼和石墨烯纳米片为原料制成的层片状材料；
所述立方氮化硼为粉状、片状、纳米片的立方氮化硼中的一种或两种以上的混合物；
所述石墨烯纳米片为由单层碳原子平面结构石墨烯堆垛而成，厚度为纳米尺度的二维石墨纳米材料，层数为2～20层。
本发明所述的一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将10份（重量份，下同）所述石墨烯纳米片和5～20份十二烷基苯磺酸钠溶解在800～1500份去离子水中，加入20～50份所述立方氮化硼和20～50份强碱，持续反应一定时间后，过滤、干燥后得到固体的混合物料A；
（2）将10g所述混合物料A加入2～20mlN-甲基吡咯烷酮中混合均匀，然后置入球磨罐中；充入保护氮气，在常温、常压下转磨得到混合粉末B；
（3）将所述混合粉末B依次用乙醇、去离子水洗涤并过滤，干燥后，得到立方氮化硼插层石墨烯（Gr-CBN）；
（4）将所述立方氮化硼插层石墨烯在温度400～800℃下烧结，即得到本发明所述的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料。
进一步地，所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡、氢氧化铯中的一种或两种以上。
进一步地，所述步骤（1）中，所述反应为在60～100℃下持续反应12～48h。
进一步地，所述步骤（2）中，所述球磨罐内放入重量为800～1200g的玛瑙球，以200～1000转/分钟的转速转磨24～48小时，得到混合物料B。
进一步地，所述步骤（3）中，所述干燥温度为5～40℃。
优选的，所述步骤（4）中，将所述立方氮化硼插层石墨烯在温度400～600℃下烧结30～40min。
本发明的有益效果在于：
本发明的一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料及其制备方法，该材料是一种高硬度、高抗破碎强度的非金属磨料，产品硬度在7.0以上，抗破碎强度可达80%以上（常用的非金属磨料石榴石的硬度为6.5～7.5，抗破碎强度60%～80%），破损率低，回收率高，用于不锈钢等金属表面处理，可以实现船舶用不锈钢的高粗糙度表面处理，减少金属磨料带来的电偶腐蚀等问题。
具体实施方式
本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实施范围内对实施例进行变换、变型都可在本发明权利要求的范围内。
实施例1
（1）称取10g的15层石墨烯纳米片和10g十二烷基苯磺酸钠溶解在1000ml去离子水中；再加入20g立方氮化硼纳米片和20g固体氢氧化钠，保温在60℃下持续反应30h；过滤，用去离子水洗涤，常温干燥后得到约40g混合物料A；
（2）将40g的所述混合物料A加入20ml N-甲基吡咯烷酮中混合均匀，然后置入球磨罐中，向罐中放入1Kg玛瑙球，并充入氮气，随后盖上球磨罐，氮气用于置换所述球磨罐内的空气，提供惰性气体氛围，隔绝氧气；在常温、常压下，所述球磨罐以250转/分钟的转速转磨30小时，得到混合粉末B；
（3）将所述混合粉末B依次用乙醇、去离子水洗涤，抽滤，在30℃下干燥，得到立方氮化硼插层石墨烯（Gr-CBN）；
（4）将所述立方氮化硼插层石墨烯在温度400℃下烧结35min，即得到本发明所述的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料。
经测试，得到的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料的硬度为7.5，抗破碎强度85%，处理后钢板表面粗糙度为50μm，可以满足不锈钢表面处理需求。
实施例2
（1）称取10g的10层片状石墨烯和20g十二烷基苯磺酸钠，溶解在1000ml去离子水中；再加入30g立方氮化硼和20g固体氢氧化钾，保温在70℃下持续反应24h；过滤，用去离子水洗涤，常温干燥后得到约60g混合物料A；
（2）将40g的所述混合物料A加入40ml N-甲基吡咯烷酮中混合均匀，然后置入球磨罐中，向罐中放入1Kg玛瑙球，并充入氮气，随后盖上球磨罐，氮气用于置换所述球磨罐内的空气，提供惰性气体氛围，隔绝氧气；在常温、常压下，所述球磨罐以500转/分钟的转速转磨24小时，得到混合物料B；
（3）将所述混合粉末B依次用乙醇、去离子水洗涤，抽滤，在40℃下干燥后，得到立方氮化硼插层石墨烯（Gr-CBN）；
（4）将所述立方氮化硼插层石墨烯在温度500℃下烧结30min，即得到本发明所述的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料。
经测试，得到的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料的硬度为7.5，抗破碎强度85%，处理后钢板表面粗糙度为50μm，可以满足不锈钢表面处理需求。
实施例3
（1）称取10g的7层粉末状石墨烯和5g十二烷基苯磺酸钠，溶解在1000ml去离子水中；再加入50g立方氮化硼纳米片和50g固体氢氧化钠，保温在80℃下持续反应12h；过滤，用去离子水洗涤，常温干燥后得到约65g混合物料A；
（2）将40g的所述混合物料A加入60mL的N-甲基吡咯烷酮中混合均匀，然后置入球磨罐中，向罐中放入1Kg玛瑙球，并充入氮气，随后盖上球磨罐；所述球磨罐以1000转/分钟的转速转磨48小时，得到混合物料B；将所述混合粉末B依次用乙醇、去离子水洗涤，抽滤，在20℃下干燥后，得到立方氮化硼插层石墨烯（Gr-CBN）；
（3）将所述立方氮化硼插层石墨烯在温度600℃下烧结30min，即得到本发明所述的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料。
经测试，得到的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料的硬度为8，抗破碎强度80%，处理后钢板表面粗糙度为55μm，可以满足不锈钢表面处理需求。

Claims (9)

1.一种立方氮化硼插层石墨烯非金属材料，其特征在于，采用包括质量比为1：（0.2～0.5）的立方氮化硼和石墨烯纳米片为原料制成的层片状材料。
2.根据权利要求1所述的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料，其特征在于，所述立方氮化硼为粉状、片状、纳米片的立方氮化硼中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料，其特征在于，所述石墨烯纳米片为由单层碳原子平面结构石墨烯堆垛而成，厚度为纳米尺度的二维石墨纳米材料，层数为2～20层。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将10份（重量份，下同）所述石墨烯纳米片和5～20份十二烷基苯磺酸钠溶解在800～1500份去离子水中，加入20～50份所述立方氮化硼和20～50份强碱，持续反应一定时间后，过滤、干燥后得到固体的混合物料A；
（2）将10g所述混合物料A加入2～20mlN-甲基吡咯烷酮中混合均匀，然后置入球磨罐中；充入保护氮气，在常温、常压下转磨得到混合粉末B；
（3）将所述混合粉末B依次用乙醇、去离子水洗涤并过滤，干燥后，得到立方氮化硼插层石墨烯（Gr-CBN）；
（4）将所述立方氮化硼插层石墨烯在温度400～800℃下烧结，即得到本发明所述的立方氮化硼插层石墨烯非金属材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡、氢氧化铯中的一种或两种以上。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述反应为在60～100℃下持续反应12～48h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述球磨罐内放入重量为800～1200g的玛瑙球，以200～1000转/分钟的转速转磨24～48小时，得到混合物料B。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述干燥温度为5～40℃。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，将所述立方氮化硼插层石墨烯在温度400～600℃下烧结30～40min。
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