CN102398897A

CN102398897A - 一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法

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Publication number: CN102398897A
Application number: CN2011103479052A
Authority: CN
Inventors: 沈志刚; 李金芝; 易敏; 麻树林; 张晓静; 邢玉山
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: CN102398897B

Abstract

一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，它有七大步骤：1.按重量比将氮化硼粉等三种原料配制成氮化硼水溶液，放入储料罐中；2.氮化硼水溶液由储料罐进入柱塞泵被加压至指定压力；3.氮化硼水溶液进入空化发生器中发生片层的剥离，得到含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液；4.水冷含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液的温度至室温；5.将步骤四得到的溶液再进入储料罐、柱塞泵和空化发生器，重复步骤三、四，形成制备过程的循环；6.***运行5min～100min后加工完成，关闭***；7.从储料罐中取出经步骤六得到的溶液，倒入沉淀罐，经沉淀后得到的上清液即为所需的二维纳米氮化硼溶液。本发明工艺先进，成本低，无污染，能实现工业化大规模生产。

Description

一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法

技术领域

本发明涉及一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，它属于一种利用机械法高效制备二维纳米氮化硼的技术，具体涉及二维纳米氮化硼的制备装置及方法。

背景技术

纳米材料的基本单元根据空间维数可分为零维、一维和二维纳米材料。其中二维纳米材料是指空间三维尺度仅有一维在纳米量级的材料。在众多纳米材料中，无机层状化合物得到的特殊纳米级层状结构开始引起人们的广泛兴趣，它不仅可以为许多化学反应提供独特的纳米级反应空间，其剥离后的纳米级单片层还可以作为制备其它新纳米结构的基本单元。近年来，此类纳米材料的结构和性能已成为纳米材料科学研究领域中的重要研究方向。

氮化硼为典型无机层状化合物代表材料之一。它是由氮原子和硼原子构成的晶体，其中六方氮化硼的晶体结构具有类似石墨的层状结构，故又称为“白色石墨”。氮化硼具有良好的电绝缘性，导热性，化学稳定性等优异性能，同时二维纳米氮化硼材料在离子交换、吸附、传导、分离和催化等诸多领域具有广阔的应用前景，成为了国内外研究的热点。尽管二维纳米氮化硼的前景非常诱人，但仍然有许多极具挑战性的问题，其中二维纳米氮化硼的制备就是所有问题中最根本的，若无法高效简易的制备出质量和产量上皆可观的二维纳米氮化硼，那么有关二维纳米氮化硼其他方面的研究和应用就会受到很大限制。同样，要实现二维纳米氮化硼的应用价值和经济效益，就必须考虑二维纳米氮化硼制备工艺的产量和效率，从这一点来看，大规模、高效率、低成本、无污染地生产制备二维纳米氮化硼是人们当前和未来的追求目标。

目前二维纳米氮化硼的制备方法主要有电弧放电法、溶剂热法、气相沉积法和液相法，其中电弧放电法、溶剂热法和气相沉积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，不能满足大量生产二维纳米氮化硼的需要。最近，国外的相关研究有在液相中制备二维纳米氮化硼的报道，从其报道中的原子力显微镜(AFM)图片可以看到，这些方法制备的二维纳米氮化硼质量还不够完美，但是，在液相中直接分散和剥离氮化硼可能是低成本、大规模制备二维纳米氮化硼的有效方法。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，该工艺方法可以有力地推动和促进二维纳米氮化硼的大规模、高效率、低成本、无污染生产。采用本发明的生产工艺制备的二维纳米氮化硼，具有简易、安全、无氧化、无需高温、环境友好、产量可观的特点，更加适合优质二维纳米氮化硼的工业化大规模生产。

2、技术方案：

1)本发明所述的方法，其所使用的装置，先介绍如下：

见图1所示，一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的装置，该装置由储料罐、入水管、阀门、电机、柱塞泵、压力表、高压管、空化发生器、循环水冷装置和回流管路等组成。它们之间的位置连接关系是：储料罐的出口与入水管的入口端连接，入水管的出口端与柱塞泵的入水口连接；阀门安装在入水管上，柱塞泵由与其相连的电机驱动，其工作压力由连接其上的压力表显示；柱塞泵的出水口与高压管的入水口连接，高压管的出水口与空化发生器的入水口连接；空化发生器的出水口与回流管路的入水口连接，回流管路的出水口与储料罐的入口连接，形成循环制备***；回流管路上安装循环水冷装置。

所述空化发生器，见图2、图3，它有两种结构类型，高压射流通过空化发生器可形成空化射流，进而制备得到二维纳米氮化硼；其中，所述空化发生器，其外形呈圆柱体状，内部由2～6个小孔径直段通孔和2～6个大孔径直段通孔组成；所述的小孔径直段通孔的直径为0.01mm～30mm，所述的大孔径直段通孔的直径为0.1mm～200mm；所述的小孔径直段通孔的深度为2mm～300mm，所述的大孔径直段通孔的深度为2mm～50mm。

其中，所述空化发生器，其外形呈圆柱体状，内部由一个孔径逐渐增大的直段通孔组成，其直径是分2～5个阶段逐渐增大的，不同阶段的直径从小到大依次为：0.01mm～30mm、0.03mm～50mm、0.05mm～70mm、0.07mm～90mm、0.1～100mm；每个阶段的直段通孔的深度为2mm～300mm。

其中，所述空化发生器的材质为金属或陶瓷。

2)本发明一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，该工艺方法是，首先在储料罐中加入分散稳定性良好的氮化硼溶液，该溶液由氮化硼粉、分散剂或表面改性剂和水组成，由入水管进入柱塞泵，加压后再通过高压管进入空化发生器；在空化发生器中通过水力空化和形状突变空化的作用，产生的微射流和冲击波作用在氮化硼体上，使氮化硼片层剥离，制备出高质量的二维纳米氮化硼；最后通过回流管路使整个制备过程形成闭路循环，液体经过循环往复的空化作用，就可以不断地剥离氮化硼片，从而可以容易地制备出单层和多层的二维纳米氮化硼；该工艺方法详述如下：

本发明一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，该方法包括有如下步骤：

步骤一：将重量比为0.1％～10％、平均粒度为10μm～50μm的氮化硼粉、重量比为0.01％～5％的分散剂或表面改性剂、重量比为85％～99％的水进行搅拌混合，制备出分散稳定性良好的氮化硼水溶液，放入储料罐中；

步骤二：设定柱塞泵的工作压力为3MPa～80MPa，打开入水管处阀门，氮化硼水溶液由储料罐进入柱塞泵，开启电机***运行，氮化硼水溶液被加压至指定压力，其压力范围为3MPa～80MPa；

步骤三：加压后的氮化硼水溶液通过高压管进入空化发生器中，溶液中的氮化硼颗粒在空化力的作用下发生片层的剥离，得到含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液，所述含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液为单层二维纳米氮化硼、多层二维纳米氮化硼、氮化硼颗粒的混合水溶液；

步骤四：经步骤三得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液由空化发生器的出水口进入回流管路，此时液体温度较高，在循环水冷装置的作用下，含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液的温度恢复至室温左右；

步骤五：经步骤四得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液经回流管路的出水口，进入储料罐，通过入水管再次进入柱塞泵和空化发生器等，重复步骤三和步骤四，形成制备过程的循环；

步骤六：***运行5min～100min后加工完成，关闭电机，关闭阀门，此时储料罐中的溶液是经多次空化处理过的溶液；

步骤七：从储料罐中取出经步骤六得到的溶液，倒入沉淀罐，经沉淀后，用虹吸或溢流的方法取出上清液，其上清液即为含有大量单层、双层、多层混合的二维纳米氮化硼溶液。

其中，步骤一中所述的分散剂是羧甲基纤维素钠或十二烷基硫酸钠。

其中，步骤一中所述的表面改性剂是羧甲基纤维素钠或十二烷基硫酸钠。

3、优点及功效：本发明一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法的优点在于：1、可以通过调节柱塞泵的压力值，对施加在氮化硼层之间的空化力大小进行调节。2、通过一定时间的循环往复空化作用，可以实现最大程度地生产二维纳米氮化硼。3、整个制备过程简单易行，生产成本低，无污染，可以实现工业化大规模生产的目的。

附图说明

图1是本发明的方法所使用的装置即射流空化方法制备二维纳米氮化硼的装置示意图。

图2是本发明所使用的装置中空化发生器(I)的结构示意图。

图3是本发明所使用的装置中空化发生器(II)的结构示意图。

图4是本发明所述的制备方法之流程框图。

图中标号和代号说明如下：

图1中：1.储料罐 2.入水管 3.阀门 4.电机

5.柱塞泵 6.压力表 7.高压管 8.空化发生器

9.循环水冷装置 10.回流管路

图2中：d₀：小孔径直段通孔的直径 d₁：大孔径直段通孔的直径

a，b，c，：通孔深度

箭头表示溶液流向

图3中：d₀、d₁、d₂、d₃：孔径逐渐增大的直段通孔的直径

a，b，c，e：通孔深度

箭头表示溶液流向

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的方法所使用的装置即一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的装置，主要由储料罐1、入水管2、阀门3、电机4、柱塞泵5、压力表6、高压管7、空化发生器8、循环水冷装置9和回流管路10等组成。

储料罐1的出口与入水管2的入口端连接，入水管2的出口端与柱塞泵5的入水口连接；

阀门3安装在入水管2上，柱塞泵5由电机4驱动，其工作压力由压力表6显示；

柱塞泵5的出水口与高压管7的入水口连接，高压管7的出水口与空化发生器8的入水口连接；

空化发生器8的出水口与回流管路10的入水口连接，回流管路10的出水口与储料罐1的入口连接，形成循环制备***；

回流管路10上安装循环水冷装置9。

所述储料罐1是普通金属结构容量为1立方的V形储料罐；它放置有氮化硼、分散剂或表面改性剂和水。

所述入水管2是市购的管径为Φ24mm的无缝钢管；

所述阀门3是市购的与入水管2相配的单向阀；

所述电机4是市购的型号为Y200L-4的电机；

所述柱塞泵5是市购的型号为3W60-1.2/70的柱塞泵；

所述压力表6是市购的最高量程为100MPa的压力表；

所述高压管7是市购的高压软管，内径为Φ12mm；

所述的空化发生器8有两种结构类型，其外形呈圆柱体状，如图2所示，其内部由2～6个小孔径直段通孔和2～6个大孔径直段通孔组成；所述的小孔径直段通孔的直径d₀为0.01mm～30mm，所述的大孔径直段通孔的直径d₁为0.1mm～200mm；所述的小孔径直段通孔的深度a＝2mm～300mm、c＝2mm～50mm，所述的大孔径直段通孔的深度b为2mm～50mm。

所述的空化发生器8的另一种结构类型，如图3所示，其内部由一个孔径逐渐增大的直段通孔组成，其直径是分2～5个阶段逐渐增大的，不同阶段的直径从小到大依次为：d₀＝0.01mm～30mm、d₁＝0.03mm～50mm、d₂＝0.05mm～70mm、d₃＝0.07mm～90mm；直段通孔的深度为a＝2mm～300mm、b＝2mm～100mm，c＝2mm～100mm，e＝2mm～100mm。

所述的空化发生器8的材质为金属或陶瓷。

所述循环水冷装置9为市购水冷装置；

所述回流管路10是市购的管径为Φ12的无缝钢管。

本发明利用射流空化方法制备二维纳米氮化硼，射流空化制备二维纳米氮化硼的原理是，在空化发生器的进出口之间存在较高的压力差，该压力差将在液体中产生水动力空化；空化发生器几何突变，将在液体中诱导几何空化；这种强力的空化会在氮化硼体表面产生脉冲微射流和冲击波，这种脉冲力作用在氮化硼体表面将会以应力波的方式传播，当传播到固液界面时，根据应力波理论，压应力入射波到达固液界面后，会在氮化硼体中反射回拉应力波，主要是这种拉应力使氮化硼片剥离。

在这种空化作用过程中会产生大量的热，使得氮化硼水溶液温度升高，因此在回流管路10上安装了循环水冷装置9，用以降低溶液温度，使得***的循环得以实现。

见图4所示，本发明一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，包括下列具体步骤：

第一步：将0.1％～10％平均粒度为10μm～50μm的氮化硼粉、0.01％～5％的分散剂或表面改性剂(羧甲基纤维素钠或十二烷基硫酸钠)、85％～99％的水进行搅拌混合，制备出分散稳定性良好的氮化硼水溶液，放入储料罐1中；

第二步：设定柱塞泵5的工作压力为3MPa～80MPa，打开入水管2处阀门3，氮化硼水溶液由储料罐1进入柱塞泵5，开启电机4***运行，氮化硼水溶液被加压至指定压力3MPa～80MPa；

第三步：图1装置中有两种类型的空化发生器，分别如图2和图3所示。加压后的氮化硼水溶液通过高压管7进入空化发生器8中，溶液中的氮化硼颗粒在空化力的作用下发生片层的剥离，得到含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液；所述含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液为单层二维纳米氮化硼、多层二维纳米氮化硼、氮化硼颗粒的混合水溶液；

第四步：经步骤三得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液由空化发生器8的出水口进入回流管路10，此时液体温度较高(约40℃-100℃)，在循环水冷装置9的作用下，含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液的温度恢复至室温左右；

第五步：经步骤四得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液经回流管路10的出水口，进入储料罐1，通过入水管2再次进入柱塞泵5和空化发生器8等，重复步骤三和步骤四，形成制备过程的循环；

第六步：***运行5min～100min后，关闭电机4，关闭阀门3等，此时储料罐1中的溶液是经多次空化处理过的溶液；

第七步：从储料罐1中取出经步骤六得到的溶液，倒入沉淀罐，经沉淀0.5天～7天后，用虹吸或溢流的方法取出上清液，其上清液即为含有大量单层、双层、多层混合的二维纳米氮化硼溶液。

实施例一：

采用射流空化装置如图1所示，空化发生器如图2所示，利用射流空化方法制备二维纳米氮化硼的工艺为：

第一步：将1.9％平均粒度为12μm的氮化硼粉、0.1％的羧甲基纤维素钠改性剂(CMC)和98％的水制备出分散稳定性良好的氮化硼水溶液，放入储料罐1中；

第二步：设定柱塞泵5的工作压力为20Mpa，打开入水管2处阀门3，氮化硼水溶液由储料罐1进入柱塞泵5，开启电机4***运行，氮化硼水溶液被加压至指定压力20Mpa；所述电机4的功率为30KW；

第三步：加压后的氮化硼水溶液通过高压管7进入空化发生器8中，溶液中的氮化硼颗粒在空化力的作用下发生片层的剥离，得到含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液；所述含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液为单层二维纳米氮化硼、多层二维纳米氮化硼、氮化硼颗粒的混合水溶液；

第四步：经步骤三得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液由空化发生器8的出水口进入回流管路10，此时液体温度较高，在循环水冷装置9的作用下，含单层和多层二维纳米氮化硼溶液的温度恢复至室温左右；

第五步：经步骤四得到的含单层和多层二维纳米氮化硼溶液经回流管路10的出水口，进入储料罐1，通过入水管2再次进入柱塞泵5和空化发生器8等，重复步骤三和步骤四，形成制备过程的循环；液体经过循环往复的空化作用，可以不断地剥离氮化硼片，从而可以容易地制备出单层和多层的二维纳米氮化硼；

第六步：***运行30min后，关闭电机4，关闭阀门3等，此时储料罐1中的溶液是经多次空化处理过的溶液；

第七步：从储料罐1中取出经步骤六得到的溶液，倒入沉淀罐，经沉淀1天后，用虹吸的方法取出上清液，其上清液即为含有大量单层、双层、多层混合的二维纳米氮化硼溶液。

实施例二：

采用射流空化装置如图1所示，空化发生器如图3所示，利用射流空化方法制备二维纳米氮化硼的工艺为：

第一步：将4.9％平均粒度为25μm的氮化硼粉、3.1％的十二烷基硫酸钠和92％的水制备出分散稳定性良好的氮化硼水溶液，放入储料罐1中；

第二步：设定柱塞泵5的工作压力为40MPa，打开入水管2处阀门3，氮化硼水溶液由储料罐1进入柱塞泵5，开启电机4***运行，氮化硼水溶液被加压至指定压力40Mpa；

所述电机4的功率为30KW；

第四步：经步骤三得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液由空化发生器8的出水口进入回流管路10，此时液体温度较高，在循环水冷装置9的作用下，含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液的温度恢复至室温左右；

第五步：经步骤四得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液经回流管路10的出水口，进入储料罐1，通过入水管2再次进入柱塞泵5和空化发生器8等，重复步骤三和步骤四，形成制备过程的循环；液体经过循环往复的空化作用，可以不断地剥离氮化硼片，从而可以容易地制备出单层和多层的二维纳米氮化硼；

第六步：***运行60min后，关闭电机4，关闭阀门3等，此时储料罐1中的溶液是经多次空化处理过的溶液；

第七步：从储料罐1中取出经步骤六得到的溶液，倒入沉淀罐，经沉淀3天后，用虹吸的方法取出上清液，其上清液即为含有大量单层、双层、多层混合的二维纳米氮化硼溶液。

实施例三：

第一步：将9.1％平均粒度为45μm的氮化硼粉、4.9％的十二烷基硫酸钠和86％的水制备出分散稳定性良好的氮化硼水溶液，放入储料罐1中；

第二步：设定柱塞泵5的工作压力为70MPa，打开入水管2处阀门3，氮化硼水溶液由储料罐1进入柱塞泵5，开启电机4***运行，氮化硼水溶液被加压至指定压力70Mpa；所述电机4的功率为30KW；

第六步：***运行90min后，关闭电机4，关闭阀门3等，此时储料罐1中的溶液是经多次空化处理过的溶液；

第七步：从储料罐1中取出经步骤六得到的溶液，倒入沉淀罐，经沉淀7天后，用虹吸的方法取出上清液，其上清液即为含有大量单层、双层、多层混合的二维纳米氮化硼溶液。

Claims

1.一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，该方法是利用一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的装置来制备的，该装置由储料罐(1)、入水管(2)、阀门(3)、电机(4)、柱塞泵(5)、压力表(6)、高压管(7)、空化发生器(8)、循环水冷装置(9)和回流管路(10)组成；其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：将重量比为0.1％～10％、平均粒度为10μm～50μm的氮化硼粉、重量比为0.01％～5％的分散剂或表面改性剂、重量比为85％～99％的水进行搅拌混合，制备出分散稳定性良好的氮化硼水溶液，放入储料罐(1)中；

步骤二：设定柱塞泵(5)的工作压力为3MPa～80MPa，打开入水管(2)处阀门(3)，氮化硼水溶液由储料罐(1)进入柱塞泵(5)，开启电机(4)***运行，氮化硼水溶液被加压至指定压力，其压力范围为3MPa～80MPa；

步骤三：加压后的氮化硼水溶液通过高压管(7)进入空化发生器(8)中，溶液中的氮化硼颗粒在空化力的作用下发生片层的剥离，得到含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液，所述含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液为单层二维纳米氮化硼、多层二维纳米氮化硼、氮化硼颗粒的混合水溶液；

步骤四：经步骤三得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液由空化发生器(8)的出水口进入回流管路(10)，此时液体温度较高，在循环水冷装置(9)的作用下，含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液的温度恢复至室温左右；

步骤五：经步骤四得到的含单层和多层二维纳米氮化硼的溶液经回流管路(10)的出水口，进入储料罐(1)，通过入水管(2)再次进入柱塞泵(5)和空化发生器(8)，重复步骤三和步骤四，形成制备过程的循环；

步骤六：***运行5min～100min后加工完成，关闭电机(4)，关闭阀门(3)，此时储料罐(1)中的溶液是经多次空化处理过的溶液；

步骤七：从储料罐(1)中取出经步骤六得到的溶液，倒入沉淀罐，经沉淀后，用虹吸或溢流的方法取出上清液，其上清液即为含有大量单层、双层、多层混合的二维纳米氮化硼溶液。

2.根据权利要求1所述的一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，其特征在于：所述步骤一中的分散剂是羧甲基纤维素钠。

3.根据权利要求1所述的一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，其特征在于：所述步骤一中的分散剂是十二烷基硫酸钠。

4.根据权利要求1所述的一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，其特征在于：所述步骤一中的表面改性剂是羧甲基纤维素钠。

5.根据权利要求1所述的一种射流空化技术制备二维纳米氮化硼的方法，其特征在于：所述步骤一中的表面改性剂是十二烷基硫酸钠。