一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置和方法。所述装置包括：震荡槽内设置有隔板，将震荡槽分割为工作腔和动力腔；所述工作腔内设置有带搅拌装置的球磨筒，球磨筒外的空腔是超声介质液体盛放腔室；所述球磨筒内有磨球堆积的磨球层，所述磨球层的上面依次设置有压板、压块；搅拌杆伸入磨球层中；动力腔内设置有超声波发生器和超声波换能器。本发明专利技术还提供利用所述装置制备六方氮化硼纳米片的方法。本发明专利技术的装置和方法具有设备与工艺简单、操作简便、成本低廉、绿色环保的优点，可实现六方氮化硼纳米片制备规模化。

A device and method for the preparation of six square boron nitride nanoscale by pure shear ball milling and ultrasound

The invention relates to a device and method for preparing six square boron nitride nanoscale by a pure shear ball milling and ultrasonic coordination. The device comprises a vibration groove is provided with a baffle, will shock divided into working chamber and dynamic slot cavity; milling cylinder with a stirring device is provided with the working cavity, cavity milling cylinder is a medium ultrasonic liquid chamber; the tube with milling grinding ball grinding ball layer stacked above, the grinding ball layer is arranged with a pressing plate, a pressing block; a stirring rod extends into the ball layer; a ultrasonic generator and ultrasonic transducer set dynamic cavity. The invention also provides a method for preparing six square boron nitride nanoscale by means of the device. The device and the method of the invention have the advantages of simple equipment and technology, simple operation, low cost and environmental protection, and can realize the large-scale preparation of the six boron nitride nanosheets.

【技术实现步骤摘要】
一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置和方法
本专利技术涉及一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置和方法，属于无机纳米材料的

技术介绍
六方氮化硼(h-BN)因具有与石墨相似的层状结构而素有“白色石墨”之称，相应地，h-BN纳米片因具有类似石墨烯的二维结构而常被称为“白色石墨烯”和“氮化硼烯”。相对于石墨烯，h-BN纳米片具有独特的性能，包括高能带间隙(绝缘体)、高化学稳定性和热稳定性、紫外发光性能。此外，h-BN纳米片的高表面积和N-B键的极性使其对多种物质都有良好的吸附性能。因此，h-BN纳米片在复合材料、催化剂载体、气体吸附及纳米电子器件领域具有重要的应用前景。对多数应用而言，性能良好的h-BN纳米片应具有较大的片径尺寸(100nm以上)、较小的片层厚度(10nm以下)和良好的晶体结构(无晶格缺陷)。实现h-BN纳米片的好性能、低成本、规模化、生态环保、连续可控的生产制备具有重要意义。目前，h-BN纳米片的制备方法可分为“自上而下”的剥离法和“自下而上”的合成法两大类。前者主要是机械剥离法和化学剥离法，后者主要是化学合成法和化学气相合成法。化学剥离法利用化学试剂与h-BN原料粉体的作用对抗h-BN原子层之间范德华力进行剥离，具有高效、低成本的优势，但该方法制备过程中，使用大量的强氧化剂、还原剂、强酸和强碱，造成环境污染，且对h-BN纳米片的晶体结构造成破坏，形成缺陷，影响其综合性能。化学合成法用硼化物和铵盐在高温高压的反应釜中原位氮化反应生成h-BN纳米片，操作环境安全性较差，产品不易控制。化学气相沉积法是将含有氮和硼的原料以加热等方式变成气态，由惰性气体输送，在较高的温度下沉积在晶格匹配且非常洁净的基板上。该方法的主要优势是制备大面积的h-BN纳米片，但其成本昂贵、工艺复杂、难以实现规模化发展。相比之下，机械剥离法是绿色、高效、低成本的制备方法。机械剥离法制备h-BN纳米片包括球磨剥离法、超声剥离法、水射流剥离法以及气流粉碎机剥离法等。球磨剥离法具有工艺简单、成本低廉、可规模化生产h-BN纳米片的优势，但该方法中的磨球对h-BN粉体除了施加具有剥离作用的剪切力，还因为磨球间的碰撞而产生巨大的冲击力，冲击力不但使h-BN纳米片的片径尺寸变小，而且h-BN纳米片的层晶格也受到影响，因此该方法制备的h-BN纳米片的片径尺寸较小、晶格缺陷大，难以制备大片径尺寸、高品质的h-BN纳米片。因此球磨法制备h-BN纳米片时应设法减小冲击力，增加剪切力。水射流剥离法和气流粉碎机剥离法是通过冲击力、空化力和粉体间的碰撞摩擦对粉体进行粉碎和剥离，不但设备复杂、操作繁琐，而且也会存在球磨剥离法的上述缺点。超声剥离法是将h-BN原料粉体分散在剥离溶剂中，利用超声波产生的空化效应释放的巨大能量将h-BN片层进行剥离而制备h-BN纳米片的方法。该方法工艺简单、成本低廉，对h-BN纳米片的层晶格影响较小，能制备较高品质的h-BN纳米片。但由于h-BN结构中B原子与N原子的电负性差异使得原子层之间的作用力除范德华力外还带有部分离子键性质的作用力，导致h-BN比石墨更难剥离。因此，超声剥离法的产率(即制备的h-BN纳米片与加入的h-BN原料粉体的质量百分比)很低，不能满足规模化生产h-BN纳米片的需要，并且随着超声时间的增加，得到的h-BN纳米片的片径尺寸相应地减小。中国专利文件CN103130236A提供了一种球磨与液相剥离相结合制备BN烯分散液的方法，该方法先后进行球磨处理和超声处理，由于两种处理过程分别进行，未能克服球磨剥离法和超声剥离法各自的缺点。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置。本专利技术还提供一种利用上述装置制备六方氮化硼纳米片的方法。本专利技术的技术方案为：一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置，包括：一个固定安装的震荡槽，所述震荡槽内设置有隔板，将所述震荡槽分割为工作腔和动力腔；所述工作腔内设置有带搅拌装置的球磨筒，球磨筒外的空腔是超声介质液体盛放腔室；所述球磨筒内有磨球堆积的磨球层，所述磨球层的上面依次设置有压板、压块；所述搅拌装置的搅拌杆伸入磨球层中；所述动力腔内设置有超声波发生器和超声波换能器。根据本专利技术优选的，所述磨球层高度为球磨筒高度的1/2～2/3。根据本专利技术优选的，所述压板上设置有若干直径为0.5～1mm的通孔。进一步优选，所述通孔在所述压板上均匀分布。在球磨过程中h-BN悬浮液可通过所述通孔在压板上下流通。根据本专利技术优选的，所述压板直径与球磨筒内径相适配。能将所述磨球层基本覆盖，使磨球被压在其下面。根据本专利技术优选的，所述压块的直径小于所述压板直径。压块的重量以能压住压板及磨球为宜，使磨球在球磨过程中被限定在压板下方的空间内运动。根据本专利技术优选的，所述搅拌装置包括调速电机、搅拌杆；所述搅拌杆的下端部设置有单层或多层的搅拌叶；所述压板和压块分别设有中心圆孔，使搅拌杆从压板和压块的中心圆孔穿过。压块和压板可沿所述搅拌杆上下移动。进一步优选，所述压板的中心圆孔与压块的中心圆孔为同心轴孔。进一步优选的，所述搅拌杆下端部的搅拌叶为桨式搅拌叶、锚式搅拌叶、推进式搅拌叶或螺带式搅拌叶。根据本专利技术优选的，所述震荡槽固定安装在带支架的底座上；所述支架包括垂直支撑杆、水平设置的保持架和水平设置的横梁；所述球磨筒和搅拌装置的调速电机分别通过保持架和横梁固定设置在所述垂直支撑杆上；所述横梁和保持架通过顶紧螺栓设置在所述垂直支撑杆上。所述横梁和保持架在垂直支撑杆上的位置可上下调整，用顶紧螺栓固定。进一步优选的，所述调速电机通过联轴器与搅拌杆连接；所述调速电机通过悬挂螺栓固定设置在所述横梁上；所述球磨筒通过锁紧螺母与保持架固定连接。所述球磨筒由保持架上的轴肩和锁紧螺母固定，避免其在球磨过程中移动或倾覆。进一步优选的，所述震荡槽、球磨筒、压板、压块和搅拌杆均为不锈钢材质。根据本专利技术优选的，所述球磨筒为圆柱形；球磨筒的顶部开口并设置有球磨筒盖。根据本专利技术优选的，所述磨球层由一种规格的磨球堆积构成或由两种以上规格的磨球按任意比例堆积构成；所述磨球的规格为直径1～5mm的G10等级的不锈钢球。根据本专利技术优选的，所述压块的质量为0.5～2kg；所述调速电机的功率为200～500W，调速范围为0～3000r/min，无级调速。根据本专利技术优选的，所述超声波发生器的功率为100～300W，频率为20～40kHz。根据本专利技术优选的，所述超声波发生器和超声波换能器通过电缆电连通。一种利用上述装置制备六方氮化硼纳米片的方法，包括步骤：(1)将球磨筒放置于震荡槽的工作腔中，调整支架的横梁高度，使搅拌杆底端与球磨筒底部的距离为5～10mm；(2)将磨球加入球磨筒中，磨球层堆积的高度为球磨筒高度的1/2～2/3，安放搅拌装置，使搅拌杆伸入磨球层中；(3)向球磨筒中加入球磨介质液体，球磨介质液体的液面高于所述压板20～50mm；(4)根据加入的球磨介质液体的体积加入h-BN原料粉体，h-BN原料粉体在球磨介质液体中的浓度为3～10g/L；(5)向球磨筒外边的超声介质液体盛放腔室内加入超声介质液体；将球磨筒通过支架的保持架固定，将球磨筒盖通过中心圆孔从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备六方氮化硼纳米片的装置，包括：一个固定安装的震荡槽，所述震荡槽内设置有隔板，将所述震荡槽分割为工作腔和动力腔；所述工作腔内设置有带搅拌装置的球磨筒，球磨筒外的空腔是超声介质液体盛放腔室；所述球磨筒内有磨球堆积的磨球层，所述磨球层的上面依次设置有压板、压块；所述搅拌装置的搅拌杆伸入磨球层中；所述动力腔内设置有超声波发生器和超声波换能器。

【技术特征摘要】
1.一种制备六方氮化硼纳米片的装置，包括：一个固定安装的震荡槽，所述震荡槽内设置有隔板，将所述震荡槽分割为工作腔和动力腔；所述工作腔内设置有带搅拌装置的球磨筒，球磨筒外的空腔是超声介质液体盛放腔室；所述球磨筒内有磨球堆积的磨球层，所述磨球层的上面依次设置有压板、压块；所述搅拌装置的搅拌杆伸入磨球层中；所述动力腔内设置有超声波发生器和超声波换能器。2.如权利要求1所述的制备六方氮化硼纳米片的装置，其特征在于，包括以下方案中任一项或多项：a1:所述磨球层高度为球磨筒高度的1/2～2/3；a2:所述压板上设置有若干直径为0.5～1mm的通孔；a3:所述压板直径与球磨筒内径相适配；a4:所述压块的直径小于所述压板直径。3.如权利要求1所述的制备六方氮化硼纳米片的装置，其特征在于，包括以下方案中任一项或多项：b1：所述搅拌装置包括调速电机、搅拌杆；所述搅拌杆的下端部设置有单层或多层的搅拌叶；b2:所述压板和压块分别设有中心圆孔，使搅拌杆从压板和压块的中心圆孔穿过；b3:所述压板的中心圆孔与压块的中心圆孔为同心轴孔；b4:所述搅拌杆下端部的搅拌叶为桨式搅拌叶、锚式搅拌叶、推进式搅拌叶或螺带式搅拌叶。4.如权利要求3所述的制备六方氮化硼纳米片的装置，其特征在于，包括以下方案中任一项或多项：c1:所述震荡槽固定安装在带支架的底座上；所述支架包括垂直支撑杆、水平设置的保持架和水平设置的横梁；c2:所述球磨筒和搅拌装置的调速电机分别通过保持架和横梁固定设置在所述垂直支撑杆上；c3:所述磨球层由一种规格的磨球堆积构成或由两种以上规格的磨球按任意比例堆积构成；c4:所述磨球的规格为直径1～5mm的G10等级的不锈钢球。5.如权利要求3所述的制备六方氮化硼纳米片的装置，其特征在于，包括以下条件中任一项或多项：d1:所述压块的质量为0.5～2kg；d2:所述调速电机的功率为200～500W，调速范围为0～3000r/min，无级调速；d3:所述超声波发生器的功率为100～300W，频率为20～40kHz；d4:所述超声波发生器和超声波换能器通过电缆电连通。6.一种制备六方氮化硼纳米片的方法，包括使用权利要求1至5任一项所述的装置，包括步骤：(1)将球磨筒放置于震荡槽的工作腔中，调整支架的横梁高度，使搅拌杆底端与球磨筒底部的距离为5～10mm；(2)将磨球加入球磨筒中，磨球层堆积的高度为球磨筒高度的1/2～2/3，安放搅拌装置，使搅拌杆伸入磨球层中；(3)向球磨筒中加入球磨介质液体，球磨介质液体的液面高于所述压板20～50mm；(4)根据加入的球磨介质液体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：许崇海，吴光永，陈照强，衣明东，肖光春，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37