專利名稱：一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法
技術領域：
本發明涉及一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，它屬于一種利用機械法高效制備二維納米氮化硼的技術，具體涉及二維納米氮化硼的制備裝置及方法。
背景技術：
納米材料的基本單元根據空間維數可分為零維、一維和二維納米材料。其中二維納米材料是指空間三維尺度僅有一維在納米量級的材料。在眾多納米材料中，無機層狀化合物得到的特殊納米級層狀結構開始引起人們的廣泛興趣，它不僅可以為許多化學反應提供獨特的納米級反應空間，其剝離后的納米級單片層還可以作為制備其它新納米結構的基本單元。近年來，此類納米材料的結構和性能已成為納米材料科學研究領域中的重要研究方向。氮化硼為典型無機層狀化合物代表材料之一。它是由氮原子和硼原子構成的晶體，其中六方氮化硼的晶體結構具有類似石墨的層狀結構，故又稱為“白色石墨”。氮化硼具有良好的電絕緣性，導熱性，化學穩定性等優異性能，同時二維納米氮化硼材料在離子交換、吸附、傳導、分離和催化等諸多領域具有廣闊的應用前景，成為了國內外研究的熱點。盡管二維納米氮化硼的前景非常誘人，但仍然有許多極具挑戰性的問題，其中二維納米氮化硼的制備就是所有問題中最根本的，若無法高效簡易的制備出質量和產量上皆可觀的二維納米氮化硼，那么有關二維納米氮化硼其他方面的研究和應用就會受到很大限制。同樣，要實現二維納米氮化硼的應用價值和經濟效益，就必須考慮二維納米氮化硼制備工藝的產量和效率，從這一點來看，大規模、高效率、低成本、無污染地生產制備二維納米氮化硼是人們當前和未來的追求目標。目前二維納米氮化硼的制備方法主要有電弧放電法、溶劑熱法、氣相沉積法和液相法，其中電弧放電法、溶劑熱法和氣相沉積法雖然可以制備出高質量的二維納米氮化硼， 但由于制備方法的限制，不能滿足大量生產二維納米氮化硼的需要。最近，國外的相關研究有在液相中制備二維納米氮化硼的報道，從其報道中的原子力顯微鏡(AFM)圖片可以看到，這些方法制備的二維納米氮化硼質量還不夠完美，但是，在液相中直接分散和剝離氮化硼可能是低成本、大規模制備二維納米氮化硼的有效方法。
發明內容
1、目的本發明的目的是提供一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，該工藝方法可以有力地推動和促進二維納米氮化硼的大規模、高效率、低成本、無污染生產。 采用本發明的生產工藝制備的二維納米氮化硼，具有簡易、安全、無氧化、無需高溫、環境友好、產量可觀的特點，更加適合優質二維納米氮化硼的工業化大規模生產。2、技術方案1)本發明所述的方法，其所使用的裝置，先介紹如下見圖1所示，一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的裝置，該裝置由儲料罐、入水管、閥門、電機、柱塞泵、壓力表、高壓管、空化發生器、循環水冷裝置和回流管路等組成。 它們之間的位置連接關系是儲料罐的出口與入水管的入口端連接，入水管的出口端與柱塞泵的入水口連接；閥門安裝在入水管上，柱塞泵由與其相連的電機驅動，其工作壓力由連接其上的壓力表顯示；柱塞泵的出水口與高壓管的入水口連接，高壓管的出水口與空化發生器的入水口連接；空化發生器的出水口與回流管路的入水口連接，回流管路的出水口與儲料罐的入口連接，形成循環制備系統；回流管路上安裝循環水冷裝置。所述空化發生器，見圖2、圖3，它有兩種結構類型，高壓射流通過空化發生器可形成空化射流，進而制備得到二維納米氮化硼；其中，所述空化發生器，其外形呈圓柱體狀，內部由2 6個小孔徑直段通孔和2 6個大孔徑直段通孔組成；所述的小孔徑直段通孔的直徑為0. Olmm 30mm，所述的大孔徑直段通孔的直徑為0. Imm 200mm ；所述的小孔徑直段通孔的深度為2mm 300mm，所述的大孔徑直段通孔的深度為2mm 50mm。其中，所述空化發生器，其外形呈圓柱體狀，內部由一個孔徑逐漸增大的直段通孔組成，其直徑是分2 5個階段逐漸增大的，不同階段的直徑從小到大依次為0. Olmm 30mm、0. 03mm 50mm、0. 05mm 70mm、0. 07mm 90mm、0. 1 100mm ；每個階段的直段通孔的深度為2mm 300mm。其中，所述空化發生器的材質為金屬或陶瓷。2)本發明一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，該工藝方法是，首先在儲料罐中加入分散穩定性良好的氮化硼溶液，該溶液由氮化硼粉、分散劑或表面改性劑和水組成，由入水管進入柱塞泵，加壓后再通過高壓管進入空化發生器；在空化發生器中通過水力空化和形狀突變空化的作用，產生的微射流和沖擊波作用在氮化硼體上，使氮化硼片層剝離，制備出高質量的二維納米氮化硼；最后通過回流管路使整個制備過程形成閉路循環，液體經過循環往復的空化作用，就可以不斷地剝離氮化硼片，從而可以容易地制備出單層和多層的二維納米氮化硼；該工藝方法詳述如下本發明一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，該方法包括有如下步驟步驟一將重量比為0. 10%、平均粒度為IOym 50μπι的氮化硼粉、重量比為0. 01% 5%的分散劑或表面改性劑、重量比為85% 99%的水進行攪拌混合，制備出分散穩定性良好的氮化硼水溶液，放入儲料罐中；步驟二 設定柱塞泵的工作壓力為3ΜΙ^ 80MPa，打開入水管處閥門，氮化硼水溶液由儲料罐進入柱塞泵，開啟電機系統運行，氮化硼水溶液被加壓至指定壓力，其壓力范圍為 3MPa 80MPa ；步驟三加壓后的氮化硼水溶液通過高壓管進入空化發生器中，溶液中的氮化硼顆粒在空化力的作用下發生片層的剝離，得到含單層和多層二維納米氮化硼的溶液，所述含單層和多層二維納米氮化硼的溶液為單層二維納米氮化硼、多層二維納米氮化硼、氮化硼顆粒的混合水溶液；步驟四經步驟三得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液由空化發生器的出水口進入回流管路，此時液體溫度較高，在循環水冷裝置的作用下，含單層和多層二維納米氮化硼的溶液的溫度恢復至室溫左右；步驟五經步驟四得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液經回流管路的出水口，進入儲料罐，通過入水管再次進入柱塞泵和空化發生器等，重復步驟三和步驟四，形成制備過程的循環；步驟六系統運行5min IOOmin后加工完成，關閉電機，關閉閥門，此時儲料罐中的溶液是經多次空化處理過的溶液；步驟七從儲料罐中取出經步驟六得到的溶液，倒入沉淀罐，經沉淀后，用虹吸或溢流的方法取出上清液，其上清液即為含有大量單層、雙層、多層混合的二維納米氮化硼溶液。其中，步驟一中所述的分散劑是羧甲基纖維素鈉或十二烷基硫酸鈉。其中，步驟一中所述的表面改性劑是羧甲基纖維素鈉或十二烷基硫酸鈉。3、優點及功效本發明一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法的優點在于1、可以通過調節柱塞泵的壓力值，對施加在氮化硼層之間的空化力大小進行調節。2、通過一定時間的循環往復空化作用，可以實現最大程度地生產二維納米氮化硼。3、整個制備過程簡單易行，生產成本低，無污染，可以實現工業化大規模生產的目的。
圖1是本發明的方法所使用的裝置即射流空化方法制備二維納米氮化硼的裝置示意圖。圖2是本發明所使用的裝置中空化發生器(I)的結構示意圖。圖3是本發明所使用的裝置中空化發生器(II)的結構示意圖。圖4是本發明所述的制備方法之流程框圖。圖中標號和代號說明如下圖1中1.儲料罐2.入水管 3.閥門 4.電機5.柱塞泵6.壓力表 7.高壓管 8.空化發生器9.循環水冷裝置10.回流管路圖2中Cltl 小孔徑直段通孔的直徑Cl1 大孔徑直段通孔的直徑a, b, c,通孔深度箭頭表示溶液流向圖3中dQ、Cl1, d2、d3 孔徑逐漸增大的直段通孔的直徑a, b, c, e 通孔深度箭頭表示溶液流向
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。參見圖1所示，本發明的方法所使用的裝置即一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的裝置，主要由儲料罐1、入水管2、閥門3、電機4、柱塞泵5、壓力表6、高壓管7、空化發生器8、循環水冷裝置9和回流管路10等組成。儲料罐1的出口與入水管2的入口端連接，入水管2的出口端與柱塞泵5的入水口連接； 閥門3安裝在入水管2上，柱塞泵5由電機4驅動，其工作壓力由壓力表6顯示；
柱塞泵5的出水口與高壓管7的入水口連接，高壓管7的出水口與空化發生器8
空化發生器8的出水口與回流管路10的入水口連接，回流管路10的出水口與儲料罐1的入口連接，形成循環制備系統；回流管路10上安裝循環水冷裝置9。所述儲料罐1是普通金屬結構容量為1立方的V形儲料罐；它放置有氮化硼、分散劑或表面改性劑和水。所述入水管2是市購的管徑為Φ24mm的無縫鋼管；所述閥門3是市購的與入水管2相配的單向閥；所述電機4是市購的型號為Y200L-4的電機；所述柱塞泵5是市購的型號為3W60-1. 2/70的柱塞泵；所述壓力表6是市購的最高量程為IOOMPa的壓力表；所述高壓管7是市購的高壓軟管，內徑為Φ 12mm ；所述的空化發生器8有兩種結構類型，其外形呈圓柱體狀，如圖2所示，其內部由 2 6個小孔徑直段通孔和2 6個大孔徑直段通孔組成；所述的小孔徑直段通孔的直徑Cltl 為0. Olmm 30mm，所述的大孔徑直段通孔的直徑(I1為0. Imm 200mm ；所述的小孔徑直段通孔的深度a = 2mm 300mm、c = 2mm 50mm，所述的大孔徑直段通孔的深度b為2mm 50mmo所述的空化發生器8的另一種結構類型，如圖3所示，其內部由一個孔徑逐漸增大的直段通孔組成，其直徑是分2 5個階段逐漸增大的，不同階段的直徑從小到大依次為 d0 = 0. Olmm 30mm、Cl1 = 0. 03mm 50mm、d2 = 0. 05mm 70mm、d3 = 0. 07mm 90mm ；直段通孔的深度為 a = 2mm 300mm、b = 2mm 100mm，c = 2mm 100mm，e = 2mm 100mm。所述的空化發生器8的材質為金屬或陶瓷。所述循環水冷裝置9為市購水冷裝置；所述回流管路10是市購的管徑為Φ 12的無縫鋼管。本發明利用射流空化方法制備二維納米氮化硼，射流空化制備二維納米氮化硼的原理是，在空化發生器的進出口之間存在較高的壓力差，該壓力差將在液體中產生水動力空化；空化發生器幾何突變，將在液體中誘導幾何空化；這種強力的空化會在氮化硼體表面產生脈沖微射流和沖擊波，這種脈沖力作用在氮化硼體表面將會以應力波的方式傳播， 當傳播到固液界面時，根據應力波理論，壓應力入射波到達固液界面后，會在氮化硼體中反射回拉應力波，主要是這種拉應力使氮化硼片剝離。在這種空化作用過程中會產生大量的熱，使得氮化硼水溶液溫度升高，因此在回流管路10上安裝了循環水冷裝置9，用以降低溶液溫度，使得系統的循環得以實現。見圖4所示，本發明一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，包括下列具體步驟第一步將0. 10%平均粒度為ΙΟμπι 50μπι的氮化硼粉、0. 01% 5%的分散劑或表面改性劑(羧甲基纖維素鈉或十二烷基硫酸鈉)、85% 99%的水進行攪拌混合，制備出分散穩定性良好的氮化硼水溶液，放入儲料罐1中；第二步設定柱塞泵5的工作壓力為3MPa 80MPa，打開入水管2處閥門3，氮化硼水溶液由儲料罐1進入柱塞泵5，開啟電機4系統運行，氮化硼水溶液被加壓至指定壓力3MPa 80MPa ；第三步圖1裝置中有兩種類型的空化發生器，分別如圖2和圖3所示。加壓后的氮化硼水溶液通過高壓管7進入空化發生器8中，溶液中的氮化硼顆粒在空化力的作用下發生片層的剝離，得到含單層和多層二維納米氮化硼的溶液；所述含單層和多層二維納米氮化硼的溶液為單層二維納米氮化硼、多層二維納米氮化硼、氮化硼顆粒的混合水溶液；第四步經步驟三得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液由空化發生器8的出水口進入回流管路10，此時液體溫度較高(約40°C -IOO0C )，在循環水冷裝置9的作用下，含單層和多層二維納米氮化硼的溶液的溫度恢復至室溫左右；第五步經步驟四得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液經回流管路10的出水口，進入儲料罐1，通過入水管2再次進入柱塞泵5和空化發生器8等，重復步驟三和步驟四，形成制備過程的循環；第六步系統運行5min IOOmin后，關閉電機4，關閉閥門3等，此時儲料罐1中的溶液是經多次空化處理過的溶液；第七步從儲料罐1中取出經步驟六得到的溶液，倒入沉淀罐，經沉淀0. 5天 7 天后，用虹吸或溢流的方法取出上清液，其上清液即為含有大量單層、雙層、多層混合的二維納米氮化硼溶液。實施例一采用射流空化裝置如圖1所示，空化發生器如圖2所示，利用射流空化方法制備二維納米氮化硼的工藝為第一步將1.9%平均粒度為12 μ m的氮化硼粉、0. 1 %的羧甲基纖維素鈉改性劑 (CMC)和98%的水制備出分散穩定性良好的氮化硼水溶液，放入儲料罐1中；第二步設定柱塞泵5的工作壓力為20Mpa，打開入水管2處閥門3，氮化硼水溶液由儲料罐1進入柱塞泵5，開啟電機4系統運行，氮化硼水溶液被加壓至指定壓力20Mpa ；所述電機4的功率為30KW ； 第三步加壓后的氮化硼水溶液通過高壓管7進入空化發生器8中，溶液中的氮化硼顆粒在空化力的作用下發生片層的剝離，得到含單層和多層二維納米氮化硼的溶液；所述含單層和多層二維納米氮化硼的溶液為單層二維納米氮化硼、多層二維納米氮化硼、氮化硼顆粒的混合水溶液；第四步經步驟三得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液由空化發生器8的出水口進入回流管路10，此時液體溫度較高，在循環水冷裝置9的作用下，含單層和多層二維納米氮化硼溶液的溫度恢復至室溫左右；第五步經步驟四得到的含單層和多層二維納米氮化硼溶液經回流管路10的出水口，進入儲料罐1，通過入水管2再次進入柱塞泵5和空化發生器8等，重復步驟三和步驟四，形成制備過程的循環；液體經過循環往復的空化作用，可以不斷地剝離氮化硼片，從而可以容易地制備出單層和多層的二維納米氮化硼；第六步系統運行30min后，關閉電機4，關閉閥門3等，此時儲料罐1中的溶液是經多次空化處理過的溶液；第七步從儲料罐1中取出經步驟六得到的溶液，倒入沉淀罐，經沉淀1天后，用虹吸的方法取出上清液，其上清液即為含有大量單層、雙層、多層混合的二維納米氮化硼溶液。實施例二 采用射流空化裝置如圖1所示，空化發生器如圖3所示，利用射流空化方法制備二維納米氮化硼的工藝為第一步將4. 9%平均粒度為25 μ m的氮化硼粉、3. 1 %的十二烷基硫酸鈉和92 % 的水制備出分散穩定性良好的氮化硼水溶液，放入儲料罐1中；第二步設定柱塞泵5的工作壓力為40MPa，打開入水管2處閥門3，氮化硼水溶液由儲料罐1進入柱塞泵5，開啟電機4系統運行，氮化硼水溶液被加壓至指定壓力40Mpa ；所述電機4的功率為30KW ； 第三步加壓后的氮化硼水溶液通過高壓管7進入空化發生器8中，溶液中的氮化硼顆粒在空化力的作用下發生片層的剝離，得到含單層和多層二維納米氮化硼的溶液；所述含單層和多層二維納米氮化硼的溶液為單層二維納米氮化硼、多層二維納米氮化硼、氮化硼顆粒的混合水溶液；第四步經步驟三得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液由空化發生器8的出水口進入回流管路10，此時液體溫度較高，在循環水冷裝置9的作用下，含單層和多層二維納米氮化硼的溶液的溫度恢復至室溫左右；第五步經步驟四得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液經回流管路10的出水口，進入儲料罐1，通過入水管2再次進入柱塞泵5和空化發生器8等，重復步驟三和步驟四，形成制備過程的循環；液體經過循環往復的空化作用，可以不斷地剝離氮化硼片，從而可以容易地制備出單層和多層的二維納米氮化硼；第六步系統運行60min后，關閉電機4，關閉閥門3等，此時儲料罐1中的溶液是經多次空化處理過的溶液；第七步從儲料罐1中取出經步驟六得到的溶液，倒入沉淀罐，經沉淀3天后，用虹吸的方法取出上清液，其上清液即為含有大量單層、雙層、多層混合的二維納米氮化硼溶液。實施例三采用射流空化裝置如圖1所示，空化發生器如圖2所示，利用射流空化方法制備二維納米氮化硼的工藝為第一步將9. 1 %平均粒度為45 μ m的氮化硼粉、4. 9%的十二烷基硫酸鈉和86% 的水制備出分散穩定性良好的氮化硼水溶液，放入儲料罐1中；第二步設定柱塞泵5的工作壓力為70MPa，打開入水管2處閥門3，氮化硼水溶液由儲料罐1進入柱塞泵5，開啟電機4系統運行，氮化硼水溶液被加壓至指定壓力70Mpa ；所述電機4的功率為30KW ；第三步加壓后的氮化硼水溶液通過高壓管7進入空化發生器8中，溶液中的氮化硼顆粒在空化力的作用下發生片層的剝離，得到含單層和多層二維納米氮化硼的溶液；所述含單層和多層二維納米氮化硼的溶液為單層二維納米氮化硼、多層二維納米氮化硼、氮化硼顆粒的混合水溶液；第四步經步驟三得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液由空化發生器8的出水口進入回流管路10，此時液體溫度較高，在循環水冷裝置9的作用下，含單層和多層二維納米氮化硼的溶液的溫度恢復至室溫左右；第五步經步驟四得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液經回流管路10的出水口，進入儲料罐1，通過入水管2再次進入柱塞泵5和空化發生器8等，重復步驟三和步驟四，形成制備過程的循環；液體經過循環往復的空化作用，可以不斷地剝離氮化硼片，從而可以容易地制備出單層和多層的二維納米氮化硼；第六步系統運行90min后，關閉電機4，關閉閥門3等，此時儲料罐1中的溶液是經多次空化處理過的溶液；第七步從儲料罐1中取出經步驟六得到的溶液，倒入沉淀罐，經沉淀7天后，用虹吸的方法取出上清液，其上清液即為含有大量單層、雙層、多層混合的二維納米氮化硼溶液。
權利要求
1.一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，該方法是利用一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的裝置來制備的，該裝置由儲料罐(1)、入水管O)、閥門(3)、電機0)、 柱塞泵(5)、壓力表(6)、高壓管(7)、空化發生器(8)、循環水冷裝置(9)和回流管路(10) 組成；其特征在于該方法具體步驟如下步驟一將重量比為0. 10%、平均粒度為IOym 50μπι的氮化硼粉、重量比為 0.01% 5%的分散劑或表面改性劑、重量比為85% 99%的水進行攪拌混合，制備出分散穩定性良好的氮化硼水溶液，放入儲料罐(1)中；步驟二 設定柱塞泵(5)的工作壓力為3ΜΙ^ 80MPa，打開入水管(2)處閥門(3)，氮化硼水溶液由儲料罐(1)進入柱塞泵(5)，開啟電機(4)系統運行，氮化硼水溶液被加壓至指定壓力，其壓力范圍為3MPa 80MPa ；步驟三加壓后的氮化硼水溶液通過高壓管(7)進入空化發生器(8)中，溶液中的氮化硼顆粒在空化力的作用下發生片層的剝離，得到含單層和多層二維納米氮化硼的溶液，所述含單層和多層二維納米氮化硼的溶液為單層二維納米氮化硼、多層二維納米氮化硼、氮化硼顆粒的混合水溶液；步驟四經步驟三得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液由空化發生器(8)的出水口進入回流管路(10)，此時液體溫度較高，在循環水冷裝置(9)的作用下，含單層和多層二維納米氮化硼的溶液的溫度恢復至室溫左右；步驟五經步驟四得到的含單層和多層二維納米氮化硼的溶液經回流管路(10)的出水口，進入儲料罐(1)，通過入水管( 再次進入柱塞泵( 和空化發生器(8)，重復步驟三和步驟四，形成制備過程的循環；步驟六系統運行5min IOOmin后加工完成，關閉電機G)，關閉閥門(3)，此時儲料罐(1)中的溶液是經多次空化處理過的溶液；步驟七從儲料罐(1)中取出經步驟六得到的溶液，倒入沉淀罐，經沉淀后，用虹吸或溢流的方法取出上清液，其上清液即為含有大量單層、雙層、多層混合的二維納米氮化硼溶液。
2.根據權利要求1所述的一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，其特征在于所述步驟一中的分散劑是羧甲基纖維素鈉。
3.根據權利要求1所述的一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，其特征在于所述步驟一中的分散劑是十二烷基硫酸鈉。
4.根據權利要求1所述的一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，其特征在于所述步驟一中的表面改性劑是羧甲基纖維素鈉。
5.根據權利要求1所述的一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，其特征在于所述步驟一中的表面改性劑是十二烷基硫酸鈉。
全文摘要
一種射流空化技術制備二維納米氮化硼的方法，它有七大步驟1.按重量比將氮化硼粉等三種原料配制成氮化硼水溶液，放入儲料罐中；2.氮化硼水溶液由儲料罐進入柱塞泵被加壓至指定壓力；3.氮化硼水溶液進入空化發生器中發生片層的剝離，得到含單層和多層二維納米氮化硼的溶液；4.水冷含單層和多層二維納米氮化硼的溶液的溫度至室溫；5.將步驟四得到的溶液再進入儲料罐、柱塞泵和空化發生器，重復步驟三、四，形成制備過程的循環；6.系統運行5min～100min后加工完成，關閉系統；7.從儲料罐中取出經步驟六得到的溶液，倒入沉淀罐，經沉淀后得到的上清液即為所需的二維納米氮化硼溶液。本發明工藝先進，成本低，無污染，能實現工業化大規模生產。
文檔編號B82Y40/00GK102398897SQ20111034790
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者張曉靜, 易敏, 李金芝, 沈志剛, 邢玉山, 麻樹林 申請人:北京航空航天大學