CN113150174A - 一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)准备反应液：将1‑28g的碘酸钾或碘化物溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：将反应原料将入调整pH后的溶液中，搅拌均匀制成反应液；(2)将反应液进行氧化处理，并在避光常温条件下持续搅拌1‑30d后停止反应获得反应液中的固体，将固体经过纯化后获得纳米晶体；本发明整个制备过程中反应温和，避免有毒有害的产物的生成。
Description
技术领域
本发明涉及一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，属于生物质资源化技术领域。
背景技术
纳米晶体材料是指三维空间尺度中至少有一维处于纳米量级的晶体材料，其晶粒尺寸约为1-250nm，这种材料的一个显著特点就是其大部分原子处于晶粒边界区域,这种独特的结构特征使纳米晶体成为有别于普通多晶体和非晶态固体的一种新材料。
纳米晶体材料分为单相或多相的单晶或多晶粒材料。在单晶材料中，任意区域都具有一样的晶格方向，而多晶材料则由许多晶格方向不一的区域或晶粒组成，晶粒之间由晶界相分割。由于纳米多晶材料晶粒细小，其内部由晶界、相界或畴界等构成的内界面含量很高，因而显著影响着纳米晶的物理和机械性能，使其具有传统材料所不具备的优异特性。与传统的粗晶材料(晶粒尺寸的范围大约是10-300微米)相比，纳米晶粒材料具有十分优异的物理、力学以及化学性能，如很高的强度或硬度、良好的热稳定性、增强的扩散性能和热传导性质。
天然纳米晶体材料中较为常见的是纤维素纳米晶体，由纤维素制备的纳米晶体材料，具有多种优异的性能，如较大的化学反应活性、高结晶度、较大的比表面积、高强度、高杨氏模量、高亲水性和高透明性等，在纳米复合材料的制备、造纸行业、医药、食品等领域均有较广泛的应用。目前，天然纳米晶体常采用化学法、物理法及生物法分离制备纳米纤维素制备，但是，现有的天然纳米晶体在制备过程中需要使用大量的酸、碱、有毒的化学氧化剂，在反应后还会产生大量的废酸液、废碱液和有毒的废液，存在环境污染问题，另一方面，在天然纳米晶体在制备过程中还需要大量的能量输入，因此，现有的天然纳米晶体的制备方法的毒害性制约了其大规模的应用和发展。
发明内容
为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，反应中无毒的碘酸根或碘离子在碱性和氧化条件下对天然高分子材料中的非晶体区剥离去除，使得整个制备过程中反应温和，避免有毒有害的产物的生成。
本发明的技术方案如下：
一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(4)准备反应液：将1-28g的碘酸钾或碘化物溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(5)将反应液进行氧化处理0-3天；
(6)将原料加入调整经过氧化处理后的反应液中搅拌均匀，并在避光常温条件下搅拌1-30d进行持续氧化处理后，停止反应并分离获得反应液中固体，将固体经过纯化后获得纳米晶或纳米纤维。
进一步地，所述步骤(2)中反应液氧化处理的具体方法为：将反应液加入电化学的阳极池中，阴阳极之间施加电压对反应液进行电化学氧化处理生成氧化产物。
进一步地，在电化学氧化反应中阴阳极之间施加电压为0.7-3V。
进一步地，所述步骤(2)中反应液氧化处理的具体方法为：将臭氧持续的加入反应液中对反应液进行氧化，生成氧化产物。
进一步地，所述步骤(2)中反应液氧化处理的具体方法为：在反应液中加入0.2-10g次氯酸钠，4.5-262mmol的碱溶液对反应液进行氧化生成氧化产物。
进一步地，所述原料为木质纤维素、甲壳素、胶原蛋白或动物毛发中的一种。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，在碱性及氧化条件下，利用碘酸根或碘离子对天然高分子材料进行选择性剥离，非晶体区被剥离去除，晶体区在剥离去除过程中被保留下来，从而获得天然的纳米晶体材料，整个制备过程中反应温和，避免了有毒有害的产物的生成，另一方面，反应使用碘酸盐或碘化物，其价格较低，能够降低生产成本。
2、本发明提供的方法适用于多种天然高分子材料制备纳米晶体的反应中，只需通过调整化学试剂的量以及反应时间就可以得到多种不同的纳米晶体材料，适用于天然纳米晶体的大规模应用和发展。
附图说明
图1为本发明实施例1制备纤维素纳米晶体及纳米纤维的工作原理图；
图2为本发明实施例1制得的纤维素纳米晶体及纳米纤维的扫描电镜图；
图3为本发明实施例4制得的甲壳素纳米晶体及纳米纤维的的工作原理图；
图4为本发明实施例4制得的纤维素纳米晶体及纳米纤维的扫描电镜图；
图5为本发明实施例7制得的角蛋白纳米晶体及纳米纤维的扫描电镜图；
具体实施方式
下面结合较佳实施例和附图1至5对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，具体包括如下步骤：
(1)准备反应液：将1g的碘酸钾溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(2)将制得的反应液加入电化学的阳极池中，在阴阳极之间施加电压0.7V进行氧化处理3天，形成IO3 -氧化产物；
(3)将木质纤维素加入到经电化学氧化处理的反应液，并在避光常温条件下搅拌15d进行持续氧化处理后，停止反应并通过过滤或离心分离获得反应液中固体，将固体经过纯化后获得纳米晶或纳米纤维；在碱性和氧化条件下，氧化产物IO3 -对加入的木质纤维素进行选择性剥离，纤维素中的非晶体区(低度排列有序区)通过选择性剥离被去除，而纤维素中的晶体区(高度有序区)在反应中被保留，从而获得纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维。
实施例2
一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，具体包括如下步骤：
(1)准备反应液：将7g的碘酸钾溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(2)将制得的反应液加入电化学的阳极池中，在阴阳极之间施加电压3V进行氧化处理2天，形成IO3 -氧化产物；
(3)将木质纤维素加入到经电化学氧化处理的反应液，并在避光常温条件下搅拌30d进行持续氧化处理后，停止反应并通过过滤或离心分离获得反应液中固体，将固体经过纯化后获得纳米晶或纳米纤维；在碱性和氧化条件下，氧化产物IO3 -对加入的木质纤维素进行选择性剥离，纤维素中的非晶体区(低度排列有序区)通过选择性剥离被去除，而纤维素中的晶体区(高度有序区)在反应中被保留，从而获得纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维。
实施例3
一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，具体包括如下步骤：
(1)准备反应液：将28g的碘酸钾溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(2)将制得的反应液加入电化学的阳极池中，在阴阳极之间施加电压2V进行氧化处理，加入反应液的同时加入木质纤维素并在避光常温条件下搅拌30d进行持续氧化反应，使得反应液的氧化以及木质纤维素的氧化同时进行，反应停止后通过过滤或者离心获得反应液中的固体，将固体经过纯化后获得纳米晶或纳米纤维；在碱性和氧化条件下，产生的氧化产物IO3 -同时会对加入的木质纤维素进行选择性剥离，纤维素中的非晶体区(低度排列有序区)通过选择性剥离被去除，而纤维素中的晶体区(高度有序区)在反应中被保留，从而获得纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维。
参见图1，为上述实施例1-3的纤维素纳米晶体及纤维素纳米纤维的反应原理，从图2中可以看出最终制得的纤维素纳米晶长度为80-500nm，宽度为3-20nm；纤维素纳米纤维长度大于500nm，宽度为3-20nm；最终制得的纤维素纳米晶的产率为40-60％，纤维素纳米纤维的产率为70-92％。
实施例4
参见图2，一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，具体包括如下步骤：
(1)准备反应液：将1g的碘酸钾溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(2)在制得的反应液加入加入0.2g次氯酸钠，4.5mmol的碱溶液对反应液进行氧化处理3天，生成氧化产物IO3 -；
(3)在经过步骤(2)氧化后的反应液中加入甲壳素搅拌均匀，并在避光常温条件下搅拌1d进行持续氧化反应处理后，停止反应并通过过滤或者离心获得反应液中的固体，将固体经过纯化后获得甲壳素纳米晶体和甲壳素纳米纤维。
实施例5
一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，具体包括如下步骤：
(1)准备反应液：将28g的碘酸钾溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(2)在制得的反应液中加入10g次氯酸钠，262mmol的碱溶液对反应液进行氧化处理1天，生成氧化产物IO3 -；
(3)在经过步骤(2)氧化后的反应液中加入甲壳素搅拌均匀，并在避光常温条件下搅拌30d进行持续氧化反应处理后，停止反应并通过过滤或者离心获得反应液中的固体，将固体经过纯化后获得甲壳素纳米晶体和甲壳素纳米纤维。
实施例6
一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，具体包括如下步骤：
(1)准备反应液：将7g的碘酸钾溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(2)在制得的反应液中加入5g次氯酸钠，130mmol的碱溶液对反应液进行氧化处理的同时加入甲壳素搅拌均匀，加入次氯酸钠和碱溶液对碘酸钾反应液进行氧化反应生成氧化产物IO3 -的同时利用IO3 -对甲壳素进行持续氧化，在避光常温条件下搅拌反应15d后停止反应，通过过滤或者离心获得反应液中的固体，将固体经过纯化后获得甲壳素纳米晶体和甲壳素纳米纤维。
参见图3，为上述实施例4-6的纤维素纳米晶体及纤维素纳米纤维的反应原理，从图4中可以看出最终制得的甲壳素纳米晶体长度为150-500nm，宽度为10-50nm；甲壳素纳米纤维长度大于500nm，宽度为10-50nm；最终制得的甲壳素纳米晶的产率为40-50％，甲壳素纳米纤维的产率为80-95％。
实施例7
一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，具体包括如下步骤：
(1)准备反应液：将1-28g的碘酸钾或碘化物溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(2)将臭氧持续的加入反应液中对反应液进行氧化，生成氧化产物；
(3)将动物毛发加入经过步骤(2)氧化后的反应液中，并在避光常温条件下持续搅拌1-30d进行氧化反应后停止，通过过滤或者离心获得反应液中的固体，将固体经过纯化后获得角蛋白纳米晶及角蛋白纳米纤维。
附图3为利用实施例7的方法制得角蛋白纳米晶及角蛋白纳米纤维的扫描电镜图，从图中可以看出，在反应前动物毛发的长度大于100μm，反应后制得的角蛋白纳米晶体的直径为200-300nm，纳米纤维的长度为2～5μm，宽度为200～300nm；最终制得的角蛋白纳米晶产率约为40％，角蛋白纳米纤维的产率约为50％。
上述实施例1-7中反应原料为木质纤维素、甲壳素、胶原蛋白或动物毛发中的一种。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)准备反应液：将1-28g的碘酸钾或碘化物溶解至150mL去离子水中，利用碱将溶液调整至pH>7：
(2)将反应液进行氧化处理0-3天；
(3)将原料加入调整经过氧化处理后的反应液中搅拌均匀，并在避光常温条件下搅拌1-30d进行持续氧化处理后，停止反应并分离获得反应液中固体，将固体经过纯化后获得纳米晶或纳米纤维。
2.如权利要求1所述的一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中反应液氧化处理的具体方法为：将反应液加入电化学的阳极池中，阴阳极之间施加电压对反应液进行电化学氧化处理生成氧化产物。
3.如权利要求2所述的一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，其特征在于：在电化学氧化反应中阴阳极之间施加电压为0.7-3V。
4.如权利要求1所述的一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中反应液氧化处理的具体方法为：将臭氧持续的加入反应液中对反应液进行氧化，生成氧化产物。
5.如权利要求1所述的一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中反应液氧化处理的具体方法为：在反应液中加入0.2-10g次氯酸钠，4.5-262mmol的碱溶液对反应液进行氧化生成氧化产物。
6.如权利要求1至5任一所述的一种低价碘化物或碘酸盐氧化制备纳米晶体的方法，其特征在于，所述原料为木质纤维素、甲壳素、胶原蛋白或动物毛发中的一种。
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