CN109809401A - 绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液及其制备、二次分散方法和抗菌应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绿色氧化纳米金刚石胶体溶液的制备及二次分散的方法和抗菌应用。工艺过程为：将纳米金刚石原粉与双氧水进行机械研磨，超声得到澄清透明的胶体溶液；将所得的胶体溶液进行旋转蒸发，得到纳米金刚石含量为20～70％的膏状物；将该膏状物溶在水中能重新得到澄清透明的胶体溶液。本发明制备的纳米金刚石胶体溶液可应用于精密研磨、抛光加工、复合材料、润滑油、医药卫生等领域，同时此发明实现了纳米金刚石的二次分散，使分散好的纳米金刚石在运输上更加方便，实用性增强。

Description

绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液及其制备、二次分散方 法和抗菌应用

技术领域

本发明属于纳米金刚石加工技术领域，具体涉及一种绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液及其制备、二次分散方法和抗菌应用。

背景技术

纳米金刚石除了继承了金刚石的优点以外，同时还具有纳米材料的特性，拥有优异的力学、热学、光学、电学性能，化学性能稳定且具有良好的生物相容性，因此其在精密研磨、抛光加工以及润滑油等领域都有着潜在的应用价值。纳米金刚石是由4～12nm尺寸大小的颗粒团聚形成的，目前工业化生产的纳米金刚石平均粒径在2um左右，颗粒大小从几百纳米到十几微米。团聚体是在负氧平衡下高温高压合成时，形成的液态碳滴之间相互碰撞，在冷却过程中一起结晶形成的硬团聚体。硬团聚是纳米金刚石团聚的主要形式，它的存在严重阻碍了纳米金刚石的发展，使其优良的性能难以得到发挥，要推动纳米金刚石的应用必须要解决硬团聚问题。

现纳米金刚石解团聚的方法有物理法和化学法。为了在纳米金刚石表面建立均匀的羧基基团层，可以使用强氧化性酸的混合物对纳米金刚石进行剧烈氧化。例如硫酸，硝酸和盐酸的混合物，也可以使用硫酸和过氧化氢的混合物或3：1的硫酸和硝酸混合物。通过以上氧化过程，不仅在纳米金刚石表面形成所需的羧基基团，而且还可以同时去除非金刚石碳。因为，在通常情况下，无序的sp²碳对应氧化反应活性明显高于金刚石sp³碳。因此，金刚石的氧化作用不仅在表面引入了含氧基团，而且提高了纳米金刚石的相对纯度。还有一些研究者应用更高的温度(并接受更高的材料损失)来完全去除sp²碳的同时在纳米金刚石表面引入羧基。

发明内容

本发明的目的是基于目前纳米金刚石改性、解团聚过程中还存在的环境问题、多步反应、二次分散的问题，提出一种能够使纳米金刚石氧化分散的一步法绿色加工，并且可以二次分散的方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，是将纳米金刚石原粉与双氧水一并置于研磨罐内，然后加入研磨珠，在密闭的条件下进行研磨处理，研磨后的样品经超声去除多余的过氧化氢，得到澄清透明的氧化纳米金刚石单分散胶体溶液。

在一个优选的实施方案中，使用的纳米金刚石原粉为爆轰法所得的团聚体，其粒径从几百纳米到十几微米不等，所述纳米金刚石原粉中纳米金刚石含量为80～98wt％。

在一个优选的实施方案中，研磨处理的温度可以是常温，也可以加热至温度为40～300℃，其中：所述常温是指四季中自然室温条件，不进行额外的冷却或加热处理，一般常温控制在10～30℃，最好是15～25℃。

在一个优选的实施方案中，所述双氧水中过氧化氢的质量分数为5～70％，所述纳米金刚石原粉与过氧化氢的质量比为1：0.1～100。优选1：2～20。

在一个优选的实施方案中，所述研磨珠大小为0.05～20mm；所述研磨珠为研磨罐内体积的30～85％。

在一个优选的实施方案中，所述研磨工艺采用球磨机或砂磨机，所述球磨机转速大于等于50r/min，优选为50～1000r/min；所述砂磨机的线速度大于0.5m/s，优选为1～30m/s，在优化过程中发现，研磨速度对最终产物的粒径大小也有着显著的影响，速度越快，所获得的纳米金刚石粒径越小，占比也越大。

在一个优选的实施方案中，所述研磨时间为1～10h，研磨时间过短时，无法使纳米金刚石颗粒得到充分的研磨，研磨时间过长时，浪费能源。

在一个优选的实施方案中，所述超声是将研磨后的研磨罐直接超声。

本发明的第二个目的在于提供上述所述绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法制备得到的绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液。

本发明的第三个目的在于提供上述所述绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的二次分散方法，具体步骤如下：

(i)将所述氧化纳米金刚石单分散胶体溶液干燥，得到氧化纳米金刚石膏体；

(ii)将步骤(i)所述氧化纳米金刚石膏体溶于水，然后超声振荡，得到澄清透明的黑色胶体溶液。

在一个优选的实施方案中，步骤(i)中所述干燥处理采用旋转蒸发仪，使用旋转蒸发仪时水浴锅的温度为60～100℃，优选为80℃。

在一个优选的实施方案中，步骤(i)中所述的膏体中氧化纳米金刚石的含量为20～70wt％，纳米金刚石含量太大时会影响纳米金刚石的二次分散效果。

本发明的第四个目的在于提供上述所述的绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液在抑制细菌生长方面的应用。

在一个优选的实施方案中，所述细菌为大肠杆菌或痤疮杆菌。

一种抑菌制剂，包括本发明上述方法制得的绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明技术工艺比较简单，容易实现规模化生产，获得的纳米金刚石可以均匀稳定分散在溶剂水中。

(2)本发明制备的纳米金刚石胶体溶液可应用于精密研磨、抛光加工、复合材料、润滑油、医药卫生等领域。

(3)本发明中使用研磨的方法获得的小粒径纳米金刚石的产率高。

(4)本发明获得的含20～70wt％纳米金刚石膏体能实现二次分散，使分散好的纳米金刚石在运输上更加方便，实用性增强，进一步拓宽了纳米金刚石的应用领域。

(5)本发明在实验过程中对环境不产生影响。

附图说明

图1为本发明实施例1采用的纳米金刚石原粉的XRD图。

图2为本发明实施例1中纳米金刚石氧化处理后的XRD图。

图3为本发明实施例1纳米金刚石解团聚后得到的单分散胶体溶液的实物数码照片。

图4(a)、(b)分别为本发明实施例1中球磨2h得到的纳米金刚石胶体溶液及纳米金刚石二次分散的粒径分图。

图5(a)、(b)分别为本发明实施例2中球磨4h得到的纳米金刚石胶体溶液及纳米金刚石二次分散的粒径分图。

图6为本发明实施例2中制得的氧化纳米金刚石的透射电镜照片。

图7为本发明实施例3球磨大量(2g)纳米金刚石所得胶体溶液的粒径分布图。

图8为本发明实施例4中制得的氧化纳米金刚石所得胶体溶液的粒径分布图。

图9(A)、(B)分别为本发明应用实施例1中纳米金刚石、氧化纳米金刚石对大肠杆菌的抑菌效果对比图。

图10为本发明应用实施例2中不同浓度的氧化纳米金刚石对痤疮丙酸杆菌的抑制率对比图。

具体实施方式

下面结合实施案例和附图对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施案例。

根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。

为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。

本发明下述各实施例中纳米金刚石/氧化纳米金刚石的粒径测试是利用马尔文Zate电位仪进行测试的，具体是采用动态光散射法(DLS)原理，将样品配制成一定浓度的稀溶液测试，前3次时间设置为120s，之后时间设置为30s，在常温下进行粒径测定。

实施例1

本实施例的一种绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，步骤如下：

取350g直径为0.08～0.1mm的球磨珠放入体积为100ml大小的可密封的球磨罐中，加入0.45g的纳米金刚石(河北卫星化工股份有限公司)和50g 10％的双氧水，设置球磨机(型号：QM-1SP2，南京大学仪器厂)转速为580r/min，球磨时间为2h，然后直接将球磨罐超声15min去除多余的过氧化氢，获得了澄清透明的胶体溶液，如附图3，并对其进行动态光散射表征，如附图4a所示。通过X射线衍射，发现相比纳米金刚石原粉，氧化纳米金刚石中石墨和无定形碳含量减少，如附图2。

上述所述绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的二次分散方法，具体步骤如下：

(i)将获得的澄清透明的纳米金刚石黑色胶体溶液用旋转蒸发仪(型号：N-1001，上海爱朗仪器有限公司)除去多余的水，设置水浴锅(型号：SB-2000，上海爱朗仪器有限公司)温度为80℃，得到纳米金刚石含量为60％的膏状物。

(ii)将得到的纳米金刚石含量为60％的膏状物溶在正辛烷中，振荡，得到浓度较大的纳米金刚石澄清透明的黑色胶体溶液，对其进行动态光散射表征，如附图4b。本实施例所得氧化纳米金刚石胶体溶液粒径大小中值在50nm左右，二次分散的粒径在80nm左右。

实施例2

本实施例的一种绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，步骤如下：

取500g直径为0.05～0.1mm的球磨珠放入体积为200ml大小的可密闭球磨罐中，加入0.8g的纳米金刚石(河北卫星化工股份有限公司)和100g 20％的双氧水，设置球磨机(型号：QM-1SP2，南京大学仪器厂)转速为560r/min，球磨时间为4h，然后直接将球磨罐超声15min去除多余的过氧化氢，获得了澄清透明的胶体溶液，并对其进行动态光散射表征，如附图5a。

上述所述绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的二次分散方法，具体步骤如下：

(i)将获得的澄清透明的纳米金刚石黑色胶体溶液用旋转蒸发仪除去多余的水，设置水浴锅温度为80℃，得到纳米金刚石含量为60％的膏状物。

(ii)将0.5g得到的纳米金刚石含量为60％的膏状物溶在9.7g水中，振荡，得到浓度1％的纳米金刚石澄清透明的胶体溶液，对其进行动态光散射表征，如附图5b。本实施例所得氧化纳米金刚石胶体溶液粒径大小中值在30nm左右，二次分散的粒径在35nm左右。本实施例制得的氧化纳米金刚石的透射电镜照片如图6所示。

实施例3

本实施例的一种绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，步骤如下：

取400g直径为0.05～0.1mm的球磨珠放入体积为200ml大小的可密闭球磨罐中，加入2g的纳米金刚石(河北卫星化工股份有限公司)和100g 30％的双氧水，设置球磨机(型号：QM-1SP2，南京大学仪器厂)转速为560r/min，温度设定70℃，球磨时间为6h，然后直接将球磨罐超声15min去除多余的过氧化氢，获得了澄清透明的胶体溶液，并对其进行动态光散射表征，如附图7a。

上述所述绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的二次分散方法，具体步骤如下：

(i)将获得的澄清透明的氧化纳米金刚石胶体溶液用旋转蒸发仪除去多余的水,设置水浴锅温度为80℃，得到纳米金刚石含量为50％的膏状物。

(ii)将得到的纳米金刚石含量为50％的1g膏状物溶在9.5g水中，超声振荡，得到浓度1％的纳米金刚石澄清透明的胶体溶液，对其进行动态光散射表征，如附图7b。本实施例所得氧化纳米金刚石胶体溶液粒径大小中值在40nm左右，二次分散的粒径在50nm左右。

实施例4

本实施例的一种绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，步骤如下：

取1kg直径为1mm的研磨珠放入体积为800ml大小的可密封的研磨罐中，加入5g的纳米金刚石(河北卫星化工股份有限公司)和250g 30％的双氧水，设置砂磨机(型号：W-0.3L，深圳市叁星飞荣机械有限公司)转速为2500r/min(线速度为6m/s)，研磨时间为5h，然后加入325g水，将研磨罐超声15min去除多余的过氧化氢，滤除研磨珠，获得了澄清透明的胶体溶液。本实施例所得氧化纳米金刚石胶体溶液粒径分布如图8所示。由图8可知，所得氧化纳米金刚石胶体溶液粒径大小中值在40nm左右。

应用实施例1

利用抑菌圈法研究本发明实施例1制得的氧化纳米金刚石单分散胶体对大肠杆菌菌株的抗菌性能，具体步骤如下：

大肠杆菌菌株(Escherichia coli，E.coli)在恒温培养箱中37℃条件下活化培养18h，然后稀释至活菌浓度约为1.0×10⁵CFU/mL。将制备好的LB固体培养基，在高压高温条件下进行灭菌处理，冷却至约50℃时倒入灭菌的表面皿中，待培养基冷却凝固后，各取200L稀释后的菌液均匀涂抹于固体培养基表面。将已涂抹好的表面皿平均等分为3个区域，用无菌镊子将已灭菌的直径为6mm的圆滤纸片分别浸入已配置好的浓度均为10μg/mL的氧化纳米金刚石、纳米金刚石溶液中。并沥去多余液体，无菌操作后将滤纸片贴布在表面皿区域，每个表面皿中放一种待测溶液，每种待测溶液做5个平行表面皿，然后把表面皿置于37℃恒温培养箱内培养18h，用游标卡尺测量培养基上各样品周围抑菌圈宽度。以0.85％生理盐水作为对照组。

由图9可知，氧化纳米金刚石、纳米金刚石浸泡过的小圆滤纸片周围出现了明显的抑菌圈，纳米金刚石的抑菌圈宽度约为1mm(如图9A所示)，而氧化纳米金刚石的抑菌宽度约为3mm(如图9B所示)。由此表明，纳米金刚石本身对大肠杆菌E.coli具有一定的抑制作用，而氧化纳米金刚石的抑菌效果好于纳米金刚石。纳米金刚石可能存在的抑菌机理为：其表面上上含有大量的羧基存在，而氧化纳米金刚石的表面羧基和酸酐基团进一步增多，改变微生物的表面结构，导致细胞内物质的泄露而至死亡。

羧基含量滴定

本发明采用Boehm滴定法检测纳米金刚石表面羧基的含量。由Boehm滴定原理，碳酸氢钠溶液与纳米金刚石表面的羧基反应，再由HCl溶液滴定未反应的碳酸氢钠溶液，从而计算出纳米金刚石表面羧基的含量。本发明使用Boehm滴定法检测了纳米金刚石原料、球磨处理得到的氧化纳米金刚石表面羧基的含量。每种样品测试5次，取平均值。

经测试，本发明实施例1中纳米金刚石原粉表面羧基含量为166.6μmol/g，经过氧化处理后，纳米金刚石表面羧基含量增加到447.3μmol/g，说明纳米金刚石氧化处理后，表面部分碳或含碳官能团能被氧化成羧基，使得纳米金刚石表面带有一定量的羧基官能团。

应用实施例2

研究本发明实施例4制得的氧化纳米金刚石单分散胶体对痤疮丙酸杆菌的抗菌性能，具体步骤如下：

将一定量痤疮丙酸杆菌(Propionibacterium acnes ATCC 6919，购自上海复祥生物有限公司)转入新鲜灭菌后的新鲜庖肉培养基(青岛日水生物技术有限公司，体积比为1：5)中，然后加入不同浓度氧化纳米金刚石。在37℃恒温厌氧培养，然后在不同时间分别取样，在600nm处测定吸光度。测试结果表明，当氧化纳米金刚石浓度从0.01g/L增加到0.5g/L，对ATTCC11827的抑菌率具有浓度依赖性，说明抑菌活性亦随纳米金刚石浓度的增加而增加(如图10所示)。

Claims (10)

1.一种绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，其特征在于：是将纳米金刚石原粉与双氧水一并置于研磨罐内，然后加入研磨珠，在密闭的条件下进行研磨处理，研磨后的样品经超声去除多余的过氧化氢，得到澄清透明的氧化纳米金刚石单分散胶体溶液。

2.根据权利要求1所述的绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，其特征在于：所述研磨处理的温度为常温或40～300℃。

3.根据权利要求1所述的绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，其特征在于：所述双氧水中过氧化氢的质量分数为5～70％。

4.根据权利要求3所述的绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，其特征在于：所述纳米金刚石原粉与过氧化氢的质量比为1：0.1～100。

5.根据权利要求1所述的绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法，其特征在于：所述研磨工艺采用球磨机或砂磨机，所述球磨机转速为50～1000r/min，所述砂磨机的线速度为1～30m/s，所述研磨时间为1～10h。

6.权利要求1～5任一项所述绿色氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的制备方法制备得到的氧化纳米金刚石单分散胶体溶液。

7.权利要求1～5任一项所述方法制得的氧化纳米金刚石单分散胶体溶液的二次分散方法，其特征在于：具体步骤如下：

(i)将所述氧化纳米金刚石单分散胶体溶液干燥，得到氧化纳米金刚石膏体；

(ii)将步骤(i)所述氧化纳米金刚石膏体溶于水，然后超声振荡，得到澄清透明的黑色胶体溶液。

8.权利要求1～5任一项所述方法制得的氧化纳米金刚石单分散胶体溶液在抑制细菌生长方面的应用。

9.根据权利要求8所述的氧化纳米金刚石单分散胶体溶液在抑制细菌生长方面的应用，其特征在于：所述细菌为大肠杆菌或痤疮杆菌。

10.一种抑菌制剂，其特征在于：包括权利要求1～5任一项所述方法制得的氧化纳米金刚石单分散胶体溶液。