一种高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片及其制备方法 (High-dispersion amorphous carbon coated hexagonal boron nitride nanosheet and preparation method thereof ) 是由 宋浩杰 张远超 杨进 贾晓华 王思哲 李永 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片及其制备方法,制备方法包括步骤1)按质量比为1：(5～15)的六方氮化硼粉末和糖均匀混合,球磨得到混合粉体；2)将混合粉体分散在水中经超声、离心处理取离心产物得到糖接枝氮化硼纳米片；3)将糖接枝氮化硼纳米片放入反应釜中以2～4℃/min升温速率升温至180～220℃,保温2～6h,即得到高分散无定形碳包覆的六方氮化硼纳米片；本发明通过球磨工艺和超声法在氮化硼表面接枝糖,其反应过程简单、不需要大型的设备,糖在球磨过程中充当表面改性物质,在水热碳化过程中充当碳源使得氮化硼表面包覆一层水热碳层提高其在水中的分散稳定性。(The invention discloses a high-dispersion amorphous carbon-coated hexagonal boron nitride nanosheet and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps of 1) by mass: (5-15) uniformly mixing the hexagonal boron nitride powder and sugar, and performing ball milling to obtain mixed powder; 2) dispersing the mixed powder in water, and performing ultrasonic and centrifugal treatment to obtain a centrifugal product to obtain a sugar grafted boron nitride nanosheet; 3) putting the sugar grafted boron nitride nanosheets into a reaction kettle, heating to 180-220 ℃ at a heating rate of 2-4 ℃/min, and preserving heat for 2-6 hours to obtain highly dispersed amorphous carbon coated hexagonal boron nitride nanosheets; the sugar is grafted on the surface of the boron nitride through a ball milling process and an ultrasonic method, the reaction process is simple, large-scale equipment is not needed, the sugar serves as a surface modification substance in the ball milling process, and serves as a carbon source in the hydrothermal carbonization process, so that the surface of the boron nitride is coated with a hydrothermal carbon layer to improve the dispersion stability of the boron nitride in water.)
技术领域
本发明涉及一种氮化硼纳米片，具体涉及一种高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片及其制备方法。
背景技术
“白石墨烯”的氮化硼以下简称h-BN是具有高绝缘性、热稳定性、强抗氧化性以及抗腐蚀性的二维层状纳米材料。然而其内部的BN原子层之间存在强van de Waals作用力以及带局部离子键性质的作用力，使得BN原子层难以剥离，以及BN原子层仅的层间距离易团聚，导致h-BN在有机溶剂或水等极性溶剂中溶解度有限。
h-BN的制备方法分为“自上而下”的球磨法、流体法、液相剥离法、离子插层法和“自下而上”的化学气相沉积法、外延生长法。然而，“自下而上”的方法对实验设备要求高，反应需要高温高压，能耗大，极大增加了生产成本，并且对于后续应用还存在着较多限制。因此，h-BN的制备方法多数选择球磨法和液相法。
中国发明专利文献CN106554514A公开了一种机械方法制备氮化硼纳米片的方法，该方法步骤复杂且后期需要碱性溶液对氮化硼表面进行修饰过程。
中国发明专利文献CN104803363A的内容中公开了将六方氮化硼粉末与十二烷基吡咯烷酮、异丙醇、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、N-甲基甲酰胺等极性有机溶剂按一定比例混合搅拌均匀，后通过高剪切分散乳化机在一定的温度、剪切速度和剪切时间下进行剪切剥离。
中国发明专利文献CN104803363A公开了一种使用插层和表面活性剂通过超声和水热反应制备六方氮化硼纳米片的方法，该方法制备的分散液在静置一周后有明显沉淀，后期需要使用CN104803363A中提到的极性有机溶剂，该极性有机溶剂均是高沸点溶剂难以去除且对人体有害，不仅对环境造成污染，而且增加了实验后期处理步骤。
发明内容
本发明目的在于提供一种制备工艺简单，成本低、绿色环保的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片及其制备方法，制备的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片在水中具有良好的分散性以及润滑减摩效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：按质量比为1：(5～15)的六方氮化硼粉末和糖均匀混合，球磨得到混合粉体；
步骤2：将混合粉体分散在水中经超声、离心处理取离心产物得到糖接枝六方氮化硼纳米片；
步骤3：将糖接枝六方氮化硼纳米片以2～4℃/min升温速率升温至180～220℃，保温2～6h后，即得到高分散无定形碳包覆的六方氮化硼纳米片。
进一步地，所述步骤1中的六方氮化硼粉末直径为20～30μm。
进一步地，所述步骤1中的糖为蔗糖、果糖、葡萄糖、蜂蜜、淀粉或者纤维素。
进一步地，所述步骤1中的球磨速率为400～700rpm，球磨时间为8～16h。
进一步地，所述步骤2中的超声功率为100～500W，超声时间为1～2h。
进一步地，所述步骤2中的离心速率为3000～8000rpm，离心时间为15～30min。
一种根据该制备方法制得的高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明采用球磨工艺和超声法在六方氮化硼纳米片表面接枝糖，通过协同调控碳化的温度和时间进行水热碳化处理后制备出在水中具有良好的分散性以及润滑减摩效果优异的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片，制备方法操作步骤简单，不需要大型实验设备，降低制备成本；
2)本发明制备过程中以糖在球磨过程中充当表面改性物质，在水热碳化过程中充当碳源，使得制备出的六方氮化硼纳米片表面包覆一层水热碳层，提高了其在水中的分散稳定性；解决了氮化硼纳米片在摩擦过程中因接枝的长分子链断裂而降低润滑性能，以及氮化硼纳米片分散液在摩擦中团聚现象的问题；
3)本发明制备的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片将糖分子碳化作为无定形碳使无序碳在剪切力作用下变得有序类，提高h-BN的润滑性能，使得无定形碳包覆六方氮化硼纳米片直接作为润滑添加剂使用，不需经过二次处理进而减少环境污染，并且大幅降低润滑脂摩擦系数。
附图说明
图1是本发明制备剥离改性的六方氮化硼分散液示意图；
图2是本发明制备的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片分散液示意图；
图3是本发明制备的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片分散液分散均匀45天后BN原子层无分层现象示意图；
图4是本发明制备的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片的SEM图；
图5是本发明制备的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片的XRD图；
图6是本发明制备的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片与对照组的摩擦磨损实验曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例1：
1)将商业20～30μm六方氮化硼和蔗糖按照质量比1:7的比例混合均匀。
2)将均匀混合后的六方氮化硼和蔗糖在球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机下进行6h的球磨，最终得到的球磨混合粉体呈现米黄色。
3)将混合粉体分散到水中进行2h的超声处理,对超声后的六方氮化硼分散液以6000rpm离心20min，并取上清液。
4)对离心后的上清液进行水热碳化，水热温度为180℃，升温速度为2℃/min，保温时间为2h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到高分散的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
实施例2：
1)将商业20～30μm六方氮化硼和葡萄糖按照质量比1:7的比例混合均匀。
2)将均匀混合后的六方氮化硼与葡萄糖在球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机下进行16h的球磨，最终得到的球磨混合粉体呈现米黄色。
3)将混合粉体分散到水中进行2h的超声处理，对超声后的六方氮化硼分散液以6000rpm离心20min，并取上清液。
4)对离心后的上清液进行水热碳化，水热温度为180℃，升温速度为2℃/min，保温时间为4h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
实施例3：
11)将商业20～30μm六方氮化硼与果糖按照质量比1:7的比例混合均匀。
2)将均匀混合后的六方氮化硼与果糖在球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机下进行16h的球磨，最终得到的球磨混合粉体呈现米黄色。
3)将混合粉体分散到水中进行2h的超声处理，对超声后的六方氮化硼分散液以6000rpm离心20min，并取上清液。
4)对离心后的上清液进行水热碳化，水热温度为190℃，升温速度为2℃/min，保温时间为2h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
实施例4：
1)将商业20～30μm六方氮化硼与淀粉按照质量比1:7的比例混合均匀。
2)将均匀混合后的六方氮化硼与淀粉在球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机下进行16h的球磨，最终得到的球磨混合粉体呈现米黄色。
3)将混合粉体分散到水中进行2h的超声处理，对超声后的六方氮化硼分散液以6000rpm离心20min，并取上清液。
4)对离心后的上清液进行水热碳化，水热温度为190℃，升温速度为2℃/min，保温时间为4h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
实施例5：
1)将商业20～30μm六方氮化硼与蜂蜜按照质量比1:7的比例混合均匀。
2)将均匀混合后的六方氮化硼与蜂蜜糖在球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机下进行16h的球磨，最终得到的球磨混合粉体呈现米黄色。
3)将混合粉体分散到水中进行2h的超声处理，对超声后的六方氮化硼分散液以6000rpm离心20min，并取上清液。
4)对离心后的上清液进行水热碳化，水热温度为210℃，升温速度为2℃/min，保温时间为2h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
实施例6：
1)将商业20～30μm六方氮化硼与纤维素按照质量比1:7的比例混合均匀。
2)将均匀混合后的六方氮化硼与纤维素在球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机下进行16h的球磨，最终得到的球磨混合粉体呈现米黄色。
3)将混合粉体分散到水中进行2h的超声处理，对超声后的六方氮化硼纳米片分散液以6000rpm离心20min，并取上清液。
4)对离心后的上清液进行水热碳化，水热温度为210℃，升温速度为2℃/min，保温时间为4h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
综上所述，经本实施例1-6制得剥离改性的六方氮化硼分散液如图1所示。
经本实施例1-6制得的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片分散液如图2所示，分散均匀45天后BN原子层无分层现象如图3所示。
经本实施例1-6制得无定形碳包覆六方氮化硼纳米片的SEM图如图4所示，BN原子的片层纤薄且片层之间无团聚，经碳化后的片层明显呈黑色。
经本实施例1-6制得无定形碳包覆六方氮化硼纳米片的XRD图如图5所示，纯氮化硼XRD曲线的特征峰，在26℃的位置，因六方氮化硼离子键的特性使其剥离后的特征锋发生很微小的偏移几乎可以忽略。且通过与糖的曲线对比发现糖成功接枝到六方氮化硼片层上。
经本实施例1-6制得的无定形碳包覆六方氮化硼纳米片与三个对照组的摩擦磨损实验曲线图如图6所示，无定形碳包裹六方氮化硼纳米片相比于三个对照组摩擦系数分别降低了88％、83％、79％。说明无定形碳包覆六方氮化硼纳米片的水分散液具有良好润滑效果。
实施例7：
步骤1：取20～30μm的六方氮化硼粉末和蔗糖按照质量比1：5的比例均匀混合，后经球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机球磨8h，后得到米黄色的混合粉体。
步骤2：将米黄色的混合粉体取出分散在水中，后放进超声功率为100～500W的细胞破碎超声仪中进行1h超声处理，超声处理后以3000～8000rpm离心15min得到糖接枝六方氮化硼纳米片。
步骤3：将糖接枝六方氮化硼纳米片在聚四氟乙烯反应釜中，以4℃/min升温180℃进行水热碳化处理，保温6h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
实施例8：
步骤1：取20～30μm的六方氮化硼粉末和葡萄糖按照质量比1：15的比例均匀混合，后经球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机球磨12h，后得到米黄色的混合粉体。
步骤2：将米黄色的混合粉体取出分散在水中，后放进超声功率为100～500W的细胞破碎超声仪中进行1.5h超声处理，超声处理后以3000～8000rpm离心20min得到糖接枝六方氮化硼纳米片。
步骤3：将糖接枝六方氮化硼纳米片在聚四氟乙烯反应釜中以3℃/min升温至220℃进行水热碳化处理，保温3h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
实施例9：
步骤1：取20～30μm的六方氮化硼粉末和蜂蜜按照质量比1：11的比例均匀混合，后经球磨速率为400～700rpm的行星式球磨机球磨14h，后得到米黄色的混合粉体。
步骤2：将米黄色的混合粉体取出分散在水中，后放进超声功率为100～500W的细胞破碎超声仪中进行1h超声处理，超声处理后以3000～8000rpm离心24min得到糖接枝六方氮化硼纳米片。
步骤3：将糖接枝六方氮化硼纳米片在聚四氟乙烯反应釜中，以3℃/min升温至210℃进行水热碳化处理，保温4h，待水热反应结束后，自然冷却至室温后，然后将反应后的产物取出，再次进行超声分散得到高分散无定形碳包覆六方氮化硼纳米片。
参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
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