CN106363189A

CN106363189A - 一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子的高效制备方法

Info

Publication number: CN106363189A
Application number: CN201610817381.1A
Authority: CN
Inventors: 杨正龙; 陈赛
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2017-02-01

Abstract

本发明涉及一种纳米铜粒子的制备方法，具体涉及一种利用羟丙基甲基纤维素为保护剂，水合肼为还原剂的纳米铜粒子的高效制备方法。具体为：将羟丙基甲基纤维素与五水硫酸铜分别配成羟丙基甲基纤维素溶液和硫酸铜溶液，并混合均匀；在搅拌作用下将水合肼溶液滴加到羟丙基甲基纤维素‑硫酸铜混合溶液中进行反应，得到酒红色纳米铜溶胶；最后通过离心、洗涤、真空干燥等方式，得到黑色纳米铜粒子。纳米铜粒子的粒径大小为50～100 nm，其在紫外‑可见光光谱中特征吸收峰为582.5 nm处。本发明具有制备高效快速、无需其它辅助手段、资源利用高效、减小浪费、工艺简单、成本低廉、绿色环保、应用前景广泛等优点。

Description

一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子的高效制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米铜粒子的制备方法，具体涉及一种利用羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子的高效制备方法。

背景技术

纳米材料是指三维空间中至少有一维处于1-100 nm或由它们作为基本单元构成的材料。经历了数十年的发展，纳米材料已经成为一种快速发展的新型材料，在工业、农业、医药卫生以及日常生活等许多方面有着广泛的应用，例如在医药方面，纳米材料可作为抗菌材料；化学合成方面，纳米材料的高催化活性使其可作为催化剂使用；电子工业中，纳米材料可作为微电子材料。此外，作为一种新兴的功能材料，纳米金属粒子具有的独特的物理和化学性质，使其可以应用于光学材料、催化剂材料、抗菌材料、生物传感器材料、涂料、电池电极材料、防静电材料、低温超导材料，在信息存储、光子学、感应器、成像等领域也有着广泛的应用[朱世东, 徐自强, 白真权等. 纳米材料国内外研究进展II——纳米材料的应用与制备方法[J]. 热处理技术与装备, 2010, 31(4): 1-8]。

在如今种类繁多的纳米材料中，金属纳米粒子材料具有独特的物理和化学性能，成为了常见的纳米材料种类。铜，相对于金、银等金属来说，不仅有着高电导率、高热导率等优点，还有着价格低廉的优势。而纳米铜材料，因其具有纳米材料共有的高比表面积及高表面活性，可用作催化剂，降低化学反应温度，提高反应速率；根据其粒径小、导电性高的特点，可以将其作为3D打印用导电墨水中的导电颗粒由纳米铜制备的导电浆料不仅导电率较高，而且可以减少铜粉的使用量；纳米铜具有的良好抗菌特性使其有望成为良好的抗菌材料。另外，纳米铜还可应用于医药行业和化妆品行业等。因此，纳米铜粒子的制备和应用研究具有很大的实际价值。而纳米铜的应用在很大程度上取决于粒子的尺寸、形貌和结构。因此，对制备形貌和粒径可控的纳米铜粒子技术的研究具有重要意义。

纳米铜的制备方法有气相法、液相法和固相法等三种。其中，液相法是目前实验室和工业上广泛采用的制备纳米铜的方法。其过程主要是选用一种或多种水溶性铜盐配成溶液后，选用合适的沉淀剂或进行水解、还原等操作，将金属纳米颗粒结晶或沉淀出来，最后烘干脱水得到产物。在这些过程中，通常需要在加热、加保护气体或长时间反应等条件下进行，不能满足高效、资源节约的要求。近年来，随着人们对环境保护意识的日益递增，提倡环保成为了未来各行各业的发展目标之一。对于化工、材料行业，更应履行在环保方面应尽的义务，因此，提高效率、降低污染、减少能源消耗成为了主题。目前，尽管对于纳米铜粒子的绿色制备方法有相当多的研究，现在实验及生产中使用较多的还原剂有抗坏血酸和葡萄糖，保护剂则有众多选择。其研究的重点则是前驱体、还原剂、保护剂的配比及实验条件对制品的粒径、粒径分布、表面形貌和性能等的影响，但并未过多涉及到产出速率，是否需要在加热、通入保护气体防止氧化或其它辅助条件下进行，从而无法很好地应用于大规模生产中，同时也造成了人力物力资源的浪费。考虑到以上因素，设计出一种能够充分利用原料，不利用加热、通入保护气体或其它辅助手段以节约资源，能迅速完成反应的制备方案成为了必要。水合肼，由于其强烈的还原作用以及被氧化时会生产无害、稳定性较好的氮气以保护产物，成为了许多人青睐的还原剂；羟丙基甲基纤维素（HPMC），作为一种天然高分子纤维素经改性合成得到的高分子聚合物，已经被大量药品公司采用作为胶囊壳材料[Yamamoto T, Osaka-shi O, Capsule shell compositions and their use: European,0714656 A I[P]. 1996-06-05]，由此可见其无毒副作用。因此，分别选用二者作为还原剂和保护剂，原理上可以满足绿色、高效、节约资源的设计要求。

本发明以五水硫酸铜为铜源，以水合肼为还原剂，羟丙基甲基纤维素为保护剂，在室温、无需通入保护气体的环境下，制备出了粒径在50-100 nm、平均粒径为90 nm的纳米铜粒子。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提出一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子的高效制备方法。

本发明提出的一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子制备方法，将羟丙基甲基纤维素与五水硫酸铜分别配成溶液并混合，得到羟丙基甲基纤维素-硫酸铜混合溶液；仅在搅拌作用下将水合肼溶液滴加到羟丙基甲基纤维素-硫酸铜混合溶液中进行反应，得到酒红色溶胶；再通过离心、洗涤和真空干燥等方式，得到黑色纳米铜粒子，即最终产物；通过高分辨透射电镜确定其粒径大小介于50～100 nm，且在紫外-可见光光谱中582.5 nm处检测到吸收峰，证实了纳米铜溶胶的存在，并利用红外吸收光谱以及X射线衍射确定了产物的成分。

本发明提出的一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子的高效制备方法，具体步骤如下：

1)称取0.1～1 g羟丙基甲基纤维素加入到15～150 mL去离子水中，在磁力搅拌下使其溶解，配成羟丙基甲基纤维素溶液；

2)称取0.05～0.5 g五水合硫酸铜加入到5～50 mL去离子水中，在磁力搅拌下使其溶解，配成硫酸铜溶液；

3)将步骤（２）得到的硫酸铜溶液倒入到含有步骤（１）得到的羟丙基甲基纤维素溶液的烧瓶中，磁力搅拌10～60 min，使二者混合均匀，得到羟丙基甲基纤维素-硫酸铜混合溶液；

4)量取3～30 mL 水合肼，加入10～100 mL去离子水配置成质量浓度为0.05～0.5 g/mL的水合肼溶液；

5)在磁力搅拌下，将步骤（４）得到的水合肼溶液滴加到步骤（３）得到的羟丙基甲基纤维素-硫酸铜混合溶液中，在持续磁力搅拌下反应1～2 h，制得呈酒红色的纳米铜溶胶；

6)将步骤（５）制得的纳米铜溶胶用高速离心机在5000～10000 r/min转速下离心15～30 min，沉淀物用有机溶剂洗涤3～5次，在2000～3000 r/min转速下离心3～8 min，真空干燥箱中干燥6～24 h，得到黑色的纳米铜粒子。

本发明中，步骤（4）中所述的水合肼采用50%水合肼或80%水合肼任一种，步骤（6）中所述的有机溶剂采用乙醇或丙酮任一种。

本发明所述的纳米铜粒子的合成原理如下所示：

CuSO₄·5H₂O→Cu²⁺+SO₄ ^2-+5H₂O

2Cu²⁺+N₂H₄·H₂O→2Cu+H₂O+N₂+4H⁺（HPMC为保护剂）

本发明中，水合肼的化学式为：N₂H₄·H₂O；五水硫酸铜的化学式为：

CuSO₄·5H₂O；羟丙基甲基纤维素（HPMC）的化学结构式如下所示：

本发明的有益效果在于：①本发明为一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子高效制备方法，可以较为快速地制备粒径在50～100 nm之间的纳米铜粒子；②该制备过程中，无需除搅拌外其它辅助手段，如通入保护气体抗氧化、加热等，高效地利用了资源，减少了人力物力资源的浪费；③本发明合成工艺简单，成本低廉，且无有害气体排除，应用前景广泛。

附图说明

图1是以羟丙基甲基纤维素为保护剂制得的纳米铜粒子的透射电镜图片。

图2是以羟丙基甲基纤维素为保护剂制得的纳米铜粒子的紫外-可见光吸收图谱。

图3是(a)纯羟丙基甲基纤维素与(b)羟丙基甲基纤维素包覆的纳米铜粒子的红外图谱。

图4是以羟丙基甲基纤维素为保护剂制得的纳米铜粒子的X射线衍射图谱。

图5是不同质量比的羟丙基甲基纤维素-五水硫酸铜制得的纳米铜粒子的紫外-可见光图谱：(a)1:1;(b)2:1;(c)3:1;(d)4:1。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

下面结合实施例详细说明本发明，应当理解，此处所描述的举例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

称取0.1 g羟丙基甲基纤维素，加入到250 mL三口烧瓶中，加入15 mL去离子水，在磁力搅拌下使其溶解，配成羟丙基甲基纤维素溶液；

称取0.05 g五水硫酸铜加入到50 mL烧杯中，加入5 mL去离子水，在磁力搅拌下使其溶解，形成硫酸铜溶液；

将配好的硫酸铜溶液倒入含有羟丙基甲基纤维素溶液的三口烧瓶中，磁力搅拌10 min使二者混合均匀，得到羟丙基甲基纤维素-硫酸铜混合溶液；

量取3 mL 50%水合肼，加入到50 mL烧杯中，并加入10 mL去离子水配成质量浓度为0.115 g/mL的水合肼溶液；

在磁力搅拌作用下，将水合肼溶液滴加至硫酸铜-羟丙基甲基纤维素混合溶液中，保持磁力搅拌反应1 h，得到酒红色的纳米铜溶胶；

将制得的纳米铜溶胶用高速离心机在10000 r/min下离心15 min，沉淀物用无水乙醇洗涤3次，在3000 r/min下离心5 min，真空干燥箱中烘干12 h，得到黑色的纳米铜粒子。

图1是以羟丙基甲基纤维素为保护剂制得的纳米铜粒子的透射电镜图片,图2是以羟丙基甲基纤维素为保护剂制得的纳米铜粒子的紫外-可见光吸收图谱,图3是(a)纯羟丙基甲基纤维素与(b)羟丙基甲基纤维素包覆的纳米铜粒子的红外图谱,图4是以羟丙基甲基纤维素为保护剂制得的纳米铜粒子的X射线衍射图谱,图5是不同质量比的羟丙基甲基纤维素-五水硫酸铜制得的纳米铜粒子的紫外-可见光图谱：(a)1:1;(b)2:1;(c)3:1;(d)4:1。本实施例获得的纳米铜粒子的粒径大小为50～100 nm，在紫外-可见光光谱中特征吸收峰为582.5 nm。

实施例2：与实施例1相同，但是步骤（1）中的固体羟丙基甲基纤维素变为0.5 g，去离子水变为150 mL。

实施例3：与实施例1相同，但是步骤（2）中的五水硫酸铜变为0.1 g，去离子水变为20 mL。

实施例4：与实施例1相同，但是步骤（4）中的50%水合肼变为80%水合肼。

实施例5：与实施例1相同，但是步骤（6）中的离心速率与时间分别变为8000 r/min和10 min。

实施例6：与实施例1相同，但是步骤（6）中的沉淀物变为先用无水乙醇洗涤2次，再用丙酮洗涤2次。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子的高效制备方法，其特征在于具体步骤如下：

（１）称取0.1～1 g羟丙基甲基纤维素加入到15～150 mL去离子水中，在磁力搅拌下使其溶解，配成羟丙基甲基纤维素溶液；

（２）称取0.05～0.5 g五水合硫酸铜加入到5～50 mL去离子水中，在磁力搅拌下使其溶解，配成硫酸铜溶液；

（３）将步骤（２）得到的硫酸铜溶液倒入到含有步骤（１）得到的羟丙基甲基纤维素溶液的烧瓶中，磁力搅拌10～60 min，使二者混合均匀，得到羟丙基甲基纤维素-硫酸铜混合溶液；

（４）量取3～30 mL 水合肼，加入10～100 mL去离子水配置成质量浓度为0.05～0.5 g/mL的水合肼溶液；

（５）在磁力搅拌下，将步骤（４）得到的水合肼溶液滴加到步骤（３）得到的羟丙基甲基纤维素-硫酸铜混合溶液中，在持续磁力搅拌下反应1～2 h，制得呈酒红色的纳米铜溶胶；

（6）将步骤（５）制得的纳米铜溶胶用高速离心机在5000～10000 r/min转速下离心15～30 min，沉淀物用有机溶剂洗涤3～5次，在2000～3000 r/min转速下离心3～8 min，真空干燥箱中干燥6～24 h，得到黑色的纳米铜粒子。

2.根据权利要求1所述的一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子的高效制备方法，其特征在于步骤（4）中所述的水合肼采用50%水合肼或80%水合肼任一种，步骤（6）中所述的有机溶剂采用乙醇或丙酮任一种。

3.根据权利要求1所述的一种以羟丙基甲基纤维素为保护剂的纳米铜粒子的高效制备方法，其特征在于所得的纳米铜粒径大小介于50～100 nm，且在紫外-可见光光谱中582.5nm处检测到吸收峰。