[发明专利]六方氮化硼/水泥/聚合物复合物及合成法

说明书

六方氮化硼(hBN)是一种合成材料，由于其化学惰性、热稳定性和其它有益性质，其可用于多种应用中。本文描述了hBN复合材料和用于制备这样的复合物的方法。特别地，讨论了既包括官能化的hBN又包括水泥或胶凝材料的复合材料及其制备方法。这样的材料可用于建筑、固井(初次注水泥和补注水泥)、核工业、先进多功能复合物的3D打印和耐火材料。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月4日提交的美国申请序列号(USSN)62/541,417的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明部分地在政府支持下进行。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本申请涉及掺有六方氮化硼(hBN)的复合材料。本申请还涵盖用于制备这样的复合物的配方和方法。

背景技术和发明内容

氮化硼是由硼酸或三氧化硼制成的合成材料。在其各种晶体形式中，其六方同素异形体，六方氮化硼(h-BN)在结构和层状形式上可以类似于石墨，但是具有交替的B和N原子。h-BN具有有益的热力学(高达1000℃下空气稳定)和化学稳定性、超常的硬度和大的热导率同时是电绝缘的。这些性质使得hBN适用于许多技术应用。hBN还可以表现出如高热导率和机械强度以及化学稳定性的特征。hBN的疏水性质可以用于非润湿表面或水下构造。hBN也可用于耐腐蚀表面。hBN的当前商业产品包括各种热管理材料，如热垫、热脂、热涂层和各种化妆品(由于它们作为固体润滑剂的作用)。此外，硼的高中子吸收横截面和多层纳米结构化材料(即，许多界面)降低辐射的优点使得h-BN成为用于核屏蔽的陶瓷中的嵌入物的合适候选物。

包括hBN的多孔水泥复合物记载于Hexagonal Boron Nitride and GraphiteOxide Reinforced(Advanced Functional Materials，第25卷，第45期，第5621-5630页)中。此参考文献描述了利用非官能化的、非剥离的hBN和氧化石墨的水泥和混凝土复合物。

我们在本文中描述了一类利用经处理的、官能化的和/或剥离的hBN的多功能六方氮化硼(hBN)-水泥复合物。本文所述的实施方案涉及用于开发包含表现出增强的性质的经处理的hBN的复合物的合成、剥离、官能化、水解、搅拌、超声、混合和/或嵌入方法。在一些实施方案中，这些性质包括但不限于强度、韧性、刚度、延展性、耐热性、耐辐射性、流变性、粘度、低渗透性、耐久性和/或耐酸性。在一些实施方案中，所述材料可以是保护涂层。增强的性质还可以包括与多种官能团的相容性，所述官能团包括但不限于羟基、胺和/或硫醇基。在某些实施方式中，所公开的复合物包括各种胶凝材料，包括但不限于波特兰水泥、油井水泥、铝酸钙水泥、聚合物和/或其它粘合剂。在一些实施方案中，由于经处理的六方氮化硼的独特性质，最终的复合物在比通常的胶凝材料和其它类似的杂化复合物高得多的温度下耐降解。

本文公开的其它实施方案涉及建筑、运输、固井(初次注水泥和补注水泥)、钻井液、核工业应用、富辐射环境如太空、航空或医疗应用、复合物的3D打印、耐火材料、润滑剂、用于高温燃烧传感器的支架、从污染水中去除有害含氧阴离子如砷酸根、铬酸根、磷酸根以及所公开的复合物的其它应用。

某些实施方案涉及包含hBN、硅酸钙水合物、雪硅钙石和/或其它水泥水合中涉及的产物的复合物、混合物和/或晶体结构。这些实施方案可进一步与水泥和/或混凝土材料和/或其它复合物组合。