[发明专利]一种超细氮化硼连续纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超细氮化硼连续纳米纤维的制备方法。属于氮化硼连续纳米纤维材料制备的技术领域。

背景技术

氮化硼纤维有十分突出的物理化学性质，主要表现在具有很高的抗氧化温度(＞850℃)、宽带隙(＞5.5eV)和较小的密度(2.27g/cm³)。BN的结构与石墨类似，BN纤维具有可以与碳纤维相媲美的优良机械性能，因此在诸多领域具有与碳纤维类似的重要应用。而BN的抗高温氧化性和化学稳定性比碳纤维高很多，BN纤维可以在更高的温度范围和恶劣环境中工作，因此具有重要的应用价值。(R.T.Paine，C.K.Narula.Chemical Review，1990，90，73-91)。

从纳米的角度说，纳米材料在某一维度上达到纳米级，产生纳米效应，表现出一些特殊的性能。人们对碳纳米管、碳纳米纤维进行了大量的研究，发表了成千上万篇的学术论文。然而，对具有与碳类似结构的BN的研究，仅限于BN纳米管，该方面的报道也很多。但BN纳米纤维却鲜有报道。关键的原因在于，迄今没有找到一条非常合适的、廉价的方法来制备氮化硼超细纳米纤维。近年来，氮化硼纳米管、纳米线、纳米笼、纳米颗粒等都已经被制备出来。氮化硼纤维的制备早有文献报道，主要采用熔融纺丝工艺，所得氮化硼纤维的直径一般在5-20微米(D.Cornu，S.Bernard，S.Duperrier，B.Toury，P.Miele.Journal of the EuropeanCeramic Society，2005，25，111-121)。

本专利发明了一种新的方法来制备超细氮化硼连续纳米纤维。采用该法制得的氮化硼纤维，其直径可以达到70纳米以下，所得纤维的直径较为非常均匀，纤维表面也比较光滑。研究证明，该氮化硼纤维产品几乎不含有碳杂质，同时纤维中心氮化充分，所得产品纯度非常较高，具有良好的工业化应用前景。而且本品也非常适合于测试氮化硼纳米纤维的一些特殊性质、研究纳米效应对物质的性质的影响等实验室用途。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种制备超细氮化硼连续纳米纤维的方法，该方法工艺简单易行、所用原料及设备廉价，具有良好的工业化应用前景。本发明所制得的氮化硼纤维形貌可控，其直径可达70nm以下，且氮化硼的产品不含碳杂质，纯度可达98％以上。

技术方案：本发明提供的制备纳米氮化硼纤维的方法主要包括模板纤维的制备、浸渍包覆、模板纤维的脱除及氮化工艺。所说模板纤维的制备主要采用静电纺丝技术来制备；模板纤维的脱除工艺是在一定的保护气氛下，将模板纤维氧化脱除；氮化工艺包括在500-1300℃温度下氮化和在1300-2100℃温度下氮化两步工艺。

模板纤维的制备主要是采用静电纺丝技术制备得到合适的模板剂，用于制备氮化硼纳米纤维。其具体过程是：将聚合物溶于溶剂，配成浓度为1-30％的溶液，搅拌至溶质完全溶解后，进行电纺丝工艺制备纤维。其中所用的聚合物可以有很宽的选择范围，具体例子是，但不限于，聚丙烯腈、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等，优选聚丙烯腈。所用的溶剂要确保能够充分溶解所用的聚合物，因此其种类要根据选定的聚合物而确定，其具体例子是，但不限于，水、乙醇、四氢呋喃(THF)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)等。所用聚合物和溶剂的比例是：100mL溶剂中加入聚合物为1-20g，优选7-12g。静电纺丝过程所用电纺电压为3-50kV，优选15-25kV。收集装置可以是：铝片、玻璃片等。电纺纤维还需要进行一定的处理才可以用于后续工艺的模板纤维，其处理过程如下：将收集到的纤维置于空气中，于150-400℃下，处理0.5-30h，优选1-3h。

浸渍包覆过程是为了在处理后的模板纤维上均匀包覆一层含硼前趋体。其具体过程是：将含硼原料溶于溶剂中，充分溶解后配成一定浓度的溶液。然后将其浸渍在经过热处理后的模板纤维上，在空气中晾干后得到了包覆了含硼原料的复合纤维样品。包覆过程中所用的含硼原料可以是三氧化二硼、硼酸或两者的混合物。所用的溶剂可以是：水、乙醇或两者的混合溶剂。所配溶液的质量浓度为0.01-15％％，优选0.2-5％。浸渍的次数可以是无限次。