CN113617494B - 一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种球磨与空化协同的二维纳米片材料装置及方法，电机的输出轴同轴心地固定连接旋转盘的中心，旋转盘正面设置一个螺旋式容器，螺旋式容器上端连接上进出料头、下端连接下进出料头，上进出料头上端处设置上磁力发生器，下进出料头下端处设置下磁力发生器，上、下磁力发生器的结构相同，均由第一连接板、连杆、第二连接板、电磁铁、桥式开关和电源组成，第二连接板的下端内部固定嵌有若干个电磁铁，每个电磁体上都绕有线圈，所有的线圈均经桥式开关与电源相连；螺旋式容器的每圈螺管的正面中间处是一段细管径段，磨球刚好能通过细管径段；利用普通球磨自发产生空化从而制备二维纳米片材料，有效提高效率和制备精度。

Description

一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体是一种二维纳米片材料的制备方法。

背景技术

纳米材料的基本单元可根据空间维数分为：零维、一维和二维纳米材料，其中二维纳米材料指的是空间三维尺度仅有一堆在纳米量级的材料，由于其带隙可调特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛，其自旋自由度和谷自由度的可控性在自旋电子学和谷电子学领域引起重视，且不同于二维纳米材料的晶体结构特殊性质，会导致拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性，在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探测等领域也有着很大应用。但目前二维纳米材料的制备依然面临着低效、产量低的情况，制备方法和制备装置依然沿用传统的加工方式，这严重的制约着对二维纳米材料的应用。

氮化硼为典型无机层状化合物代表材料之一，氮化硼纳米片和石墨烯的结构类似，但与石墨烯相比，氮化硼纳米片具有良好的电绝缘性、导热性、化学稳定性等优异性能。这些特性使得氮化硼纳米片在许多方面具有很好的应用，例如应用于高温下工作的半导体器件、高温热传导复合材料、光电材料等。但是，相对于石墨烯，氮化硼纳米片的制备方法主要采用球磨法和液相剥离法，球磨法和液相剥离法虽然可以制备出高质量的二维纳米氮化硼，但由于制备方法的限制，不能满足大量且高效生产二维纳米氮化硼的需要。球磨法是利用下落的研磨体(如钢球、鹅卵石等)的冲击作用以及研磨体与球磨罐内壁的研磨作用而将物料粉碎并混合，当物料沿磨球旋转的方向，带上后再落下，这样物料就连续不断地被磨球粉碎，但是存在以下缺点：①体积庞大笨重；②运转时有强烈的振动和噪声，须有牢固的基础支撑；③工作效率低，消耗能量大；④研磨体与机体的摩擦损耗很大，并会污染产品。

目前，相关研究有在液相中制备二维氮化硼纳米片的报道(THE CHEMICALRECORD；DOI:10.1002/tcr.201500302)，从其报道中的原子力显微镜(AFM)图片可以看到，制备的二维氮化硼纳米片的质量还不够完美，尤其在制备的效率方面还存在不足。已有中国专利公开号为CN109761226A文献中提出的一种液相球磨制备二维纳米石墨片的方法，具体是将石墨烯与溶剂混合放入超声机中超声，超声过程中产生空化现象，再将超声后的溶液放入砂磨机的容器中进行砂磨。该方法需要将球磨与超声分开进行，且所使用的设备庞大，使用不便，同时制备的效率和精度不够高。

发明内容

本发明的目的是针对现有二维纳米片材料制备方法存在的问题，提出一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置及方法，不添加任何设备，仅采用球磨的方式自发产生空化，将球磨和空化协同起来制备二维纳米片材料，有效地提高效率以及材料的制备精度。

本发明所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置采用的技术方案是：其具有水平布置的电机，电机在旋转盘的背面，电机的输出轴同轴心地固定连接旋转盘的中心，旋转盘的正面设置一个螺旋式容器，螺旋式容器经固定杆固定于旋转盘的盘面；螺旋式容器的上端连接上进出料头、下端连接下进出料头，上进出料头和下进出料头的结构相同，均各设有进料口和出料口；上进出料头的上端处设置上磁力发生器，下进出料头的下端处设置下磁力发生器，上磁力发生器和下磁力发生器的结构相同，相对于旋转盘的中心上下对称，均由第一连接板、连杆、第二连接板、电磁铁、桥式开关和电源组成，第一连接板与旋转盘固定连接，上磁力发生器的第一连接板和上进出料头之间是第二连接板，第二连接板上端与第一连接板的下底面固定连接，第二连接板的下端面与上进出料头相贴近，第二连接板的下端内部固定嵌有若干个电磁铁，每个电磁体上都绕有线圈，所有的线圈均经桥式开关与电源相连；螺旋式容器的每圈螺管的正面中间处是一段细管径段，磨球刚好能通过细管径段。

本发明所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置的制备方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤1：将非磁性粉末材料和磨球通过上进出料头的进料口放入螺旋式容器中，再从进料口加水，使螺旋式容器装满水，磨球在螺旋式容器中利用自重由上而下运动，剥离材料；

步骤2：当磨球落到螺旋式容器下端时，切换上磁力发生器和下磁力发生器的桥式开关，改变螺旋式容器上下两端的磁性，使磨球沿着螺旋式容器的内壁再由下至上运动，当磨球经过细管径段通过时，在细管径段处产生空化效应，剥离材料；

步骤3；反复执行步骤2，达到所需的加工要求。

本发明所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置的制备方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤1：将磁性粉末材料和磨球通过上进出料头的进料口放入螺旋式容器中，再从进料口加水，使螺旋式容器装满水，磨球在螺旋式容器中利用自重由上而下运动，剥离材料；

步骤2：当磨球落到螺旋式容器下端时，电机驱动旋转盘旋转，使得螺旋式容器旋转180°，磨球继续利用自重从上至下沿着螺旋式容器的内壁运动，当磨球经过细管径段通过时，在细管径段处产生空化效应，剥离材料；

步骤3：重复执行步骤中的螺旋式容器旋转180°的过程，达到所需的加工要求。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、进料、出料分离：避免了球磨前后材料的混合和相互影响，可以使得制备的材料纯度更高。

2、自发产生空化：在不增加设备的情况下，利用管径的变化，使得磨球刚好能通过该管径时，液体流过磨球与管径的缝隙时，此处流道狭窄，通过该部分的液体产生的局部低压使液体汽化，从而产生空化效应。

3、.螺旋式容器采用透明可视化材料：不同于普通的行星式球磨机，使制备材料的过程更加可观，透明化。.螺旋式容器的工艺简单，体积较小，更加轻便。

4、本发明利用普通球磨自发产生空化从而制备二维纳米片材料，可以有效地提高效率以及材料的制备精度。

5、本发明采用循环球磨过程，实现磨球由上至下再由下至上的自动循环过程。

附图说明

图1为所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置在静止状态时的主视图；

图2为图1的右视图；

图3为图1中上进出料头2的结构以及与螺旋式容器3的连接结构放大图；

图4为图1中上磁力发生器1的结构以及与上进出料头2的连接结构放大图；

图5为图4中上磁力发生器1中的电磁铁、桥式开关、电源的正接示意图；

图6为图1中下磁力发生器9中电磁铁、桥式开关、电源的反接示意图；

图7为图4中第二连接板12仰视结构放大图；

图8为图2中螺旋式容器3在细管径段23处的局部放大剖视图。

图中：1.上磁力发生器；2.上进出料头；3.螺旋式容器；4.旋转盘；5.底座；6.电机；7.固定杆；8.下进出料头；9.下磁力发生器；10.第一连接板；11.连杆；12.第二连接板；13.电磁铁；14.进料口；15.出料口；16.桥式开关；17.电源；18.磨球；19.小密封圈；20.盲孔；21.半圆面板；22.大密封圈；23.细管径段。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置具有一个置放在地面上的底座5，底座5是L型的实体结构，L型的水平段接触地面，L型的竖直段固定连接电机6的壳体，电机6在旋转盘4的背面，旋转盘4为圆盘状的实体，与底座5不接触，电机6和旋转盘4的中心轴都水平布置，电机6的输出轴同轴心地固定连接于旋转盘4的中心，能带动旋转盘4转动。

电机6在旋转盘4的背面，旋转盘4的正面设置一个螺旋式容器3，螺旋式容器3通过固定杆7固定焊接旋转盘4，固定杆7水平布置，螺旋式容器3的中间段通过水平的固定杆7固定焊接在旋转盘4的正面的盘面上，旋转盘4转动时致使螺旋式容器3旋转起来。

螺旋式容器3采用透明可视的管道材料制成，壁厚均匀，壁厚大约为5mm。螺旋式容器3从上至下的螺旋圈数为n圈，n不小于6，螺旋式容器3的螺旋直径是上下两端的螺旋直径小，中间螺旋直径大，从大到小为线性渐变。

螺旋式容器3的上端连接上进出料头2，螺旋式容器3的下端连接下进出料头8，上进出料头2和下进出料头8结构相同，与螺旋式容器3之间都采用内外螺纹旋进连接，紧密配合，不留缝隙。

上进出料头2的上端处设置上磁力发生器1，上磁力发生器1同时固定连接于旋转盘4的盘面。下进出料头8的下端处设置下磁力发生器9，下磁力发生器9同时固定连接于旋转盘4的盘面。

上进出料头2和下进出料头8的结构相同，所以图3仅示出上进出料头2的结构，上进出料头2整体为半球体，半球体的壁厚约为5mm，与螺旋式容器3同轴心密封连接且相通，在连接处用大密封圈22密封，防止材料或液体流出，大密封圈22的材质为硅橡胶，其大小与上进出料头2以及螺旋式容器3的口径大小一致，起到密封的作用。

上进出料头2的半球体的表面向外突出一个进料口14和一个出料口15，进料口14和出料口15都圆柱体状的管道结构，壁厚约为5mm，防止进料和出料相混合。进料口14和出料口15各用一个半球体的圆盖盖住，圆盖和进料口14和出料口15之间各采用小密封圈19密封，两个小密封圈19的外径不同，分别和进料口14、出料口15的内径大小一致，使得在制备过程中的液体、磨球和材料粉末不会渗漏，起到密封的作用。

进料口14的内径均大于磨球的外径，出料口15的内径均小于磨球18的外径且大于材料粉末的外径，使磨球只能从进料口14进出，材料粉末可以经过出料口15出来，方便取出和放进材料和溶液。

上进出料头2的半球形的边缘处向外突出一个半圆面板21，用于和上磁力发生器1连接。

上进出料头2和下进出料头8上均设置进料口14和出料口15，为了防止在制备过程中如有堵塞情况或其他情况发生，两个进料口14和出料口15可进行替换使用。

上磁力发生器1和下磁力发生器9的结构相同，相对于旋转盘4的中心上下对称，所以图4仅以上磁力发生器1的结构为例，上磁力发生器1设置在上进出料头2的上方，上磁力发生器1由第一连接板10、连杆11、第二连接板12、电磁铁13、桥式开关16、电源17组成。第一连接板10为长方体实体，与旋转盘4的盘面相垂直，与旋转盘4固定连接。在第一连接板10和上进出料头2之间是第二连接板12，第二连接板12上端与第一连接板10的下底面固定连接，第二连接板12的下端面与上进出料头2上的半圆面板21相贴近，但并不完全固定，之间留有缝隙，缝隙大小约为1mm。在第二连接板12的下端内部固定嵌有若干个电磁铁13。电磁体13的形状为圆柱体，每个电磁体13上都绕有线圈，所有的线圈均连接桥式开关16，桥式开关16与电源17相连。桥式开关16与电源17均固定在第一连接板10的下底面处。通过桥式开关16的转换，改变电磁铁13上线圈接通电源17的正负极，使得电磁铁13的磁性发生切换，从而电磁铁13在正负两极切换自如。下磁力发生器9同样如此切换，从而形成一个上下贯穿整个螺旋式容器3的磁场。

如图5所示，在静止状态时，上磁力发生器1中，从电源17分别引出两端的正极和负极，若干电磁铁13上所绕的线圈均整合为两端分别连接在桥式开关16的两侧，电磁铁13的一端连接的是电源17的负极，另一端连接的是电源17的正极，该状态下电磁铁13的磁性为正。此时，如图6所示，下磁力发生器9，连接在螺旋式容器3下端的下磁力发生器9的电磁铁13两端所连接的电源17正负极与图5所示的相反，该状态下电磁铁13的磁性为负。通过上下两个桥式开关16的旋转切换，从而改变上磁力发生器1和下磁力发生器9中的电磁铁13的磁性，从而改变贯穿整个螺旋式容器3的磁场。

当上下两个桥式开关16切换时，在静止状态下，下磁力发生器9由吸引磨球18，上端磁力发生器1由排斥磨球18转而变为下磁力发生器9排斥磨球18和上磁力发生器1吸引磨球18，由此可以使磨球18的运动路径发生改变，通过不断切换桥式开关16，可以实现磨球18不断重复上下的往复运动。

参见图7，第二连接板12的形状为长方体，第二连接板12的下端内部整齐地纵横排列若干个圆形的盲孔20，电磁铁13则嵌入盲孔20内部并焊接固定，使得电磁铁13与第二连接板12为一体。通过桥式开关16的切换使得电磁铁13上所绕线圈两端所连接的电源17正负极发生改变，使得电磁铁13的磁性会发生变化，从而使两端的上、下磁力发生器1、9所形成的磁场方向发生变化。

参见图8，再结合图1和图2，螺旋式容器3的每圈螺管的正面中间处是一段细管径段23，细管径段23的壁厚和其他螺管处的壁厚相同。细管径段23的外径等同于磨球18的外径，磨球18的外径为d，则细管径段23处的直径为d+0.5mm。细管径段23的展开长度是其所在的这圈螺管展开长度的二十分之一。在细管径段23处，磨球18刚好可以通过，液体流过磨球18与细管径段23的缝隙时，会产生局部的低压，产生的局部低压使液体汽化，从而引起空泡的产生、长大以及溃灭整个过程，该过程称为空化，即产生空化效应。因此，整个螺旋式容器3可以在一个循环内发生n次空化效应。在空泡溃灭的瞬间会产生巨大的能量，可用于剥离材料。

参见图1-8，本发明制备装置可以制备非磁性二维纳米片，也可以制备磁性二维纳米片。

当制备非磁性二维纳米片时，具体方法是：

步骤1：旋开上进出料头2上的进料口14的圆盖子，将非磁性粉末材料和磨球18先分别通过进料口14放入透明可视的螺旋式容器3中，再从进料口14加水，直至整个螺旋式容器3装满水，并旋紧进料口14的圆盖子。磨球18在螺旋式容器3中，利用自重由上而下运动，剥离非磁性粉末材料，此时螺旋式容器3为图1所示的静止状态，磨球18和带有磁性。

步骤2：当磨球18沿着螺旋式容器3的内壁全部落到螺旋式容器3的下端时，切换上磁力发生器1和下磁力发生器9的桥式开关16，致使电磁铁13上绕的线圈两端所接的电源17正负极发生变化，从而改变螺旋式容器3上下两端的上磁力发生器1和下磁力发生器9的磁性。利用同性相斥异性相吸的原理，使下端的下磁力发生器9与磨球18之间产生巨大的排斥力，上端的上磁力发生器1与磨球18产生巨大的吸引力，使得磨球18沿着螺旋式容器3的内壁再由下至上运动，与螺旋式容器3中的材料研磨，达到剥离的效果。当磨球18经过螺旋式容器3的细管径段23时，由于细管径段23的管径缩小为磨球18刚好能通过，流入该处的液体会产生局部的低压，该低压会使液体迅速汽化，从而引起空泡的产生，长大以及溃灭整个过程，在空泡溃灭的瞬间会产生巨大的能量，用于剥离材料，剥离的材料精度和效率更高。

步骤3；反复执行步骤2，磨球18从上至下的运动过程记为1次，根据所需要制备出的二维纳米片材料的精度来选择次数的多少，达到所需的加工要求后即可停止。

步骤4：打开下进出料头8的出料口15，取出制备好的材料和水的混合物，放入干燥箱进行干燥，再打开下进出料头8的进料口14，取出磨球18，洗净以备下次使用。

当制备磁性二维纳米片时，具体方法是：

步骤1：旋开上进出料头2的进料口14的圆盖子，将需要制备的磁性粉末材料和磨球18分别通过上进出料头2的进料口14放入透明可视的螺旋式容器3中，通过进料口14加入水，直至整个螺旋式容器3装满水，并旋紧进料口14的圆盖子。磨球18和磁性粉末材料均带有磁性。磨球18利用由上而下沿着螺旋式容器3运动，剥离材料，此时螺旋式容器3为图1所示的静止状态。

步骤2：当磨球18沿着螺旋式容器3的内壁全部落入螺旋式容器3的下端时，打开电机6，驱动旋转盘4旋转，使得整个螺旋式容器3旋转180°，上磁力发生器1和下磁力发生器9颠倒，每次旋转的角度为180°，旋转180°的过程记为1次。经过旋转180°后，磨球18继续利用重力从上至下沿着螺旋式容器3的内壁运动。当磨球18经过螺旋式容器3的细管径段23时，磨球18刚好能通过，流入该处的液体会产生局部的低压，该低压会使液体迅速汽化，从而引起空泡的产生，长大以及溃灭整个过程，在空泡溃灭的瞬间会产生巨大的能量，用于剥离材料，使得剥离的材料精度更高，以及效率更高。

步骤3：重复执行步骤2中的螺旋式容器3旋转180°的过程，根据所需要制备的材料的精度要求来选择旋转180°的次数，直至达到所需的材料的剥离精度，满足加工要求后即可停止。

步骤4，打开下进出料头8的出料口15，取出制备好的材料和水的混合物，放入干燥箱进行干燥，打开下进出料头8的进料口14，取出磨球，洗净以备下次使用。

Claims (10)

1.一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置，具有水平布置的电机(6)，其特征是：电机(6)在旋转盘(4)的背面，电机(6)的输出轴同轴心地固定连接旋转盘(4)的中心，旋转盘(4)的正面设置一个螺旋式容器(3)，螺旋式容器(3)经固定杆(7)固定于旋转盘(4)的盘面；螺旋式容器(3)的上端连接上进出料头(2)、下端连接下进出料头(8)，上进出料头(2)和下进出料头(8)的结构相同，均各设有进料口(14)和出料口(15)；上进出料头(2)的上端处设置上磁力发生器(1)，下进出料头(8)的下端处设置下磁力发生器(9)，上磁力发生器(1)和下磁力发生器(9)的结构相同，相对于旋转盘(4)的中心上下对称且均由第一连接板(10)、连杆(11)、第二连接板(12)、电磁铁(13)、桥式开关(16)和电源(17)组成，第一连接板(10)与旋转盘(4)固定连接，上磁力发生器(1)的第一连接板(10)和上进出料头(2)之间是第二连接板(12)，第二连接板(12)上端与第一连接板(10)的下底面固定连接，第二连接板(12)的下端面与上进出料头(2)相贴近，第二连接板(12)的下端内部固定嵌有若干个电磁铁(13)，每个电磁铁(13)上都绕有线圈，所有的线圈均经桥式开关(16)与电源(17)相连；螺旋式容器(3)的每圈螺管的正面中间处是一段细管径段(23)，磨球(18)刚好能通过细管径段(23)。

2.根据权利要求1所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置，其特征是：进料口(14)的内径大于磨球的外径，出料口(15)的内径小于磨球(18)的外径。

3.根据权利要求1所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置，其特征是：螺旋式容器(3)采用透明可视的管道材料制成，上下两端的螺旋直径小，中间螺旋直径大，从上至下的螺旋圈数不小于6圈。

4.根据权利要求1所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置，其特征是：上进出料头(2)和下进出料头(8)都为半球体，与螺旋式容器(3)同轴心密封连接且相通，半球体的表面向外突出一个进料口(14)和一个出料口(15)，进料口(14)和出料口(15)都是圆柱体状的管道结构。

5.根据权利要求4所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置，其特征是：上进出料头(2)和下进出料头(8)的半球体的边缘处各向外突出一个半圆面板(21)，第二连接板(12)与半圆面板(21)相贴近，之间留有缝隙。

6.根据权利要求1所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置，其特征是：进料口(14)和出料口(15)各用一个半球体的圆盖盖住。

7.根据权利要求1所述的一种球磨与空化协同的二维纳米片材料制备装置，其特征是：电机(6)的壳体固定连接L型的底座(5)的竖直段，L型的底座(5)的水平段置放于地面。

8.一种如权利要求1所述的二维纳米片材料制备装置的制备方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1：将非磁性粉末材料和磨球(18)通过上进出料头(2)的进料口(14)放入螺旋式容器(3)中，再从进料口(14)加水，使螺旋式容器(3)装满水，磨球(18)在螺旋式容器(3)中利用自重由上而下运动，剥离材料；

步骤2：当磨球(18)落到螺旋式容器(3)下端时，切换上磁力发生器(1)和下磁力发生器(9)的桥式开关(16)，改变螺旋式容器(3)上下两端的磁性，使磨球(18)沿着螺旋式容器(3)的内壁再由下至上运动，当磨球(18)经过细管径段(23)通过时，在细管径段(23)处产生空化效应，剥离材料；

步骤3；反复执行步骤2，达到所需的加工要求。

9.一种如权利要求1所述的二维纳米片材料制备装置的制备方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1：将磁性粉末材料和磨球(18)通过上进出料头(2)的进料口(14)放入螺旋式容器(3)中，再从进料口(14)加水，使螺旋式容器(3)装满水，磨球(18)在螺旋式容器(3)中利用自重由上而下运动，剥离材料；

步骤2：当磨球(18)落到螺旋式容器(3)下端时，电机(6)驱动旋转盘(4)旋转，使得螺旋式容器(3)旋转180°，磨球(18)继续利用自重从上至下沿着螺旋式容器(3)的内壁运动，当磨球(18)经过细管径段(23)通过时，在细管径段(23)处产生空化效应，剥离材料；

步骤3：重复执行步骤2中的螺旋式容器(3)旋转180°的过程，达到所需的加工要求。

10.根据如权利要求8或9所述的制备方法，其特征是：步骤3之后，打开下进出料头(8)的出料口(15)，取出制备好的材料和水的混合物，打开下进出料头(8)的进料口(14)，取出磨球(18)。

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