利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法技术

本发明专利技术涉及材料表面润湿性和纳米多孔材料领域，具体为一种利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法。选用三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸为分子组元制备出超分子凝胶，再经冷冻干燥以及高温处理可得到最终的氮化硼气凝胶。通过调节形成超分子凝胶的分子组元的类型和比例，可以影响最终所得氮化硼气凝胶的微观形貌，进而使其表现不同的超浸润性。本发明专利技术提供的方法可制备出具有不同原生超浸润性的氮化硼气凝胶，有望在初始阶段对材料最终的润湿性进行设计，所述的方法具有可操作性强，工艺简单且易于重复的优点。

Method for achieving different superwetting properties of boron nitride aerogels by supramolecular assembly

【技术实现步骤摘要】
利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法
本专利技术涉及材料表面润湿性和纳米多孔材料领域，具体为一种利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法。
技术介绍
受自然界的启发，超浸润特性多年以来一直吸引着人们的关注，已有研究充分显示其在能源、环境、信息等方面巨大的应用潜力。为了获得具有超浸润性的材料，人们往往会采用复杂的处理手段，例如：辐照、涂覆、刻蚀等方法，来改变材料的表面能或表面形貌，以期对其浸润性进行调控，这些方法究其根本可归结为依靠对材料的后天处理从而获得不同的超浸润性。然而，要使材料具备原生的超浸润性，并且还可以在初始阶段对最终的润湿性进行设计却是一项极具挑战性的课题，相关的研究也十分稀少。由于具有优异的化学稳定性、高的热导率、出色的生物相容性等优点，氮化硼纳米材料在环境治理、热管理、生物材料等方面有着广泛应用，研究其浸润性因而具有重要意义。之前关于氮化硼纳米材料的研究主要针对氮化硼的低维形式，例如：Pakdel等通过采用等离子辐照或者调节化学气相沉积实验参数的方法获得具有不同超浸润性的氮化硼纳米薄膜(ACSNano2011,5,6507-6515；Langmuir2013,29,7529-7533；ACSNano2014,8,10631-10639)。对于三维多孔氮化硼而言，多数文献仅显示其具有超疏水特点，但对于如何设计和调控其润湿性却很少有更深入的讨论。作为一种具有纳米骨架的多孔材料，氮化硼气凝胶集微观和宏观材料的优点于一身，近年来日益引起科学界的兴趣，已有的研究报道其具有极低介电常数、超弹性等特点，在诸多领域有着很大的应用潜力。但是至今却未见有关于在其上实现不同超浸润性的探索，有关润湿性的调控方法也鲜有报道。截止目前仅发现一篇文献提及通过紫外辐照的方法可使得氮化硼气凝胶由超疏水状态变得相对亲水，但是距离超亲水状态还相去甚远；另外，这种相对亲水的状态难以长时间保持，接触角在短时间内便开始增大，重新回到疏水状态(Nanoscale2015,7,10449-10458)。需要指出的是，对于多孔氮化硼而言，其制备过程经常选用价格昂贵且有毒的有机前驱体，例如：硼吖嗪、硼烷氨等。针对氮化硼气凝胶这种骨架在纳米尺度的多孔材料，现有的制备技术多是以现成的气凝胶(例如：石墨烯气凝胶或是氧化硅气凝胶等)作为模板，通过气相法进行元素替换而得到最终的气凝胶。而昂贵的原料以及繁琐的制备工艺，也成为氮化硼相关多孔材料推广和应用极大的限制因素。相比于上文提及的昂贵原料和复杂工艺，人们长期以来在制备氮化硼粉末时，经常选用尿素、三聚氰胺和硼酸、硼砂等廉价原料。特别是对于三聚氰胺和硼酸这两种物质，它们在水中溶解之后冷却可形成白色物质。这一现象的背后对应着超分子组装过程，该过程是利用组元间的非共价键结合使其产生自发排列组装，选用不同的组元和溶剂可能得到完全不同的形貌。近年来，超分子组装在无机材料的制备上发挥的作用日渐凸显，例如：在制备石墨型氮化碳纳米材料时，人们借助三聚氰胺和其它物质形成超分子的特点，在湿化学阶段调控得到具有不同微观形貌的超分子聚集体，再经高温转化得到最终的氮化碳。由于在湿化学阶段的调控过程，这种方法得到的终产物有着与生俱来的多样微观结构，这也造就所得材料在特定性能上的多样性和可调性。氮化硼材料和氮化碳材料在原料上均用到三聚氰胺，也可以通过充分发挥超分子组装的优势以调节材料最终性能，但是用超分子组装方法实现氮化硼材料的不同的超浸润性却从没有报道，对于其它的材料体系，将超分子组装制备思想用于润湿性调控的探索也从未有过。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，该方法通过简单调节形成超分子凝胶的分子组元的类型和比例，可以影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微结构，使其表现不同的原生超浸润性，这一方法使得从初始阶段对材料最终的润湿性进行设计成为可能。本专利技术的技术方案如下：一种利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，通过调控形成超分子凝胶的分子组元的类型和比例，影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微结构，使其表现不同的原生超浸润性，具体步骤如下：1)超分子凝胶的制备：将三聚氰胺和硼酸按1:3～1:9的摩尔比在75～95℃条件下溶解于去离子水中并搅拌1～10小时；另将三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸按1:1:4～1:1:12摩尔比在75～95℃条件下溶解于去离子水中并搅拌1～10小时；接着，将上述一系列溶液倒入不同容器中，并于室温冷却形成超分子凝胶；2)超分子凝胶的干燥：将步骤1)中的超分子凝胶分别在-25～-45℃条件下冷冻12～24小时，之后在真空环境下进行干燥处理；3)高温处理：将步骤2)中冷冻、干燥后的超分子凝胶放入气氛炉中，在1300℃～1500℃条件下保温3～5小时，即得到具有不同超浸润性的氮化硼气凝胶。所述的利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，以三聚氰胺和硼酸为原料经高温转化所得的氮化硼气凝胶，表现出既超亲水又超亲油，即超双亲的特点；以三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸为原料：在摩尔比为1:1:4～1:1:7时，经高温转化所得的氮化硼气凝胶，表现出超疏水且超亲油的性质；在摩尔比为1:1:9～1:1:12时，经高温转化所得的氮化硼气凝胶，再次表现出超双亲的性质。所述的利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，以三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸为原料制备得到的超疏水且超亲油的氮化硼气凝胶具有鸟巢状微结构，该结构由直径在0.5～1μm、长度在10～30μm的短纤维形成的纤维簇构成，纤维簇搭接形成的大孔直径在20～60μm。所述的利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，所得氮化硼气凝胶的超浸润状态可保持三个月以上，表现出良好的鲁棒性。所述的利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，步骤1)中，所配制溶液各自的总浓度为25～55mg/ml。所述的利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，步骤3)中，气氛炉所用的气氛为氩气或氮气。本专利技术的设计思想是：本专利技术选用三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸为分子组元制备出超分子凝胶，再经冷冻干燥以及高温处理可得到最终的氮化硼气凝胶。本专利技术通过调节形成超分子凝胶的分子组元的类型和比例，可以影响最终所得氮化硼气凝胶的微观形貌，进而使其表现不同的超浸润性。本专利技术提供的方法可制备出具有不同原生超浸润性的氮化硼气凝胶，有望在初始阶段对材料最终的润湿性进行设计，所述的方法具有可操作性强，工艺简单且易于重复的优点。本专利技术的优点及有益效果是：1.本专利技术利用超分子组装制备出具有不同原生超浸润性的氮化硼气凝胶，具体而言是通过简单调节形成超分子凝胶的分子组元的类型和比例，影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微观结构，使其表现不同的原生超浸润性。2.本专利技术提供一种有效获得并调节氮化硼气凝胶超浸润状态的方法，摆脱传统润湿性调节方法所涉及的涂覆、辐照、刻蚀等复杂处理工序。3.本专利技术制备流程简单，工艺环保，易于产业化的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，其特征在于，通过调控形成超分子凝胶的分子组元的类型和比例，影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微结构，使其表现不同的原生超浸润性，具体步骤如下：/n1)超分子凝胶的制备：将三聚氰胺和硼酸按1:3～1:9的摩尔比在75～95℃条件下溶解于去离子水中并搅拌1～10小时；另将三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸按1:1:4～1:1:12摩尔比在75～95℃条件下溶解于去离子水中并搅拌1～10小时；接着，将上述一系列溶液倒入不同容器中，并于室温冷却形成超分子凝胶；/n2)超分子凝胶的干燥：将步骤1)中的超分子凝胶分别在-25～-45℃条件下冷冻12～24小时，之后在真空环境下进行干燥处理；/n3)高温处理：将步骤2)中冷冻、干燥后的超分子凝胶放入气氛炉中，在1300℃～1500℃条件下保温3～5小时，即得到具有不同超浸润性的氮化硼气凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，其特征在于，通过调控形成超分子凝胶的分子组元的类型和比例，影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微结构，使其表现不同的原生超浸润性，具体步骤如下：
1)超分子凝胶的制备：将三聚氰胺和硼酸按1:3～1:9的摩尔比在75～95℃条件下溶解于去离子水中并搅拌1～10小时；另将三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸按1:1:4～1:1:12摩尔比在75～95℃条件下溶解于去离子水中并搅拌1～10小时；接着，将上述一系列溶液倒入不同容器中，并于室温冷却形成超分子凝胶；
2)超分子凝胶的干燥：将步骤1)中的超分子凝胶分别在-25～-45℃条件下冷冻12～24小时，之后在真空环境下进行干燥处理；
3)高温处理：将步骤2)中冷冻、干燥后的超分子凝胶放入气氛炉中，在1300℃～1500℃条件下保温3～5小时，即得到具有不同超浸润性的氮化硼气凝胶。


2.按照权利要求1所述的利用超分子组装实现氮化硼气凝胶不同超浸润性的方法，其特征在于，以三聚氰胺和硼酸为原料经高温转化所得的氮化硼气凝胶，表现出既超亲水又超亲油，即超双亲的特点；以三聚氰胺、甲代三聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：王京阳，潘晶晶，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21