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提高片状氮化硼应用性能的关键:羟基改性

发表时间:2021-06-23
市场部 福斯曼一新材料产研与孵化 5月27日

六方氮化硼(h-BN)之所以会有“白石墨”的称号,是因其在某种程度上与石墨很是相似,如片状形状、良好的润滑性能、吸附性能好、热稳定性好等,同时还能呈现松散、润滑、质轻质软等性状,可加工性强,在光电、环保及日化等领域应用广泛。


h-BN之所以性能如此优越,是因为它原子间以sp2方式杂化,存在很强的共价键作用,而片层之间仅存在弱的范德华力。同时,由于结构中的电子都被束缚在极性原子上,很难移动,因此能表现出优异的电绝缘性,再配合上较低的热膨胀系数、较高的传热系数、高化学稳定性、高抗氧化性,使h-BN的纳米片(BNNSs)成为一种有效的片层状填料,而且近年来在防腐涂料领域中的研究也有所进展。

h-BN纳米片

不过要想彻底发挥出h-BN的性能优势也不是那么简单,举个“防腐涂料”的例子:目前市售h-BN粉末的尺寸通常在几百纳米到几十微米的范围内,层与层之间相互堆叠,层数较多。但就算使用BNNSs,也会由于表面能较高,表面官能团少,在涂料体系中存在易团聚、相容性差等问题,限制其在涂料体系中的应用。因此为了提升h-BN在涂料体系的应用优势,必须要对其进行功能化改性

BN在防腐涂料中的应用

目前h-BN功能化改性的方法较多,例如利用球磨和超声等手段可以为h-BN修饰上—OH、醚键(—OR)、—NH2、烷基(—R)、卤素(—X)和杂原子(C和O)等基团。改性基团可以促进h-BN在聚合物树脂基体中分散,也可以作为反应活性基团继续进行h-BN的后续接枝改性。与其他基团改性相比,羟基改性的方法种类较多,被认为是最具应用前景的h-BN改性方法,因此下文中将主要介绍一下它。

  


氮化硼羟基化改性

在h-BN表面羟基化修饰的过程中,—OH基团优先与h-BN表面的B位点结合。当多种不同类型的基团同时修饰到h-BN时,这些基团也同样优先与B原子结合。因此,h-BN的羟基化的重点和难点在于实现B原子的化学活化,即B—N键的断裂。

研究证明,B—N键的断裂在强机械作用力、高温高压、强酸强碱或强氧化等特殊条件下更容易实现。因此h-BN的羟基化可根据作用方式的不同,分为物理法和化学法。另外,由于该过程往往伴随着h-BN片层的剥离,因此产物多为羟基化BNNSs。

物理法制备羟基化h-BN

通过超声、球磨等物理手段处理块状h-BN时,h-BN纳米片在强的物理作用下会从原始块状h-BN上剥离和断裂,使得B原子位点充分暴露,容易与具有高化学势的—OH结合,从而实现h-BN的羟基化改性。