球形氮化硼--润滑与导热的极致追求
2020-12-29 10:22:53
六方氮化硼(h-BN)是由氮原子和硼原子构成的共价键型晶体，由于具有类似石墨的层状结构和呈现松散、润滑、易吸潮、质轻等特性的白色粉末状外观，又被称为“白色石墨烯”。市售的六方氮化硼产品，经改性加工后，有诸多形貌：例如片状氮化硼、氮化硼团聚体、氮化硼纳米片、球形氮化硼等等。
其中“球形氮化硼”是由氮化硼微米级单晶片组成的多晶球，与片、管、层状氮化硼相比，球形氮化硼既保持了氮化硼的原有的优异性能，如离子杂质少、膨胀系数低、介电强度高等，又具有颗粒流动性好、比表面积高等优秀品质。在聚合物中的添加量高，有利于获得更高热导能力的复合材料。
下文小编带大家瞧瞧腻害的“球型氮化硼材料”的性能特点及重点应用领域。
一、复合材料“高导热填料”
氮化硼热导率较高，是橡胶塑料复合材料的热门候选导热填料，但当前使用的氮化硼填料多为片状，由于其形状不规则，垂直晶面方向的热导率远小于平行晶面方向热导率，导致氮化硼高度填充到聚合物中时部分片晶取向垂直于理想热导方向，使得不能充分利用氮化硼的导热效果。球形氮化硼与片状材料相比，各向同性、比表面积高，可以弥补片层状氮化硼在聚合物中取向影响导热、填充量小的缺点，满足高填充量、高导热的要求，同时提高复合材料的加工性能。尽管球型氮化硼可以带来更高的填充量，但也并非是添加量越大复合材料导热能力就越优秀。根据相关研究表明，球形氮化硼作为填充料，其填充量对硅树脂导热性和热阻的影响。随着氮化硼的添加，硅树脂先达到一个导热峰值，此时填充量最佳，随着填充量逐渐添加，复合材料的热阻加大，硅树脂的导热能力又有所下降。
解析：这是因为，过多的粉体的加入会导致粘度增大，粉体表面润湿性变差，没有足够的胶来包覆粉体，增加了填充料与聚合物的空气界面(PS：小学生都知道空气为热的不良导体)，导致复合材料的界面热阻变大，从而使材料整体的导热效果变差。
二、润滑油添加剂
目前国际上使用的润滑油添加剂多出现润滑寿命短、负载能力差等缺点。六方氮化硼具有优良的润滑性质，其自润滑尤其是高温润滑性能优良，添加片状氮化硼的润滑油已经在商业领域得到应用，如德国著名润滑油品牌力魔生产的氮化硼陶瓷发动机保护剂。而球形氮化硼纳米粒子保留了氮化硼润滑性好的特点，同时对比其他形貌氮化硼具有更高的抗磨性，作为润滑油添加剂预期能起到更好的减磨效果。
三、耐火材料涂料
氮化硼本身在氧化气氛中至900℃才开始氧化，真空下可安全使用到2000℃，在惰性气体中2800℃不软化，因此可以应用到耐火材料领域。利用粒度介于20-50微米的球形氮化硼制备氮化硼涂料，通过附着在耐火材料或者渗透于耐火材料工作层，可以提高耐火材料的使用性能。球形氮化硼因其各向同性的特点更易稳定分散于溶液中，制备的涂料稳定性强。
四、脱模剂
氮化硼相比传统的脱模剂如石墨、炭黑等，具有更好的高温稳定性和良好的润滑性能，以氮化硼为原料的脱模剂在高温下仍能保持良好的润滑性和脱模性。在商业上片层状氮化硼已应用在脱模领域。球形氮化硼具有团块牢固、各向同性等特点，因此应用在压铸、冶金、玻璃成型模具脱模剂领域可提高模具的使用效率，延长模具的使用寿命。
五、吸附材料
具有高比表面的球形氮化硼在吸附有机污染物方面也有着潜在的应用价值。通过模板控制下的水热法合成制备形成具备有球形的基本外貌的氮化硼，之后采用煅烧法去除前驱体中的模板，再在保护气体下，高温裂解，再经浸泡，制得球形氮化硼。这种球形氮化硼比表面积大，高孔隙率，对有机污染物具有高吸附能力，且能重复使用，在水处理、净化、清洁能源领域具有广泛的应用前景。
球形氮化硼吸附材料对亚甲基蓝的吸附特性
六、载体材料
氮化硼耐高温，具有化学惰性。满足催化剂载体材料在高温氧化气氛下稳定、不与催化剂发生反应的要求，更利于获得更高的催化效率，数据如下图所示。
球形氮化硼负载催化剂应用于乙醇氧化的效果
(参考文献：Wang Y, Shi L, Lu W, et al. Spherical Boron Nitride Supported Gold–Copper Catalysts for the Low‐Temperature Selective Oxidation of Ethanol[J]. Chemcatchem, 2017, 9(8).)
在生物医药领域，球形氮化硼还可以作为负载和缓释药物的载体：如空心球结构的氮化硼具有较大的空腔体积可用于存储释放基因、生物分子等。
不同规格的球形氮化硼性能各不相同，应用领域也有所区别，受粒径、纯度、杂质等因素影响。例如：粒径10-20微米的球形氮化硼通常用于耐火材料表面涂料，50-100微米的球形氮化硼主要应用于高温环境下的润滑、脱模以及绝缘、导热材料添加，100微米以上规格则主要应用于热压氮化硼原料。针对各类用途，球形氮化硼也可按陶瓷级、导热级、润滑级等分类。对于球型氮化硼产品，其主要的指标可见下表示例，具体应用不同对产品的指标要求不同，此处不再展开说明。需要了解细节可以与厂家细细探索。
示例：苏州纳朴材料球形氮化硼产品参数(可根据用户的应用需求调整)
产品
规格
h-BN
含量(%)
目数
堆积密度(g/cm3)
BET比表面(m2/g)
电导率
(μS/m)
磁性杂质(ppm)
S-BN
>99
1000-60
0.3-0.4
4-12
≤20
≤6-10
综上，球形氮化硼兼具了原始氮化硼及球形形貌的双重优点，克服了片层状的氮化硼各向异性、纵横面热导率差异大等缺陷，与普通氮化硼相比会有着更广的应用领域和更好的产品性能。随着在球形氮化硼形成机理、制备工艺等方向上的进一步研究，相信球形氮化硼会在有机/无机复合材料中扮演越来越重要的角色。