本实用新型涉及一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置，属于二维无机材料制备装置的技术领域。
背景技术：
六方氮化硼(h-BN)因具有与石墨相似的层状结构而素有“白色石墨”之称，相应地，h-BN纳米片因具有类似石墨烯的二维结构而常被称为“白色石墨烯”和“氮化硼烯”。相对于石墨烯，h-BN纳米片具有独特的性能，包括高能带间隙(绝缘体)、高化学稳定性和热稳定性、紫外发光性能。此外，h-BN纳米片的高表面积和N-B键的极性使其对多种物质都有良好的吸附性能。因此，h-BN纳米片在复合材料、催化剂载体、气体吸附及纳米电子器件领域具有重要的应用前景。对多数应用而言，性能良好的h-BN纳米片应具有较大的片径尺寸(100nm以上)、较小的片层厚度(10nm以下)和良好的晶体结构(无晶格缺陷)。实现h-BN纳米片的好性能、低成本、规模化、生态环保、连续可控的生产制备具有重要意义。
目前，h-BN纳米片的制备方法可分为“自上而下”的剥离法和“自下而上”的合成法两大类。前者主要是机械剥离法和化学剥离法，后者主要是化学合成法和化学气相合成法。
机械剥离法制备h-BN纳米片包括球磨剥离法、超声剥离法、水射流剥离法以及气流粉碎机剥离法等。球磨剥离法具有工艺简单、成本低廉、可规模化生产h-BN纳米片的优势，但现有技术中的球磨剥离装置对h-BN粉体除了施加具有剥离作用的剪切力，还因为磨球间的碰撞而产生巨大的冲击力，冲击力不但使h-BN纳米片的片径尺寸变小，而且h-BN纳米片的层晶格也受到影响，因此制备的h-BN纳米片的片径尺寸较小、晶格缺陷大，难以制备大片径尺寸、高品质的h-BN纳米片。水射流剥离法和气流粉碎机剥离法是通过冲击力、空化力和粉体间的碰撞摩擦对粉体进行粉碎和剥离，不但设备复杂、操作繁琐，而且也会存在球磨剥离法的上述缺点。现有技术中的超声剥离装置是将h-BN原料粉体分散在剥离溶剂中，利用超声波产生的空化效应释放的巨大能量将h-BN片层进行剥离而制备h-BN纳米片；能制备较高品质的h-BN纳米片。但由于h-BN结构中B原子与N原子的电负性差异使得原子层之间的作用力除范德华力外还带有部分离子键性质的作用力，导致h-BN比石墨更难剥离；因此，产率(即制备的h-BN纳米片与加入的h-BN原料粉体的质量百分比)很低，不能满足规模化生产h-BN纳米片的需要，并且随着超声时间的增加，得到的h-BN纳米片的片径尺寸相应地减小。
中国专利文件CN103130236A公开了一种球磨与液相剥离相结合制备BN烯分散液的方法，该方法先后进行球磨处理和超声处理，但是并未给出相应的具体的生产装置，同时由于两种处理过程分别进行，未能克服球磨剥离法和超声剥离法各自的缺点。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置。
本实用新型的技术方案为：
一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置，包括：
一个固定安装的震荡槽，所述震荡槽内设置有隔板，将所述震荡槽分割为工作腔和动力腔；所述工作腔内设置有带搅拌装置的球磨筒，球磨筒外的空腔是超声介质液体盛放腔室；
所述球磨筒内有磨球堆积的磨球层，所述磨球层的上面依次设置有压板、压块；所述搅拌装置的搅拌杆伸入磨球层中；
所述动力腔内设置有超声波发生器和超声波换能器。
根据本实用新型优选的，所述磨球层高度为球磨筒高度的1/2～2/3。
根据本实用新型优选的，所述压板上设置有若干直径为0.5～1mm的通孔。进一步优选，所述通孔在所述压板上均匀分布。在球磨过程中h-BN悬浮液可通过所述通孔在压板上下流通。
根据本实用新型优选的，所述压板直径与球磨筒内径相适配。能将所述磨球层基本覆盖，使磨球被压在其下面。
根据本实用新型优选的，所述压块的直径小于所述压板直径。压块的重量以能压住压板及磨球为宜，使磨球在球磨过程中被限定在压板下方的空间内运动。
根据本实用新型优选的，所述搅拌装置包括调速电机、搅拌杆；所述搅拌杆的下端部设置有单层或多层的搅拌叶；所述压板和压块分别设有中心圆孔，使搅拌杆从压板和压块的中心圆孔穿过。压块和压板可沿所述搅拌杆上下移动。进一步优选，所述压板的中心圆孔与压块的中心圆孔为同心轴孔。
进一步优选的，所述压块的质量为0.5～2kg；所述调速电机的功率为200～500W，调速范围为0～3000r/min，无级调速。
进一步优选的，所述搅拌杆下端部的搅拌叶为桨式搅拌叶、锚式搅拌叶、推进式搅拌叶或螺带式搅拌叶。
进一步优选的，所述震荡槽、球磨筒、压板、压块和搅拌杆均为不锈钢材质。
根据本实用新型优选的，所述震荡槽固定安装在带支架的底座上；所述支架包括垂直支撑杆、水平设置的保持架和水平设置的横梁；
所述球磨筒和搅拌装置的调速电机分别通过保持架和横梁固定设置在所述垂直支撑杆上；所述横梁和保持架通过顶紧螺栓设置在所述垂直支撑杆上。所述横梁和保持架在垂直支撑杆上的位置可上下调整，用顶紧螺栓固定。
进一步优选的，所述调速电机通过联轴器与搅拌杆连接；所述调速电机通过悬挂螺栓固定设置在所述横梁上；所述球磨筒通过锁紧螺母与保持架固定连接。所述球磨筒由保持架上的轴肩和锁紧螺母固定，避免其在球磨过程中移动或倾覆。
根据本实用新型优选的，所述球磨筒为圆柱形；球磨筒的顶部开口并设置有球磨筒盖。
根据本实用新型优选的，所述磨球层由一种规格的磨球堆积构成或由两种以上规格的磨球按任意比例堆积构成；所述磨球的规格为直径1～5mm的G10等级的不锈钢球。
根据本实用新型优选的，所述超声波发生器的功率为100～300W，频率为20～40kHz。
根据本实用新型优选的，所述超声波发生器和超声波换能器通过电缆电连通。
本实用新型所述装置的工作机理为：一方面，调速电机通过联轴器驱动搅拌杆对磨球进行搅拌，压块将自身的重力通过压板施加在磨球上，使磨球在运动时相互靠拢贴紧，既消除磨球间的碰撞冲击作用，又可以通过改变压块的质量调节剪切力的大小，进而实现对h-BN原料粉体进行纯剪切球磨剥离。另一方面，超声波发生器和超声波换能器对球磨介质液体进行超声震荡，进而实现对h-BN原料粉体进行超声剥离。总之，对h-BN原料粉体同时施加球磨的纯剪切力作用和超声波的空化作用，从而高效优质地制备出h-BN纳米片。
本实用新型的有益效果为：
1.本实用新型所述装置，将球磨剥离法和超声剥离法同时应用于制备h-BN纳米片，结合了二者的优点、避免了二者的缺点。与现有的球磨剥离法相比，其一，通过压块对磨球施压可消除磨球的相互碰撞，进而提供纯剪切力对h-BN粉体进行剥离，避免因磨球碰撞冲击造成的h-BN纳米片的片径尺寸减小和晶格破坏，能制备较大片径尺寸和较高品质的h-BN纳米片；其二，现有的球磨剥离法在球磨后还需要进行超声处理，本实用新型在球磨剥离h-BN粉体的同时引入超声剥离，即简化了工艺流程，又可提高对h-BN粉体的剥离效果；与现有的超声剥离法相比，在超声波的空化作用的同时增加了球磨的纯剪切力作用，更能克服h-BN原子层之间的范德华力和离子键性质的作用力，进而提高h-BN纳米片的产率，实现h-BN纳米片制备规模化。
2.与现有的化学剥离法、化学合成法和化学沉积法相比，应用本实用新型所述装置制备h-BN纳米片具有设备与工艺简单、操作简便、成本低廉、绿色环保的优点。
附图说明
图1为本实用新型所述纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置的结构示意图；
其中，1、底座；2、垂直支撑杆；3、震荡槽；4、保持架；5、顶紧螺栓；6、横梁；7、锁紧螺母；8、悬挂螺栓；9、调速电机；10、联轴器；11、球磨筒盖；12、搅拌杆；13、压块；14、压板；15、球磨筒；16、超声介质液体盛放腔室；17、磨球；18、隔板；19、超声波换能器；20、超声波发生器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置，结构如图1所示，包括：
一个固定安装的震荡槽3，所述震荡槽3内设置有隔板18，将所述震荡槽3分割为工作腔和动力腔；所述工作腔内设置有带搅拌装置的球磨筒15，球磨筒15外的空腔是超声介质液体盛放腔室16；
所述球磨筒15内有磨球17堆积的磨球层，所述磨球层的上面依次设置有压板14、压块13；所述搅拌装置的搅拌杆12伸入磨球层中；
所述动力腔内设置有超声波发生器20和超声波换能器19。
所述磨球层高度为球磨筒15高度的2/3。所述球磨筒15为圆柱形；球磨筒15的顶部开口并设置有球磨筒盖11。
所述磨球17的规格为直径5mm的G10等级的不锈钢球。
所述超声波发生器20的功率为200W，频率为30kHz。所述超声波发生器20和超声波换能器19通过电缆电连通。
本实施例的装置工作过程如下：
(1)将球磨筒放置于震荡槽的工作腔中，调整支架的横梁高度，使搅拌杆底端与球磨筒底部的距离为10mm；用顶紧螺栓将横梁固定，最后将搅拌杆从联轴器上卸下，并从球磨筒中取出。
(2)将磨球加入球磨筒中，磨球层堆积的高度为球磨筒高度的2/3，将搅拌杆竖直放入球磨筒，使搅拌叶置于磨球层内；将压板和压块通过中心圆孔依次从搅拌杆的顶端穿过，放进球磨筒。
(3)向球磨筒中加入球磨介质液体异丙醇N,N-二甲基甲酰胺，球磨介质液体的液面高于所述压板50mm；
(4)根据加入的球磨介质液体的体积加入均粒径为50μm的h-BN原料粉体，h-BN原料粉体在球磨介质液体中的浓度为10g/L；
(5)向球磨筒外边的超声介质液体盛放腔室内加入水做超声介质液体，超声介质液体的液面与球磨筒内的球磨介质液体的液面持平。将球磨筒通过支架的保持架固定，将球磨筒盖通过中心圆孔从搅拌杆的顶端穿入，盖在球磨筒口上，再将搅拌杆与调速电机用联轴器联接；
(6)开启调速电机，调节转速2500r/min，进行球磨；同时，开启超声波发生器，功率为300W，频率为40kHz，进行超声震荡；功率为300W，频率为40kHz。
(7)在步骤(6)球磨和超声震荡完成后，过筛滤出磨球，所得球磨液以3000r/min的转速离心45min；，取上层悬浮液再以4000r/min的转速离心30min，取沉淀物，在50℃的真空条件下干燥20h，得到h-BN纳米片。
实施例2
如实施例1所述的纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置，进一步的，所述压板14上设置有若干直径为1mm的通孔。所述通孔在所述压板14上均匀分布。在球磨过程中h-BN悬浮液可通过所述通孔在压板14上下流通。所述压板14直径与球磨筒15内径相适配。能将所述磨球层基本覆盖，使磨球17被压在其下面。所述压块13的直径小于所述压板14直径。压块13的重量使磨球17在球磨过程中被限定在压板14下方的空间内运动。
实施例3
如实施例1所述的纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置，进一步的，所述搅拌装置包括调速电机9、搅拌杆12；所述搅拌杆12的下端部设置有单层桨式搅拌叶；所述压板14和压块13分别设有中心圆孔，使搅拌杆12从压板14和压块13的中心圆孔穿过。压块13和压板14可沿所述搅拌杆12上下移动。所述压板14的中心圆孔与压块13的中心圆孔为同心轴孔。所述震荡槽3、球磨筒15、压板14、压块13和搅拌杆12均为不锈钢材质。所述压块13的质量为1kg；所述调速电机9的功率为300W，调速范围为0～3000r/min，无级调速。
实施例4
如实施例3所述的纯剪切球磨与超声协同制备六方氮化硼纳米片的装置，进一步的，所述震荡槽3固定安装在带支架的底座1上；所述支架包括垂直支撑杆2、水平设置的保持架4和水平设置的横梁6；所述球磨筒15和搅拌装置的调速电机9分别通过保持架4和横梁6固定设置在所述垂直支撑杆2上；所述横梁6和保持架4通过顶紧螺栓5设置在所述垂直支撑杆2上。所述横梁6和保持架4在垂直支撑杆2上的位置可上下调整，用顶紧螺栓5固定。所述调速电机9通过联轴器10与搅拌杆12连接；所述调速电机9通过悬挂螺栓8固定设置在所述横梁6上；所述球磨筒15通过锁紧螺母7与保持架4固定连接。所述球磨筒15由保持架4上的轴肩和锁紧螺母7固定，避免其在球磨过程中移动或倾覆。