CN113416334B - 一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜及其制备方法，所述方法包括如下步骤：将羟乙基纤维素溶液和氮化硼进行液相球磨，羟乙基纤维素溶液中羟乙基纤维素和氮化硼的质量比为(0.6～2.5)：(1～5)，得到羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液；将羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液进行干燥，得到羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜，选用价格低廉、可生物降解和水溶性的羟乙基纤维素作为剥离剂，利用羟乙基纤维素的高粘度保护氮化硼纳米片的结构完整性，这样既可以在液相球磨中对BNNs进行保护，又能作为复合材料的基底，时间短，不使用有机溶剂，具有高的机械性能和强导热性能。

Description

一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及片状纳米材料制备技术领域，具体为一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜及其制备方法。
背景技术
氮化硼纳米片(BNNS)具有优异的热传导、耐高温和减摩抗磨等性能，其被作为增强剂、导热填料和导电剂广泛的应用于材料科学、电子器件等领域。
氮化硼纳米片的制备方法主要是化学气相沉积、水热、机械辅助剥离法，气相沉积法制备的BNNS成本高、制备条件苛刻、产量低；机械辅助剥离法中超声的强空化作用会导致氮化硼纳米片表层产生缺陷，并且通过以上方法制备的氮化硼纳米片表面官能团较少，将其直接与聚合物复合时极易发生团聚现象。因此，寻找一种高效、环保和节能的BNNS制备方法具有重要的意义。
目前有研究人员通过在氮化硼片层中生长三聚氰胺分子链，增加其层间距离，减小层与层之间范德华力，再使用液相球磨对其进行剥离，可以制备三聚氰胺修饰的氮化硼纳米片。所得的BNNS可以与聚合物复合制备高导热复合材料，但制备过程中使用成本较高的有机溶剂，并且制备周期较长，影响改性氮化硼纳米片的工业化应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜及其制备方法，时间短，不使用有机溶剂，具有高的机械性能和强导热性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：
将羟乙基纤维素溶液和氮化硼进行液相球磨，羟乙基纤维素溶液中羟乙基纤维素和氮化硼的质量比为(0.6～2.5)：(1～5)，得到羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液；
将羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液进行干燥，得到羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜。
优选的，所述羟乙基纤维素溶液的质量分数为3％～5％。
进一步，该羟乙基纤维素溶液按如下过程得到：
先将羟乙基纤维素在去离子水中润涨1～12h，之后再搅拌所得混合体系，得到该羟乙基纤维素溶液。
再进一步，所述的搅拌进行1～5h。
进一步，所述的羟乙基纤维素溶液和氮化硼通过研磨珠进行液相球磨，羟乙基纤维素溶液与研磨珠的质量比为1:(30～50)。
进一步，所述的液相球磨在300～500转/分钟的条件下进行6～36h。
优选的，所述的氮化硼为六方氮化硼。
优选的，所述的羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液在40～60℃中干燥12～24h。
一种由上述任意一项所述的羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法得到的羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜。
进一步，所述的羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜中氮化硼堆叠在一起，每次氮化硼的间距为3～5nm，纵向尺寸为3～5nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，选用价格低廉、可生物降解和水溶性的羟乙基纤维素作为剥离剂，利用羟乙基纤维素的高粘度保护氮化硼纳米片的结构完整性，这样既可以在液相球磨中对BNNs进行保护，又能作为复合材料的基底；在氮化硼剥离的过程中羟乙基纤维素分子会***到氮化硼片层间，通过范德华力和氢键的作用使羟乙基纤维素吸附到氮化硼纳米片表层，形成羟乙基纤维素修饰的氮化硼纳米片，然后，修饰的氮化硼纳米片与羟乙基纤维素通过氢键作用进行充分复合，再利用模板浇筑法制备出HEC/BNNS复合薄膜，减少制备复合材料所需的时间，不使用有机溶剂，符合环保要求。选用价格低廉、可生物降解和水溶性的羟乙基纤维素。
附图说明
图1为本发明实施例1HEC辅助剥离的BNNs的SEM图。
图2为本发明实施例1HEC/BNNs复合材料SEM图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)将羟乙基纤维素(HEC)溶于去离子水中，静置润涨1h～12h，使水分子充分进入到羟乙基纤维素中，使得羟乙基纤维素良好的分散开，再搅拌1h～5h后，制备成质量分数为3％～5％的羟乙基纤维素溶液；
(2)取步骤(1)中20g～50g羟乙基纤维素溶液放置于100ml、200ml或500ml的玛瑙、刚玉或不锈钢研磨罐体中，加入研磨珠，羟乙基纤维素溶液与研磨珠的质量比为1:(30～50)，再加入1g～5g氮化硼在300～500转/分钟的条件下进行液相球磨6h～36h，羟乙基纤维素对氮化硼进行辅助剥离，本实施例选用六方氮化硼；
(3)取制备步骤(2)中10g～20g羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液导入直径为8cm～10cm的聚四氟乙烯或有机玻璃磨具中，放置于烘箱在40℃～60℃中干燥12h～24h后，得到羟乙基纤维素/氮化硼复合薄膜。
如图1所示，为BNNs的TEM图像，将羟乙基纤维素/氮化硼复合薄膜通过多次离心，分离出底层的BNNs，并采用冷冻干燥或真空干燥的方法，得到BNNs，将收集的固体粉末做SEM，可以观察到少层状的BNNs堆叠在一起，横向尺寸在200nm左右，纵向尺寸为3～5nm。
如图2所示，为羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的断裂面SEM图像，BNNs均匀的分布在混合体系中。
采用一步成型制备的羟乙基纤维素/氮化硼复合薄膜具有高的机械性能和强导热性能，拉伸强度为10～50MPa,导热系数高达3W/(m·K)～7W/(m·K)，其中拉伸强度采用国标GB/T 1040.3-2006，样品裁成10mm×40mm的长条，在室温下以5mm/min速度拉伸，导热系数用的是hot-disk法。
实施例1
本发明一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)将羟乙基纤维素溶于去离子水中，静置静置润涨1h，再搅拌5h后，制备成3％的溶液；
(2)取步骤(1)中20g羟乙基纤维素溶液放置于100ml的玛瑙研磨罐体中，加入质量比1:30的研磨珠，再加入1g六方氮化硼在300转/分钟的条件下进行液相球磨6h；
(3)取制备步骤(2)中10g羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液导入直径8cm聚四氟乙烯磨具中，放置于烘箱在40℃中干燥12h后，成功制备复合薄膜。
采用一步成型制备的羟乙基纤维素/氮化硼复合材料具有高机械性能和导热性能，拉伸强度为11MPa,导热系数高达3W/(m·K)。
实施例2
本发明一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)将羟乙基纤维素溶于去离子水中，静置静置润涨4h，再搅拌4h后，制备成3％的溶液；
(2)取步骤(1)中30g羟乙基纤维素溶液放置于200ml的刚玉研磨罐体中，加入质量比1:40的研磨珠，再加入2g六方氮化硼在400转/分钟的条件下进行液相球磨12h；
(3)取制备步骤(2)中10g羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液导入直径8cm聚四氟乙烯磨具中，放置于烘箱在45℃中干燥18h后，成功制备复合薄膜。
采用一步成型制备的羟乙基纤维素/氮化硼复合材料具有高机械性能和导热性能，拉伸强度为20MPa,导热系数高达4W/(m·K)。
实施例3
本发明一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)将羟乙基纤维素溶于去离子水中，静置静置润涨8h，再搅拌3h后，制备成5％的溶液；
(2)取步骤(1)中50g羟乙基纤维素溶液放置于500ml的不锈钢研磨罐体中，加入质量比1:50的研磨珠，再加入4g六方氮化硼在500转/分钟的条件下进行液相球磨24h；
(3)取制备步骤(2)中20g羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液导入直径10cm有机玻璃磨具中，放置于烘箱在60℃中干燥24h后，成功制备复合薄膜。
采用一步成型制备的羟乙基纤维素/氮化硼复合材料具有高机械性能和导热性能，拉伸强度为40MPa,导热系数高达6W/(m·K)。
实施例4
本发明一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)将羟乙基纤维素溶于去离子水中，静置静置润涨12h，再搅拌1h后，制备成5％的溶液；
(2)取步骤(1)中40g羟乙基纤维素溶液放置于100ml的玛瑙研磨罐体中，加入质量比1:50的研磨珠，再加入5g六方氮化硼在500转/分钟的条件下进行液相球磨36h；
(3)取制备步骤(2)中20g羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液导入直径10cm聚四氟乙烯磨具中，放置于烘箱在55℃中干燥24h后，成功制备复合薄膜。
采用一步成型制备的羟乙基纤维素/氮化硼复合材料具有高机械性能和导热性能，拉伸强度为50MPa,导热系数高达7W/(m·K)。

Claims (4)

1.一种羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
先将羟乙基纤维素在去离子水中润涨1～12h，之后再搅拌所得混合体系，得到羟乙基纤维素溶液，将质量分数为3％～5％的羟乙基纤维素溶液和六方氮化硼通过研磨珠在300～500转/分钟的条件下液相球磨6～36h，羟乙基纤维素溶液与研磨珠的质量比为1:(30～50)，羟乙基纤维素溶液中羟乙基纤维素和六方氮化硼的质量比为(0.6～2.5)：(1～5)，得到羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液；
将羟乙基纤维素/氮化硼复合溶液在40～60℃中干燥12～24h，得到羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述的搅拌进行1～5h。
3.一种由权利要求1～2中任意一项所述的羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜的制备方法得到的羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜。
4.根据权利要求3所述的羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜，其特征在于，所述的羟乙基纤维素/氮化硼纳米复合薄膜中氮化硼堆叠在一起，每次氮化硼的间距为3～5nm，纵向尺寸为3～5nm。
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