CN105536584B - 水基浆料和水基碳稳定液的制备方法及水基碳稳定液的用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水基浆料和水基碳稳定液的制备方法以及水基碳稳定液的用途。通过对全碳化处理的碳材添加到超纯水中，依次经过球磨、砂磨、超声、匀质等处理获得水基浆料。再将水基浆料进行稀释至碳浓度为5ppm～0.5％，即得到水基碳稳定液。上述水基浆料和水基碳稳定液的制备方法，是发明人经过大量研究，研制的一种碳材的水基分散法；通过该制备方法获得的水基碳稳定液，碳在稳定液中的浓度可以达到5ppm～0.5％，为水基碳稳定液的广泛应用提供了基础；通过本发明提供的方法制备的水基碳稳定液可应用于生物医药、电池隔膜制造、隐形涂料制造、日化产品制造等多领种域。

Description

水基浆料和水基碳稳定液的制备方法及水基碳稳定液的用途

技术领域

本发明属于碳材料应用技术领域，涉及由碳基材料制备的水基浆料及水基稳定液；具体涉及一种水基浆料的制备，并提供了一种基于该制备方法制得的水基浆料进一步制备水基碳稳定液的方法以及制得的水基碳稳定液的用途。

背景技术

碳在自然界中有很多存在形式，碳化合物是非常丰富的化学物质，碳是生命元素。其单质也有很多形态如无定型碳、石墨、金刚石等。对碳材的研究可追溯到3000多年以前。当中国人用碳发明了火药标志着冷兵器时代的结束。同位素的发现使人们可以利用碳同位素，C14追踪生命年龄。近年人们发现了很多关于碳的同素异形体，如足球烯、纳米碳管、石墨烯等，同时也发现了这些材料的特异功能，有望在生物学、机械制造、电化学等方面促进其快速高效发展。但是目前制约人们脚步的已经不是发现材料了，而是怎样将这些材料更好的应用。

阻碍碳材应用的一个主要问题，就是其在水中不能稳定分散的问题。虽然目前通过对碳材进行表面改性，可以使得碳材具有一定的亲水或亲油性，但所采用的表面活性剂中多为强酸、强碱、有机溶剂或者是金属表面活性剂；进而，为了增加其稳定性，还需要进一步添加稳定剂或者悬浮剂等助剂；这些表面改性的方法，均容易破坏碳材本身的性能，进而阻碍其在生物、医学、电化学等方面的进一步应用。

寻找一种能够使碳材在水中稳定分散、同时又能保持碳材本身性能的材料及制备方法是目前研究的重点。

发明内容

本发明的目的之一在于，针对上述现有技术中存在的问题，提供一种水基浆料制备方法，通过该制备方法能够使纳米级微粒的碳材均匀分散到水中，并且稳定存在。

本发明的另一目的在于，基于上述制备方法获得的浆料，进一步提供一种水基碳稳定液的制备方法，通过对水基浆料进一步稀释获得的水基稳定液，碳材在水中能够稳定分散，同时也避免了各种稳定剂、助悬剂的使用，保持碳材本身性能。

本发明的再一目的在于，提供上述方法制备的水基碳稳定液的用途。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。

本发明提供了一种水基浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对选择的炭材进行全碳化处理；

步骤二，将全碳化处理后的碳材添加到超纯水中，依次经过球磨、砂磨、超声、匀质等手段获得水基浆料。

上述水基浆料的制备方法，步骤一中选择的炭材包括活性炭、炭黑、石墨、纳米碳管、碳气凝胶、金刚石等。上述活性炭可以选择椰壳炭、竹炭、焦炭、沥青炭等；上述炭黑可以选择气黑、灯黑、乙炔黑、槽黑、炉黑等；上述石墨可以选择天然石墨、人造石墨等；上述碳气凝胶可以选择微晶碳等。上述炭材均从市场上购置，其中微晶碳购自巴中市永润农业科技有限公司。

上述水基浆料的制备方法，步骤一中全碳化处理方法为：于压强0.01MPa～1MPa的真空氛围或惰性气氛下，炭材热处理至碳材中的含碳量不低于99％，即完成全碳化处理；热处理的温度为不低于碳材中杂质的沸点。本发明中全碳化处理原理是，常见物质的沸点一般都在2000℃以下，只有极少物质的沸点在3000℃以上，如钨及其合金材料；而碳的沸点远远超过2000℃，所以通过高温使其它物质气化或者分解气化，再通过气体或抽吸的方法将其带走，只留下由碳单质构成的碳质材料。上述真空氛围或惰性气氛的目的是提供无氧环境，惰性气氛可以是氮气气氛、氩气气氛等。基于以上原理，可以针对不同的炭材，选取不同的热处理温度；若炭材中存在多种杂质时，热处理温度的最低限制为炭材中沸点最低的杂质的沸点；当热处理的温度较低时，去除的杂质量较少，碳的相应纯度也提高的很少。通过发明人的大量研究发现，当热处理温度为800℃～3500℃时，碳的纯度可以达到99％以上；当热处理温度达到2000℃及以上时，部分炭材中碳含量可以达到99％以上；当热处理温度达到3000℃及以上时，炭材中碳含量可以达到99.99％。热处理时间可以随选择的热处理温度、材料不同而有所区别；一般控制在2h～8h即可。由于没有采用强酸、强碱等化学反应的方法清除碳材中的杂质，避免了额外引入新的杂质，有效保证了碳材本身的性能。

上述水基浆料的制备方法，步骤二中，当全碳化处理后的碳材与超纯水的用量的重量比控制在1：1～1：100时，可以使水基浆料中碳材固含量保持较高状态，最高可达5％。当全碳化处理后的碳材与超纯水的用量比例小于1：1时，会使得到的水基浆料中产生过多的沉淀而无法得到碳材均匀分散在水中的水基浆料；当全碳化处理后的碳材与超纯水的用量比例大于1：100时，由于碳材浓度过低，在浆料应用过程中受到一些限制。

上述水基浆料的制备方法，步骤二中球磨、砂磨、超声、匀质操作的目的是将碳材研磨至纳米微粒，并均匀分散在超纯水中。其中，球磨至平均粒径为10微米，最大粒径不超过50微米，然后进入砂磨环节；砂磨至碳材平均粒径为50纳米，最大粒径不超过150纳米，进入超声分散环节；超声至使砂磨后的碳材纳米微粒充分分散到水中，减小团聚，然后进入匀质环节；匀质使超声分散的浆料进一步分散，增加浆料的稳定性。通过上述球磨、砂磨、超声、匀质等手段的结合，在不添加任何稳定剂或悬浮剂的条件下，就可以获得碳稳定存在的水基分散液。对于上述球磨、砂磨、超声、匀质的具体条件可以根据选择的设备不同来具体设置，只要能够达到上述目的即可。本发明中，球磨采用的是行星式球磨机，球磨条件可以根据碳材和超纯水的用量进行调整；砂磨采用的是常规卧式砂磨机，砂磨的条件同样可以根据碳材和超纯水的用量进行调整；超声采用的是常规超声波设备，超声条件同样可以根据碳材和超纯水的用量进行调整；均匀采用的是匀质乳化机，其匀质的条件同样可以根据碳材和超纯水的用量进行调整。

上述水基浆料的制备方法，经过发明人大量研究发现，对于制备水基浆料，碳材优选为纳米碳管或气凝胶碳,更优选的为微晶碳。全碳处理的微晶碳经过上述制备方法得到的是整体黑色浆状材料，其碳浓度相比最高，可以达到5％。

本发明基于上述水基浆料的制备方法，进一步提供了一种水基碳稳定液的制备方法，对上述制备方法得到的水基浆料进行稀释至碳浓度为5ppm～0.5％，即得到水基碳稳定液。本发明中，利用超纯水对水基浆料进行稀释。

上述水基碳稳定液的制备方法，通过在高速离心和温度两种稳定性测试，水基碳稳定液中碳浓度优选为5ppm～50ppm，进一步优选为5ppm～10ppm。且通过上述稳定性测试，发明人发现水基碳稳定液可以在1000转/分～15000转/分离心状态下或者在-20℃～150℃温度范围内稳定存在；特别是在1000转/分～5000转/分离心状态下或者在50℃～120℃温度范围内很好的稳定存在。

本发明进一步提供了由上述方法制备的水基碳稳定液在生物医药、电池隔膜制造、隐形涂料制造、日化产品制造中的应用。由于本发明制备的水基碳稳定液为浆状且具有很好的稳定性能，很好的解决了碳材稳定分散在水中的问题，同时因为不添加任何稳定剂或助悬剂等助剂，更好的保持了碳材本身的性能，为碳材的应用提供了基础保证。此外，由于本发明制备的水基碳稳定液具有很好的成膜性，可以作为电池隔膜浆料、隐形涂料的功能填料；实验表明，本发明制备的水基碳稳定液对于大肠杆菌杀灭率高达99.9％，具有很好的杀菌效果，可以作为生物医药中具有抗菌、抗癌药物的功能原料；由于碳纳米颗粒本身具有很大的比表面积，具有潜在的吸附能力，且没有毒副作用，可以作为日化用品的清洁填料，为碳材的应用提供了更加广阔的发展空间。

本发明提供的水基浆料的制备方法，具有至少以下一项有益效果：

(1)通过控制温度、压强，利用高温使炭材中的杂质气化或气化分解，快速高效去除炭材中的杂质，使碳的纯度可以提高至99.99％，工艺简单、操作方便、成本低，避免了化学除杂方法的工艺复杂性，同时也避免了强酸、强碱等其他化学物质的加入对碳材性能的影响，有效保证了碳材本身的性能；

(2)依次经过球磨、砂磨、超声、匀质等手段的结合，可以将碳材尺寸控制在纳米量级，从而使碳材稳定分在水中；并避免了使用任何稳定剂或助悬剂，进一步保证了碳材本身的性能；

(3)所制备的水基浆料中碳含量可以高达5％，为进一步制备多种浓度的水基碳稳定液提供了基础。

本发明提供的水基碳稳定液的制备方法，具有以下至少一项有益效果：

(1)是发明人经过大量研究，研制的一种碳材的水基分散法；通过该制备方法获得的水基碳稳定液，碳在稳定液中的浓度可以达到5ppm～0.5％，为水基碳稳定液的广泛应用提供了基础；

(2)通过上述方法制备的水基碳稳定液可以在1000转/分～15000转/分离心状态下或者在-20℃～150℃温度范围内稳定存在，解决了碳材稳定分散在水中的问题；

(3)通过上述方法制备的水基碳稳定液可应用于生物医药、电池隔膜制造、隐形涂料制造、日化产品制造等多领种域。

具体实施方式

以下将对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

水基浆料制备：以活性炭、炭黑、纳米碳管、氧化石墨烯为碳源制备水基浆料。其中活性炭采用的是市售的椰果壳活性炭；炭黑采用的是市售的乙炔黑；纳米碳管采用的是市售的直径为60纳米的纳米碳管；微晶碳采用的是购自巴中永润科技，这种微晶碳更容易清洗。

(1)分别对1kg的活性炭、炭黑、纳米碳管、微晶碳进行全碳化处理

表1各种炭材的性能比对

表2分别对各种炭材进行全碳处理过程(以下处理条件中每对应一个温度处理时间均在2、4、6、8小时做了4组实验，下表是取的四组实验中材料杂质含量变化开始趋于平缓的时间。)

由上表数据可以看出，通过本发明提供的全碳化处理工艺，碳材的碳含量均有大幅度提升；但是要得到高品质的碳，可以选择微晶碳或炭黑，最优选的是使用微晶碳(购自巴中永润科技)进行处理。

(2)将在3000℃、氩气气氛、处理4h的活性炭、炭黑、纳米碳管和微晶碳添加到10kg超纯水中制作水基浆料

表3分别对全碳化处理的各种碳材依次利用行星式球磨、砂磨、超声和匀质进行表面清洗

从上述实验数据可以看出，利用微晶碳可以制备出整体呈黑色浆状的水基浆料。纳米碳管也而已形成悬浊液，沉淀物分布不是很均匀。而另外两种物质虽然具有亲水性，但是不能形成分散液，而是大部分都形成了沉淀。

虽然本实例是按照全碳化处理的碳材与超纯水的用量比例1：10为例对制备水基浆料进行说明。由于，经过实验，按照全碳化处理的碳材与超纯水的用量比例1：1和1：100的实验结果类似，说明的问题大体一致，因此就不再详述。

对于当碳材为微晶碳时，其最终得到的水基浆料中碳含量最高可达5％，主要是考虑到在球磨、砂磨、超声、匀质过程中形成浆料的有效碳材量可能会少于加入的碳材量。

实施例2

为了进一步研究浆料在稀释后的性能，本实施例取利用微晶碳制备的水基浆料(以获得的水基浆料中碳含量5％为例)，并分为若干等分，分别利用超纯水进一步稀释获得5ppm～0.5％的水基碳稳定液。

表4将水基浆料利用超纯水进行稀释配制成各种浓度的水基碳稳定液

从上述实验数据可以看出，随着水基碳溶液中碳浓度的变化，吸光度在碳浓度为50ppm左右吸光度a值较大，此时具有较好的吸光性，当碳浓度降低时，吸光度a值减小，吸光性能变差；而对于碳浓度大于50ppm时，超出了设备的测量范围，不能确定水基碳稳定液具有吸光性能。

实施例3

为了考察对不同浓度的水基碳稳定液的稳定性能，分别测试了实施例3中第4、5、6组碳浓度的水基碳稳定液在旋转状态及不同稳定条件下的稳定性。

表5对实施例3中第4、5、6组进行稳定性考察，观察沉淀析出率(占总碳含量的％)

从上述实验数据分析可以看出，碳浓度为5ppm～50ppm的水基碳稳定液在离心速率为1000转/分～15000转/分条件下表现出很好的稳定性；特别是在离心速率低于5000转/分时，是没有任何沉淀析出的；碳浓度为5ppm～50ppm的水基碳稳定液在温度为-50℃～121℃范围内表现出很好的稳定性；特别是在温度为50℃～121℃范围内，是没有任何沉淀析出的。

特别需要指出的是，当碳浓度达到5ppm时，水基碳稳定液在离心速率为1000转/分～15000转/分条件下均非常的稳定，没有观察到沉淀析出；水基碳稳定液在温度为-50℃～121℃范围内也非常的稳定，即使在温度为50℃～121℃范围内，其析出沉淀也很少。

实施例4

为了考察本发明制备的水基碳稳定液的成膜性能，本实施例对实施例3的第1、2、3三组样品在玻璃基片上进行涂布。经测量其厚度分别为，100μm、20μm、3μm；在显微镜下对三组样品进行观察，均呈现出连续均匀的涂膜，其成膜性良好。

通过该实施例可以看出，本发明制备的水基碳稳定液成膜性良好，可以作为电池隔膜浆料、隐形涂料的功能填料。

实施例5

为了考察本发明制备的水基稳定液的毒副作用，本实施对实施例3中的第6组样品进行了小鼠LD50实验，通过观察，三周均为发明小鼠异常。

结合实施例2和本实施例的小鼠实验可以看出，本发明制备的水基碳稳定液对于大肠杆菌杀灭率高达99.9％，具有很好的杀菌效果，且没有毒副作用，可以作为生物医药中具有抗菌、抗癌药物的功能原料。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种水基浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对选择的炭材进行全碳化处理；

步骤二，将全碳化处理后的碳材添加到超纯水中，依次经过球磨、砂磨、超声、匀质获得水基浆料；

所述炭材为碳气凝胶。

2.根据权利要求1所述的水基浆料的制备方法，其特征在于，步骤一中全碳化处理方法为：于压强0.01MPa～1MPa的真空氛围或惰性气氛下，炭材热处理至碳材中的含碳量不低于99％，即完成全碳化处理；热处理的温度为不低于炭材中杂质的沸点。

3.根据权利要求2所述的水基浆料的制备方法，其特征在于，热处理的温度为800℃～3500℃。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的水基浆料的制备方法，其特征在于，步骤二中全碳化处理后的碳材与超纯水的用量的重量比为1:1～1:100。

5.根据权利要求4所述的水基浆料的制备方法，其特征在于，步骤二中，球磨至平均粒径为10微米，最大粒径不超过50微米，然后进入砂磨环节；砂磨至碳材平均粒径为50纳米，最大粒径不超过150纳米，进入超声分散环节；超声至使砂磨后的碳材纳米微粒充分分散到水中，然后进入匀质环节；匀质使超声分散的浆料进一步分散，增强浆料的稳定性。

6.一种水基碳稳定液的制备方法，其特征在于，对依据权利要求1至5任一权利要求 所述的制备方法得到的水基浆料进行稀释至碳浓度为5ppm～0.5％，即得到水基碳稳定液。

7.根据权利要求6所述的水基碳稳定液的制备方法，其特征在于，水基碳稳定液中碳浓度为5ppm～50ppm。

8.根据权利要求6所述的水基碳稳定液的制备方法，其特征在于，水基碳稳定液在1000转/分～15000转/分离心状态下或者在-20℃～150℃温度范围内稳定存在。

9.权利要求6至8任一权利要求所述方法制备的水基碳稳定液在生物医药、电池隔膜制造、隐形涂料制造、日化产品制造中的应用。