CN107324372A - 一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米材料在化工、食品领域的应用，具体涉及一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法。本发明通过CNF的加入使得纳米材料之间形成相互排斥的双电层和明显的位阻效应，从而使得金属氧化物纳米颗粒能稳定的分散于水中，最终通过球磨的方式将混合液分散均匀。本发明具有制备方法操作简便，成本低廉且绿色无污染，其制备的金属氧化物纳米颗粒分散液分散性好、稳定性高，利于分散液的后续使用及长时间存放，提高了金属氧化物纳米颗粒的使用效率，并进一步拓宽其应用领域。

Description

一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法
技术领域
本发明属于纳米材料在化工、食品领域的应用，具体涉及一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法。
背景技术
纳米材料由于纳米尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等特性，具有特殊的力学、电学、磁、学、光学性能和化学活性。金属氧化物纳米颗粒是一类具有广泛用途的纳米材料，在化工、电子、食品、生物、医学等领域有着广阔的应用价值和前景。
如纳米二氧化钛颗粒具有十分宝贵的光学性质，很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，被广泛应用于汽车领域、抗紫外材料、纺织、光催化触媒、防晒霜、涂料、造纸工业等；纳米氧化锌在纺织、涂料等领域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌剂、荧光材料、光催化材料等；纳米氧化钨在变色、传感、光催化方面，也有着很广泛的应用和研究；纳米氧化钒作为新型的催化剂倍应用在化工合成和脱硫；纳米氧化镍同样在催化领域以及电子领域有着极大的应用前景。
在金属氧化物纳米颗粒的最终应用时，颗粒良好的分散状态更接近于实际的应用状态，因此其分散良好且稳定的分散液有着广泛用途。但是由于纳米颗粒的比表面积较大，表面能高，同时由于颗粒之间分子间作用力，纳米颗粒极易团聚。因此制备出分散性能良好且稳定的金属氧化物纳米颗粒分散液，能有效的解决其在应用时易团聚而引性能下降、纳米效应发挥不充分等问题。
目前化工和食品领域的金属氧化物纳米颗粒使用时，一般采用有机溶剂、有机或无机助分散剂、表面活性剂或对金属氧化物纳米颗粒进行表面改性，来分散金属氧化物纳米颗粒。但其存在着清洗困难，成本高，对人体有刺激性、稳定性差等不足。
近年来纳米纤维素(CNF)以及其衍生物，由于其长径比高，比表面积大，机械强度高，一度被用来当做绿色填充材料来增强复合材料。此外还有应用在电子薄膜领域方面的研究报道(如聚苯胺、碳纳米管、石墨烯为基体的导电膜)。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决金属氧化物纳米颗粒分散清洗困难、成本高、分散稳定性差和对人体有刺激性的问题，本发明提供了一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法。
具体步骤如下：
步骤1：称量直径为4～10nm，长度为1000～3000nm的纳米纤维素，加入去离子水，再放入球磨罐中，其中球磨球总体积占据球磨罐体积的1/4～1/3。进行球磨至混合均匀，然后离心后去除沉淀物，配置出纳米纤维素含量为0.1％-2wt％的分散液，备用；
步骤2：称量颗粒大小为5～100nm的金属氧化物纳米颗粒，加入去离子水，再放入到球磨罐中。球磨混合均匀，得到初步分散的金属氧化物纳米颗粒水分散液，备用；
步骤3：将步骤1所制备的纳米纤维素水分散液加入步骤2制备的初步分散的金属氧化物水分散液中。再进行球磨至混合均匀，得到分散良好且稳定的金属氧化物分散液。
上述步骤1中纳米纤维素来源为木浆、棉花、剑麻或细菌。
上述步骤1中纳米纤维素的直径为4～10nm，长度为1000～3000nm。
上述步骤2中金属氧化物纳米颗粒为二氧化钛、三氧化钨、氧化镍、氧化钒或氧化锌纳米颗粒；金属氧化物纳米颗粒的尺寸为5～100nm。
本发明通过CNF的加入使得纳米材料之间形成相互排斥的双电层和明显的位阻效应，从而使得金属氧化物纳米颗粒能稳定的分散于水中。纳米纤维素自身带有-COO-Na+基团，当纳米纤维分散在水中时，由于羧基的电离作用，使纤维间形成双电层的排斥作用，使得CNF能稳定的分散在水中，这为CNF的助分散效应提供了基础。CNF纤维的表面具有两亲性，其能与疏水性的材料形成疏水的相互作用，所以CNF能与疏水纳米材料吸附到一起。由于CNF具有较大的长径比，且微观结构上由纤维素的晶区和非晶区组成，导致纤维上存在许多力学的弱点，使得纤维自身容易弯折、与其他纳米材料发生共缠结。最终通过球磨的方式将混合液分散均匀。
本发明由于采用纳米纤维素来分散金属氧化物纳米颗粒，其分散效果良好且稳定性高，工艺操作简单，易规模化，绿色环保，无毒无害，在化工和食品的应用方面具有极大的价值和意义。
综上所述，本发明具有制备方法操作简便，成本低廉且绿色无污染，其制备的金属氧化物纳米颗粒分散液分散性好、稳定性高，利于分散液的后续使用及长时间存放，提高了金属氧化物纳米颗粒的使用效率，并进一步拓宽其应用领域。
附图说明
图1为未加分散剂、添加SDS和实施例的纳米颗粒分散液实物对比图；
图2为未加分散剂、添加SDS和实施例的纳米颗粒分散液放置6h后的实物状态对比图；
图3为未加分散剂、添加SDS和实施例的纳米颗粒分散液制备的二氧化钛金属氧化物纳米颗粒薄膜SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明。
步骤1：称量直径4～10nm，长度1000～3000nm的纳米纤维素0.3g，去离子水50g，放入容量80ml的不锈钢球磨罐中，其中球磨球总体积占据球磨罐体积的1/4。采用高速振动球磨机球磨5分钟后取出分散液，放入离心管中置于离心机在3000转/分钟条件下离心3分钟，配置出纳米纤维素含量为0.6wt％的分散液，备用。
步骤2：称量粒径5～100nm的二氧化钛纳米颗粒1g，去离子水25g，加入到球磨罐中。采用高速振动球磨机球磨5分钟，得到初步分散的二氧化钛纳米颗粒水分散液，备用。
步骤3：将25g步骤1所制备的的纳米纤维素水分散液加入步骤2制备的初步分散的二氧化钛纳米颗粒水分散液中，继续高速振动球磨10min，得到分散良好且稳定的金属氧化物分散液，备用。
图1示出了相同条件下未加分散剂、添加SDS和实施例的纳米颗粒分散液实物对比图；图2为未加分散剂、添加SDS和实施例的纳米颗粒分散液放置6h后的实物状态对比图；比较可见本发明分散性更好，稳定性更高。
步骤4：将上述未加分散剂、添加SDS和实施例的纳米颗粒分散液用下面方法制成二氧化钛纳米颗粒薄膜。图3示出了3种二氧化钛纳米颗粒薄膜的SEM图。
取20ml步骤3制备的二氧化钛纳米颗粒分散液放置于25ml的烧杯中备用。将衬底放置于去离子水和无水酒精中先后超声15min，重复2次，干燥备用。将衬底固定在提拉机上，并以3000um/s的速度于悬浮液中进行浸渍提拉，重复1次，成膜后自然风干。随即将干燥后的样品放置于马弗炉中进行焙烧。具体烧结过称为：30min内从室温升到500℃，保持30min后自然降温，得到二氧化钛纳米颗粒薄膜。
对比可见，本实施例制备出来的二氧化钛纳米颗粒分散液相比较于不加分散剂以及加入SDS分散剂得到的分散液，分散性更好(图1和图3)；稳定性更高(图2)。因此可以得出，本发明能够得到分散性好且长时间稳定无沉降的金属氧化物纳米颗粒水相悬浮液。

Claims (4)

1.一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法，具体步骤如下：
步骤1：称量直径为4～10nm，长度为1000～3000nm的纳米纤维素，加入去离子水，再放入球磨罐中，其中球磨球总体积占据球磨罐体积的1/4～1/3；进行球磨至混合均匀，然后离心后去除沉淀物，配置出纳米纤维素含量为0.1％-2wt％的分散液，备用；
步骤2：称量颗粒大小为5～100nm的金属氧化物纳米颗粒，加入去离子水，再放入到球磨罐中；球磨混合均匀，得到初步分散的金属氧化物纳米颗粒水分散液，备用；
步骤3：将步骤1所制备的纳米纤维素水分散液加入步骤2制备的初步分散的金属氧化物水分散液中，再进行球磨至混合均匀，得到分散良好且稳定的金属氧化物分散液。
2.如权利要求1所述水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法，其特征在于：所述步骤1中纳米纤维素来源为木浆、棉花、剑麻或细菌。
3.如权利要求1所述水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法，其特征在于：所述步骤1中纳米纤维素的直径为4～10nm，长度为1000～3000nm。
4.如权利要求1所述水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法，其特征在于：所述步骤2中金属氧化物纳米颗粒为二氧化钛、三氧化钨、氧化镍、氧化钒或氧化锌纳米颗粒，金属氧化物纳米颗粒的尺寸为5～100nm。
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