CN103194096A - 一种纳米材料表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米材料表面改性方法，包括以下步骤：将纳米颗粒置入水中搅拌，配成质量百分浓度为10%-30%的悬浮液；往步骤101制得的悬浮液中加入纳米颗粒质量的0.1-5%的PEG、0.1-5%的十六烷基三甲基溴化铵、0.1-5%的双十烷基二甲基溴化铵和0.1-5%的季铵盐双子表面活性剂，得到无沉降的、不团聚的纳米粒子的胶体溶液；用过滤器过滤步骤102中得到的胶体溶液；对步骤103过滤后得到的滤渣烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。本发明将PEG、十六烷基三甲基溴化铵、双十烷基二甲基溴化铵和季铵盐双子表面活性剂联合使用，取得协同效果，可以有效抑制纳米颗粒在溶液中以及固体状态下的团聚。
Description
[技术领域]
本发明涉及纳米材料改性，尤其涉及一种纳米材料表面改性方法。
[背景技术]
纳米材料的团聚是困扰纳米材料应用的一个关键问题。纳米颗粒指粒径在1-100nm范围内的粒子，由于其体积效应和表面效应而在磁性、电性、催化性能、吸附性能、光吸收、热阻等方面呈现出特异的性能，从而受到人们的极大关注。但由于纳米颗粒具有极大的比表面积和很高的表面能，在制备和使用过程中极易发生粒子团聚，形成二次粒子，使粒径变大，从而大大影响纳米颗粒发挥优势，失去纳米颗粒所具备的功能。因此，如何改善纳米颗粒在液相介质中的分散和稳定性以及如何防止固体纳米粒子的团聚成为十分重要的问题。目前解决这些问题的方法主要使用分散剂覆盖纳米粒子表面，防止其团聚。
王训遒等（超分散剂的制备及在纳米碳酸钙分散中的应用，无机盐工业，42（10），19-21）提出了以丙烯酸(AA)、甲基丙烯磺酸钠(SMAS)和马来酸酐为单体聚合制备出一种超分散剂，该分散剂能有效阻止纳米粒子的团聚。这样的分散剂仅对液体中纳米粒子的稳定性有提高，但不能解决固体纳米粒子的团聚问题。
季铵盐双子表面活性剂分子中有2个疏水基团、2个亲水基团和1个连接基,因此与传统的单季铵盐阳离子表面活性剂结构模式有很大差别,具有更为优良的表面活性性能，分散的效果更好。邢风兰等（含酯基不对称双季铵盐阳离子表面活性剂的合成，大庆石油学院学报，32（4），79-81）合成了一种季铵盐双子表面活性剂，并对其表面活性性能做了研究，但没有研究这类双子表面活性剂对纳米颗粒的分散性能。
周洪兆等（分散剂对超细硫酸钡粉体制备的影响，机械工程材料，29（4），17-19）研究了PEG对纳米硫酸钡团聚的抑制作用，发现PEG对纳米材料的团聚有一定的延缓作用，但仍不能完全阻止纳米材料的团聚。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效抑制在溶液中以及固体状态下纳米颗粒团聚的纳米材料表面改性方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种纳米材料表面改性方法，包括以下步骤：
101）将纳米颗粒置入水中搅拌，配成质量百分浓度为10%-30%的悬浮液；
102）往步骤101制得的悬浮液中加入纳米颗粒质量的0.1-5%的PEG、0.1-5%的十六烷基三甲基溴化铵、0.1-5%的双十烷基二甲基溴化铵和0.1-5%的季铵盐双子表面活性剂，得到无沉降的、不团聚的纳米粒子的胶体溶液；
103）用过滤器过滤步骤102中得到的胶体溶液；
104）对步骤103得到的胶体溶液过滤后得到的滤渣烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
以上所述的纳米材料表面改性方法，包括以下步骤：
201）在步骤103中，用液体对过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料；在步骤104中，对步骤103清洗并过滤后得到的滤渣烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
以上所述的纳米材料表面改性方法，在步骤201中用含有重量百分比为0.1-5% PEG、0.1-5%十六烷基三甲基溴化铵、0.1-5%双十烷基二甲基溴化铵和0.1-5%季铵盐双子表面活性剂的水溶液对过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料，同时使纳米颗粒表面吸附水溶液中的活性材料。
以上所述的纳米材料表面改性方法，步骤104中烘干的温度为80-100℃。
以上所述的纳米材料表面改性方法，在步骤101和102用高速分散机进行搅拌，高速分散机的转速为每分钟1.8-2.2万转。
本发明将PEG、十六烷基三甲基溴化铵、双十烷基二甲基溴化铵和季铵盐双子表面活性剂联合使用，取得协同效果，有效抑制纳米颗粒在溶液中以及固体状态下的团聚。
[具体实施方式]
本发明纳米材料表面改性方法包括以下步骤：
（1）将一定数量纳米颗粒置入搅拌机中的水中，高速搅拌2小时，配成质量百分浓度为10%-30%的悬浮液。
（2）往搅拌机中加入纳米颗粒质量的0.1-5%的PEG(可以是PEG200、PEG400、PEG600中的一种或几种的混合物)、0.1-5%的十六烷基三甲基溴化铵、0.1-5%的双十烷基二甲基溴化铵（江苏宜兴凯利达化学有限公司）和0.1-5%的季铵盐双子表面活性剂(HL-03, 黄石龙骏化工科技有限公司)，继续搅拌2小时，得到稳定的、无沉降的、不团聚的纳米粒子的胶体溶液。
（3）用过滤器过滤步骤（2）得到的胶体溶液，用含有重量百分比为0.1-5% PEG(可以是PEG200、PEG400、PEG600中的一种或几种的混合物)、0.1-5%十六烷基三甲基溴化铵、0.1-5%双十烷基二甲基溴化铵和0.1-5%季铵盐双子表面活性剂的水溶液对陶瓷过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料，同时使纳米颗粒表面吸附水溶液中的活性材料。
（3）对步骤（3）清洗并过滤后得到的滤渣在80-100℃条件下烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
实施例1、
（1）将一定数量平均粒径为60纳米的硫酸钡（佛山市安亿纳米材料有限公司）颗粒置入水中，调节高速分散机的转速为每分钟2万转，搅拌2小时，配制成质量百分浓度为10%的悬浮液。
（2）在高速搅拌下加入纳米颗粒质量0.1%的PEG（PEG200 江苏嘉丰化学股份有限公司）、0.1%的十六烷基三甲基溴化铵(盐城普丰化工有限公司)、0.1%的双十烷基二甲基溴化铵（江苏宜兴凯利达化学有限公司）和0.1%的季铵盐双子表面活性剂（HL-03, 黄石龙骏化工科技有限公司），继续高速搅拌2小时，得到稳定的、无沉降的、不团聚的纳米粒子的胶体溶液。
（3）用陶瓷过滤器过滤步骤（2）得到的胶体溶液，过滤完成后用含有重量百分比0.1% PEG（PEG200）、0.1%十六烷基三甲基溴化铵、0.1%双十烷基二甲基溴化铵和0.1%季铵盐双子表面活性剂的水溶液对陶瓷过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料，同时使纳米颗粒表面吸附水溶液中的活性材料。
（4）对步骤（3）清洗并过滤后得到的滤渣在80℃条件下烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
实施例2、
（1）将一定数量平均粒径为15纳米的二氧化硅颗粒置入水中，调节高速分散机的转速为每分钟2万转，搅拌2小时，配制成质量百分浓度为20%的悬浮液。
（2）在高速搅拌下加入纳米颗粒质量5%的PEG（PEG400）、5%的十六烷基三甲基溴化铵、5%的双十烷基二甲基溴化铵和5%的季铵盐双子表面活性剂，继续高速搅拌2小时，得到稳定的、无沉降的、不团聚的纳米粒子的胶体溶液。
（3）用陶瓷过滤器过滤步骤（2）得到的胶体溶液，过滤完成后用含有重量百分比5% PEG（PEG400）、5%十六烷基三甲基溴化铵、5%双十烷基二甲基溴化铵和5%季铵盐双子表面活性剂的水溶液对陶瓷过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料，同时使纳米颗粒表面吸附水溶液中的活性材料。
（4）对步骤（3）清洗并过滤后得到的滤渣在90℃条件下烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
实施例3、
（1）将一定数量平均粒径为20纳米的碳酸钙颗粒置入水中，调节高速分散机的转速为每分钟2万转，搅拌2小时，配制成质量百分浓度为30%的悬浮液。
（2）在高速搅拌下加入纳米颗粒质量2.5%的PEG（PEG600）、3%的十六烷基三甲基溴化铵、3%的双十烷基二甲基溴化铵和3%的季铵盐双子表面活性剂，继续高速搅拌2小时，得到稳定的、无沉降的、不团聚的纳米粒子的胶体溶液。
（3）用陶瓷过滤器过滤步骤（2）得到的胶体溶液，过滤完成后用含有重量百分比2.5% PEG（PEG600）、3%十六烷基三甲基溴化铵、3%双十烷基二甲基溴化铵和3%季铵盐双子表面活性剂的水溶液对陶瓷过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料，同时使纳米颗粒表面吸附水溶液中的活性材料。
（4）对步骤（3）清洗并过滤后得到的滤渣在100℃条件下烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
实施例4、
（1）将一定数量平均粒径为20纳米的二氧化硅颗粒置入水中，调节高速分散机的转速为每分钟2万转，搅拌2小时，配制成质量百分浓度为20%的悬浮液。
（2）在高速搅拌下加入纳米颗粒质量5%的PEG混合物(PEG200:PEG400:PEG600的质量比为1:1:1)、5%的十六烷基三甲基溴化铵、5%的双十烷基二甲基溴化铵和5%的季铵盐双子表面活性剂，继续高速搅拌2小时，得到稳定的、无沉降的、不团聚的纳米粒子的胶体溶液。
（3）用陶瓷过滤器过滤步骤（2）得到的胶体溶液，过滤完成后用含有重量百分比5% PEG400、5%十六烷基三甲基溴化铵、5%双十烷基二甲基溴化铵和5%季铵盐双子表面活性剂的水溶液对陶瓷过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料，同时使纳米颗粒表面吸附水溶液中的活性材料。
（4）对步骤（3）清洗并过滤后得到的滤渣在90℃条件下烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
本发明以上实施例将PEG(PEG200、PEG400、PEG600中的一种或几种的混合物)、十六烷基三甲基溴化铵、双十烷基二甲基溴化铵和季铵盐双子表面活性剂联合使用，取得协同效果，有效抑制纳米颗粒在溶液中以及固体状态下的团聚。发生有效抑制纳米材料团聚的机理是首先由PEG降低水溶液体系的表面张力，便于十六烷基三甲基溴化铵、双十烷基二甲基溴化铵和季铵盐双子表面活性剂作用与纳米颗粒，十六烷基三甲基溴化铵分子中的长碳链以及双十烷基二甲基溴化铵中两个长的碳链能阻滞纳米粒子的靠近，预防团聚的发生，季铵盐双子表面活性剂由于有两个活性中心，对纳米颗粒的团聚的阻聚作用非常明显，因此，PEG、十六烷基三甲基溴化铵、双十烷基二甲基溴化铵和季铵盐双子表面活性剂联合使用能够有效防止在水溶液中纳米颗粒的团聚。通过过滤，将水除去，用含有PEG、十六烷基三甲基溴化铵、双十烷基二甲基溴化铵和季铵盐双子表面活性剂的水溶液清洗过滤后的纳米颗粒，以便使得纳米颗粒表面吸附有表面活性剂，因此在固体状态下也能有效防止纳米颗粒的团聚。
Claims (5)
1.一种纳米材料表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
101）将纳米颗粒置入水中搅拌，配成质量百分浓度为10%-30%的悬浮液；
102）往步骤101制得的悬浮液中加入纳米颗粒质量的0.1-5%的PEG、0.1-5%的十六烷基三甲基溴化铵、0.1-5%的双十烷基二甲基溴化铵和0.1-5%的季铵盐双子表面活性剂，得到无沉降的、不团聚的纳米粒子的胶体溶液；
103）用过滤器过滤步骤102中得到的胶体溶液；
104）对步骤103得到的胶体溶液过滤后得到的滤渣烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
2.根据权利要求1所述的纳米材料表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
201）在步骤103中，用液体对过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料；在步骤104中，对步骤103清洗并过滤后得到的滤渣烘干，得到无团聚的纳米颗粒粉末。
3.根据权利要求2所述的纳米材料表面改性方法，其特征在于，在步骤201中用含有重量百分比为0.1-5% PEG、0.1-5%十六烷基三甲基溴化铵、0.1-5%双十烷基二甲基溴化铵和0.1-5%季铵盐双子表面活性剂的水溶液对过滤器中的滤渣进行清洗并过滤，清洗掉滤渣中纳米颗粒表面吸附的反应材料，同时使纳米颗粒表面吸附水溶液中的活性材料。
4.根据权利要求1所述的纳米材料表面改性方法，其特征在于，步骤104中烘干的温度为80-100℃。
5.根据权利要求1所述的纳米材料表面改性方法，其特征在于，在步骤101和102用高速分散机进行搅拌，高速分散机的转速为每分钟1.8-2.2万转。
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