一種二維納米白云母的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種制備二維納米白云母的方法，先將白云母的粉末在焙燒爐中以5～50℃/min的速率升溫至650～750℃，煅燒2～5h，自然冷卻，用陽離子交換煅燒后的白云母層間所有鉀離子并洗滌，冷凍干燥，再用機械法處理白云母20min～5h，制得二維納米白云母。本發(fā)明的有益效果在于：先通過煅燒和離子交換增大白云母層間距，減弱其層間力，再用機械法破壞其層間力，使白云母以單層或少數(shù)層形式存在，從而制得二維納米白云母。成本低廉、快速有效。該方法剝離效果好，制得的二維納米白云母厚度可達原子級別。膠帶粘撕法、手撕法適于制備少量厚度可控的二維納米白云母，研磨法、超聲波法適于大規(guī)模制備二維納米白云母。
【專利說明】一種二維納米白云母的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于二維材料制備【技術領域】，具體涉及一種通過破壞白云母層間力制備二維納米白云母的方法。

【背景技術】
[0002]近年來以石墨烯為代表，由層狀材料剝離制得的二維納米材料由于其優(yōu)異的性能和廣闊的應用前景，得到了社會的廣泛關注。白云母作為一種低廉、大量存在于自然界的層狀硅酸鹽礦物，具有完美的解理性，是二維納米材料的優(yōu)良來源。不同于石墨的導電性，白云母具有良好的熱絕緣性和電絕緣性，在消防、化工、建材行業(yè)有重要應用。然而，由于白云母獨特的結(jié)構(gòu)特點，基于其二維納米材料的制備方法鮮有報道。不同于石墨層的電中性，白云母層帶有負電，層間吸附大量鉀離子。層間鉀離子被白云母層牢牢吸引，難以交換，因此白云母具有很低的離子交換能，同時這些鉀離子強烈地吸引著白云母層，使其難以剝離。
[0003]最早剝離白云母的方法是尖銳工具切割法、膠帶粘撕法，這些方法只能剝離大顆粒的白云母，且效率非常低、云母片較厚。介質(zhì)研磨法也是剝離白云母的方法之一，但這方法不能完全破壞白云母層間較強的作用力，因此制得的白云母片厚度往往大于I微米，并不屬于二維納米材料的范疇。中國專利CN103011185A(
【公開日】2013.04.03)公開了一種具有納米結(jié)構(gòu)的云母薄片的制備方法。該方法利用原子力顯微鏡接觸模式下顯微鏡針尖與云母薄片的接觸作用力剝離得到納米厚度的二維云母。它的缺點是原子力顯微鏡針尖磨損嚴重、成本高昂、難以實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。尋找成本低廉、快速有效的方法制備二維納米白云母仍然是一大難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服已有技術中存在的成本高昂、制備緩慢、白云母層間力難以克服、云母難以被剝離至幾納米等缺點，提供一種成本低廉、快速有效地減弱白云母層間力，從而制備原子級二維納米白云母的方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，具體采用的技術方案是:一種二維納米白云母的制備方法，先將白云母的粉末在焙燒爐中以5?50°C /min的速率升溫至650?750°C，煅燒2?5h，自然冷卻，用陽離子交換煅燒后的白云母層間所有鉀離子并洗滌，冷凍干燥，再用機械法處理白云母20min?5h，制得二維納米白云母。
[0006]按上述方案，所述白云母為具有層狀結(jié)構(gòu)的天然或合成的白云母。
[0007]按上述方案，所述用陽離子交換煅燒后的白云母層間所有鉀離子并洗滌由以下方法實現(xiàn):將煅燒后的白云母粉末與含有陽離子的化合物以1:50?150的質(zhì)量比混合，在焙燒爐中加熱至化合物熔融，保溫2?10天，洗滌；再置于另一陽離子的飽和溶液中，在70?95°C下反應3?25天，洗滌。
[0008]按上述方案，所述用陽離子交換煅燒后的白云母層間所有鉀離子并洗滌由以下方法實現(xiàn):將煅燒后的白云母粉末先置于含有陽離子的化合物的飽和溶液中，在70?95°C下反應3?25天，期間每I?3天往溶液中加定量陽離子，洗滌；再置于另一陽離子的飽和溶液中，在70?95°C下反應3?25天，洗滌。
[0009]按上述方案，所述洗滌是采用體積百分比濃度50%乙醇溶液、丙酮或水。
[0010]按上述方案，所述陽離子的化合物中的陽離子為水化能大于鉀離子的陽離子。
[0011]按上述方案，所述含有陽離子的化合物為NaN03、LiCl或LiNO3;所述的陽離子的飽和溶液為飽和陽離子型高分子化合物溶液。
[0012]按上述方案，所述陽離子型高分子化合物為十八烷基三甲基氯化銨、十六烷基二甲基芐基氯化銨、氯芐甲乙胺、十二烷基三甲基溴化銨或雙十八烷基二甲基氯化銨。
[0013]按上述方案，所述機械法包括研磨法，超聲波法，膠帶粘撕法或手撕法。
[0014]按上述方案，所述二維納米白云母的面尺寸為微米級，厚度小于10納米。
[0015]本發(fā)明白云母在煅燒過程中，由于脫羥基作用，結(jié)構(gòu)中氧原子發(fā)生微小位移，略微增大層間距。在陽離子交換白云母層間鉀離子的過程中，由于陽離子的高濃度差，進入白云母層間，迫使鉀離子離開，完成離子交換。由于陽離子的長鏈或高水化能，白云母層間距進一步增大，層間作用力大大削弱，從而在后續(xù)的機械作用過程中，白云母易于沿層片剝離，從而制得二維納米結(jié)構(gòu)白云母。
[0016]所述研磨法是將白云母置于高剪切研磨機中，如球磨機、輥磨機、三頭研磨機、棒磨機，研磨，以剝離白云母片。
[0017]所述超聲波法是將白云母置于水或乙醇溶劑中，利用超聲波的空洞效應破壞白云母層間力，分離白云母片，制得二維納米白云母。
[0018]所述膠帶粘撕法是將一片白云母的兩面分別粘在膠帶上，撕開膠帶，將一片白云母剝離成兩片，再將剝離得到的白云母片的兩面分別粘在膠帶上，撕開膠帶，將白云母片再剝離成兩片，重復上述步驟至最薄厚度。
[0019]所述手撕法是用鑷子撕開一片白云母至兩片，再用鑷子繼續(xù)撕已剝離的白云母片成兩片，重復上述步驟至最薄厚度。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:先通過煅燒和離子交換增大白云母層間距，減弱其層間力，再用機械法破壞其層間力，使白云母以單層或少數(shù)層形式存在，從而制得二維納米白云母。成本低廉、快速有效。該方法剝離效果好，制得的二維納米白云母厚度可達原子級別。膠帶粘撕法、手撕法適于制備少量厚度可控的二維納米白云母，研磨法、超聲波法適于大規(guī)模制備二維納米白云母。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實施例1制備得到的二維白云母的原子力顯微鏡照片。

【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明做進一步描述，本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍:
[0023]實施例1.
[0024]將Ig提純后白云母粉在焙燒爐中以5°C /min的速率升溫至650°C，煅燒5h，自然冷卻；將煅燒后白云母粉置于50ml飽和LiNO3溶液中，在70°C下反應25天，每3天往溶液中加1g LiNO3，完成后用水離心洗滌3次；將所得白云母粉末置于50ml飽和十八烷基三甲基氯化銨溶液中，于95°C下反應3天，完成后用體積百分比濃度50%乙醇溶液離心洗滌5次，將白云母粉末置于10ml 50%乙醇溶液中超聲20min，得到二維納米白云母。如圖1所示，為制備得到的二維白云母的原子力顯微鏡照片。從圖中可以看出，制得的二維白云母片面尺寸大于lum，厚度約為1.704nm。
[0025]實施例2.
[0026]將Ig提純后白云母粉在焙燒爐中以50°C /min的速率升溫至750°C，煅燒2h，自然冷卻；將煅燒后白云母粉末與NaNO3W 1:50比例混勻，置于馬弗爐中，在350°C下反應10天，完成后用水離心洗滌3次；將所得白云母粉末置于50ml飽和十六烷基二甲基芐基氯化銨溶液中，于80°C下反應3天，完成后用體積百分比濃度50%乙醇溶液離心洗滌5次，冷凍干燥，用三頭研磨機研磨5h，得到二維納米白云母。
[0027]實施例3.
[0028]將Ig提純后白云母粉在焙燒爐中以30°C /min的速率升溫至700°C，煅燒3h，自然冷卻；將煅燒后白云母粉末與LiCl以1:150比例混勻，置于馬弗爐中，在300°C下反應2天，完成后用水離心洗滌3次；將所得白云母粉末置于50ml飽和氯芐甲乙胺溶液中，于80°C下反應3天，完成后用體積百分比濃度50%乙醇溶液離心洗滌5次，將白云母粉末置于150ml飽和氯節(jié)甲乙胺溶液中超聲20min，得到二維納米白云母。
[0029]實施例4.
[0030]將Ig提純后白云母粉在焙燒爐中以10°C /min的速率升溫至700°C，煅燒3h，自然冷卻；將煅燒后白云母粉末置于20ml飽和四苯硼鈉溶液中，在80°C下反應15天，每3天往溶液中加四苯硼鈉，反應完成后用丙酮離心洗滌3次；將所得白云母粉末置于50ml飽和十二烷基三甲基溴化銨溶液中，于70°C下反應5天，完成后用體積百分比濃度50%乙醇溶液離心洗滌5次，用膠帶粘撕白云母，得到二維納米白云母。
[0031]實施例5
[0032]將Ig提純后白云母粉在焙燒爐中以10°C /min的速率升溫至650°C，煅燒5h，自然冷卻；將煅燒后白云母粉末置于20ml飽和四苯硼鈉溶液中，在70°C下反應15天，每3天往溶液中加四苯硼鈉，反應完成后用丙酮離心洗滌3次；將所得白云母粉末置于10ml飽和雙十八烷基二甲基氯化銨溶液中，于95°C下反應3天，完成后用體積百分比濃度50%乙醇溶液離心洗滌5次，冷凍干燥，用鑷子撕白云母，得到二維納米白云母。
【權(quán)利要求】
1.一種二維納米白云母的制備方法，先將白云母的粉末在焙燒爐中以5?50°C /min的速率升溫至650?750°C，煅燒2?5h，自然冷卻，用陽離子交換煅燒后的白云母層間所有鉀離子并洗滌，冷凍干燥，再用機械法處理白云母20min?5h，制得二維納米白云母。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述白云母為具有層狀結(jié)構(gòu)的天然或合成的白云母。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述用陽離子交換煅燒后的白云母層間所有鉀離子并洗滌由以下方法實現(xiàn):將煅燒后的白云母粉末與含有陽離子的化合物以1:50?150的質(zhì)量比混合，在焙燒爐中加熱至化合物熔融，保溫2?10天，洗滌；再置于另一陽離子的飽和溶液中，在70?95°C下反應3?25天，洗滌。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述用陽離子交換煅燒后的白云母層間所有鉀離子并洗滌由以下方法實現(xiàn):將煅燒后的白云母粉末先置于含有陽離子的化合物的飽和溶液中，在70?95°C下反應3?25天，期間每I?3天往溶液中加定量陽離子，洗滌；再置于另一陽離子的飽和溶液中，在70?95°C下反應3?25天，洗滌。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述洗滌是采用體積百分比濃度50%乙醇溶液、丙酮或水。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述陽離子的化合物中的陽離子為水化能大于鉀離子的陽離子。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述含有陽離子的化合物為NaN03、LiCl或LiNO3;所述的陽離子的飽和溶液為飽和陽離子型高分子化合物溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述陽離子型高分子化合物為十八烷基三甲基氯化銨、十六烷基二甲基芐基氯化銨、氯芐甲乙胺、十二烷基三甲基溴化銨或雙十八烷基二甲基氯化銨。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述機械法包括研磨法，超聲波法，膠帶粘撕法或手撕法。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米白云母的制備方法，其特征在于所述二維納米白云母的面尺寸為微米級，厚度小于10納米。
【文檔編號】C01B33/26GK104445235SQ201410734481
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】宋少先, 賈菲菲, 楊炳喬, 蘇靜, 趙云良, 劉艷艷 申請人:武漢理工大學