CN113941450A

CN113941450A - 微纳粒子尺寸分级装置及方法

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Publication number: CN113941450A
Application number: CN202010686743.4A
Authority: CN
Inventors: 郭逦达; 张佑专; 权滢; 陈韵吉
Original assignee: Beijing Graphene Research Institute Co ltd
Current assignee: Beijing Graphene Research Institute Co ltd
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2022-01-18

Abstract

本公开提供一种微纳粒子尺寸分级装置，包括：壳体、筛网及第一电极和第二电极，筛网设置于壳体内；第一电极和第二电极分别位于壳体的两端并形成电场；其中，含有不同尺寸微纳粒子的分散液置于壳体内，微纳粒子为带电粒子，第一电极的电性与微纳粒子的电性相同，第二电极的电性与微纳粒子的电性相反，微纳粒子在电场作用下通过筛网，以对微纳粒子进行尺寸分级。采用本公开的装置进行微纳粒子尺寸分级具有分级范围大、分级精确，分级时间短且效率高的优势，且装置成本低、维护简单，具有良好的应用前景。

Description

微纳粒子尺寸分级装置及方法

技术领域

本公开涉及材料尺寸分离技术领域，具体涉及一种微纳粒子尺寸分级装置及方法。

背景技术

在材料领域，微纳粒子的尺寸往往对最终宏观结构或器件造成影响。以石墨烯为例，目前制备石墨烯的方法有化学气相沉积、机械剥离、氧化还原等方法，其中氧化还原法是最经济的常用方法。氧化还原法，是将氧化石墨烯(GO)作为前驱体进行还原，制备石墨烯。这种方法得到的氧化石墨烯及其衍生物，因含有多种官能团，所以其分散性良好，其还原后的产品也性能优异。但是在化学氧化过程中，氧化石墨烯的结构遭到一定的破坏，往往片径大小不可控。石墨烯和氧化石墨烯的片径尺寸，对于最终宏观结构或器件的性能影响明显。因此，调控氧化石墨烯前驱体的尺寸也尤为重要。

目前报道的石墨烯及其衍生物的尺寸分级方法主要有梯度离心法、过滤法、自由扩散透析等方法。但是，由于石墨烯、氧化石墨烯等材料尺寸小、密度低，很难通过传统的过筛进行不同尺寸的有效分离；离心方法分级的尺寸范围小(小于1μm)，并且无法实现大规模量产；对于膜过滤法，效率低，并且滤孔孔径不均一，容易发生堵塞或尺寸分级效果不理想；对于规律孔的径迹蚀刻膜，其面积小、售价昂贵、效率低，不适合工业化生产；自由扩散透析法时间过长，生产效率低(中国专利申请CN108996497A)。

因此，亟待发展一种容易实现并且可高效、有效分离不同片径的微纳粒子的方法。

需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种微纳粒子尺寸分级装置及方法，以解决现有尺寸分级方法时间长、效率低、不适于规模化生产的问题。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开提供一种微纳粒子尺寸分级装置，包括：壳体、筛网及第一电极和第二电极，筛网设置于所述壳体内；第一电极和第二电极分别位于所述壳体的两端并形成电场；其中，含有不同尺寸微纳粒子的分散液置于所述壳体内，所述微纳粒子为带电粒子，所述第一电极的电性与所述微纳粒子的电性相同，所述第二电极的电性与所述微纳粒子的电性相反，所述微纳粒子在所述电场作用下通过所述筛网，以对所述微纳粒子进行尺寸分级。

根据本公开的一个实施方式，所述筛网为目数不同的多个筛网，沿所述第一电极朝向所述第二电极的方向，所述多个筛网按照目数依次递增的方式间隔布置于所述壳体内。

根据本公开的一个实施方式，筛网的个数为1个～10个；所述筛网个数大于1时，相邻的所述筛网之间的距离为5cm～100cm；所述壳体的容积为1L～2500L。

根据本公开的一个实施方式，微纳粒子为氧化石墨烯、二氧化硅中的一种或多种，微纳粒子的尺寸为10nm～8000μm。

根据本公开的一个实施方式，壳体形状为长方体、圆柱体或正方体。

根据本公开的一个实施方式，筛网纵向布置于壳体内，且经筛网分隔出的多个区域上方分别设有开口。

根据本公开的一个实施方式，多个区域分别连接气泡发生器。

根据本公开的一个实施方式，筛网由第一筛网和第二筛网组成，第一筛网目数为28目～8000目，第二筛网目数为28目～8000目。

本公开还提供上述装置进行微纳粒子尺寸分级的方法，包括步骤如下：将含有不同尺寸微纳粒子的分散液置于壳体内；施加电压于壳体形成电场，微纳粒子在电场作用下通过筛网进行透析分级，得到不同尺寸范围的微纳粒子分散液。

根据本公开的一个实施方式，电压为1V～100V。

根据本公开的一个实施方式，透析时间为5h～10h。

由上述技术方案可知，本公开的有益效果在于：

本公开提出的微纳粒子尺寸分级装置，通过利用透析原理，并结合电场作用，可有效实现微纳粒子的尺寸分级。该装置具有分级范围大、分级精确，分级时间短且效率高的优势，且还可采用纵向布局筛网的方式，更便于从容器上方添加或吸取各级别的分散液。由于采用本发明的装置进行微纳粒子分级的过程为物理分级过程，不引入新的化学品，对后续工艺无影响。该装置成本低、维护简单，筛网无物料残留，不易堵塞，可反复使用，具有良好的工业应用前景。

附图说明

为了让本公开实施例能更容易理解，以下配合所附附图作详细说明。应该注意，根据工业上的标准范例，各个部件未必按照比例绘制，且仅用于图示说明的目的。实际上，为了让讨论清晰易懂，各个部件的尺寸可以被任意放大或缩小。

图1是本公开一实施方式的微纳粒子尺寸分级装置；

图2是本公开另一实施方式的微纳粒子尺寸分级装置；

图3～图5分别示出本公开一实施方式的微纳粒子尺寸分级过程示意图。

其中，附图标记说明如下：

100、200：壳体

101、201：第一筛网

102、202：第二筛网

103：溶剂

104：微纳粒子

I、II、III：区域

具体实施方式

体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。

在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。

参阅图1，其代表性地示出了本公开提出的一示例性实施方式的微纳粒子尺寸分级装置。本公开提出的微纳粒子尺寸分级装置是以应用于氧化还石墨烯尺寸分级为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本公开的相关设计应用于其他类型的微纳粒子尺寸分级中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本公开提出装置原理的范围内。

如图1所示，在本实施方式中，本公开提出的微纳粒子尺寸分级装置主要包括壳体、第一电极和第二电极及多个筛网，其中微纳粒子是带电粒子，也即在分散液中具有带电状态的粒子。需说明的是，图1仅为该微纳粒子尺寸分级装置的部分示意图，图2为本公开另一实施方式的微纳粒子尺寸分级装置示意图。配合参阅图3～图5所示，其分别示出了本公开一实施方式的微纳粒子尺寸分级过程示意图。下面将结合上述附图，并以微纳粒子为氧化石墨烯为例，对本公开提出的微纳粒子尺寸分级装置的一示例性实施方式的各主要组成部分的结构、连接方式和功能关系进行详细说明。

如图1所示，该微纳粒子尺寸分级装置包括壳体100、多个筛网101、102及第一电极和第二电极。其中第一电极和第二电极分别位于壳体100的两端并形成电场，沿第一电极朝向第二电极的方向，多个筛网按照目数依次递增的方式间隔布置于壳体100内。需要说明的是，前述的筛网也可以仅设置一个，此时即仅分成2级片径。

见如图1，多个筛网包括第一筛网101和第二筛网102，第一筛网101的目数小于第二筛网102的目数，当微纳粒子为氧化石墨烯(GO)时，氧化石墨烯在分散液中呈负电状态，此时设置第一电极的电性为负极，第二电极的电性为正极，在电场作用下，小片径GO以更快的速度移向正极。因此引入加速电场后，悬浮材料的自由扩散变成一定的定向运动，从而大大缩短的实现有效分级所需要的时间。

在一些实施例中，前述的筛网个数可以为2个，也即第一筛网101和第二筛网102，第一筛网目数为28目～8000目，例如，28目、300目、600目、800目、2000目、5000目、8000目等，第二筛网目数为28目～8000目，例如，800目、1000目、2000目、5000目、8000目等，根据实际需要筛分的粒子大小进行选择。根据实际需要，筛网也可以设置多个，例如3个、4个等，本公开不限于此。一般地，相邻筛网之间的距离为5cm～100cm，例如，5cm、15cm、20cm、30cm、50cm、75cm等。

在一些实施例中，前述的微纳粒子可以为氧化石墨烯，也可以为其它在悬浮液中呈带电状态(正电或负电)的粒子，例如、二氧化硅等，微纳粒子的尺寸为10nm～8000um。

根据本公开，前述的壳体形状可以为长方体、圆柱体或正方体。例如图1为长方体形状的壳体100，图2为圆柱体形状的壳体200，其中可设置第一筛网201和第二筛网202，或设置更多目数不同的筛网。壳体所围成的容器容积为1L～2500L，根据实际需要可进行适当调整。筛网为尼龙网、金属网或根据需要加工的网状材料，根据壳体形状可选用相应形状的筛网，网孔形状为正方形、长方形、三角形、球形、不规则球形或其他不规则形状。

在一些实施例中，前述的壳体形状优选为长方体或正方体，并在此基础上，多个筛网101、102纵向间隔布置于壳体100内，且经多个筛网101、102分隔出的多个区域I、II、III上方分别设有开口(未图示)。如图1所示，采用这种纵向布局的筛网时，更便于从容器上方添加或吸取各级别的分散液。

本公开的装置还包括在前述多个筛网101、102分隔出的多个区域I、II、III分别连接气泡发生器。通过引入气泡发生器，可以在分级过程的同时对溶液实现搅动作用，加速悬浮颗粒的运动同时防止沉降，从而利于微纳粒子的分级。

下面以氧化石墨烯为例，结合图3～图5具体说明本公开一个实施方式的微纳粒子分级方法。

如图3所示，将含有不同尺寸微纳粒子500的分散液置于所述壳体内，壳体内也可预先装水等溶剂400，再将分散液加入以充满整个壳体100。如果筛网是水平放置，溶剂400填满各层筛网之间，然后在最上层加入分散液(如图2所示)。如果筛网是竖直纵向放置，如图3所示，则可先添加少量溶剂400，然后在最左侧区域I加入分散液。

接着，如图4所示，打开电源施加电压。其中，施加电压不宜过大或过小，过小无法保证稳定粒子的作用，过大会降低分级效果，电压以1V～100V为宜，例如，1V、10V、30V、50V、80V、100V等。

根据本公开，透析是通过小分子经过半透膜扩散到水(或缓冲液)的原理，将小分子与生物大分子分开的一种分离纯化技术。透析是一个物理过程，本质上是利用半透膜两边物质的浓度差。以微纳粒子为氧化石墨烯(GO)为例，本公开通过采用不同目数的筛网，可以对氧化石墨烯分散液进行“透析”，基于浓度差透析基本原理，在一侧注入含不同片径GO的GO分散液，由于浓度差，逐渐向另一侧扩散。最小片径可以通过第一筛网和第二筛网；中等片径只能通过孔径较大的筛网，也即第一筛网；大片径的无法通过筛网，留在原侧。经过一定时间后，被筛网分隔的区域I、II、III内，便存有不同片径的GO。为了加快透析，引入加速电场。由于GO表面各种极性官能团，悬浮液中的GO呈带负电状态，如图5所示，在电场作用下，小片径GO以更快的速度移向阳极。因此，引入加速电场后，悬浮材料的自由扩散变成一定的定向运动，从而大大缩短的实现有效分级所需要的时间。以此，通过利用透析以及电泳的原理，用不同孔径的筛网对GO分散液实现了多级尺寸分离。

综上，本公开通过利用透析原理，结合电场作用，可实现精确控制粒子的粒径分级尺寸，有效降低分级时间并提升效率，分级范围可大可小(10nm～8000um)，经验证，采用普通透析方式进行粒子尺寸分级往往需要40小时以上，而本公开的微纳粒子分级装置可大大缩短时间，在5～10小时即可完成有效分级。此外，本公开的装置还具有简单易行、廉价、易于工业化应用的特点，装置维护简单，筛网无物料残留，不易堵塞，可反复使用。由于整个过程为物理分级，分级过程不引入新的化学品，对后续工艺无影响。在采用纵向布局的筛网时，还便于分级后分散液的提取。总之，本公开的微纳粒子尺寸分级装置及方法可实现微纳粒子，尤其是氧化石墨烯等的可控分离，从而进一步实现对所得产品性能的调控，具有重要的意义。

下面将通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。如无特殊说明，本发明采用的试剂均可从市售购得。

实施例1

(1)采用改进的Hummers法制备GO：

将4g 325目鳞片石墨，加入120mL浓硫酸，置于冰水浴中搅拌(200rpm)30min；缓慢加入20g KMnO₄反应60min；转移到35℃温水浴中继续反应60min，搅拌速度300rpm；缓慢加入230mL去离子水，并保持反应温度为98℃，搅拌5min；加入适量H₂O₂至不产生气泡，溶液由深棕色变为黄色；用去离子水和5％的盐酸进行3次洗涤至中性，去除金属离子；在60℃真空干燥箱中充分干燥后得到氧化石墨；将氧化石墨分散在水中，得到棕黄色液体；超声处理1h得到2mg/mL的GO分散液。

(2)采用图2所示装置对步骤1)所得的GO分散液进行尺寸分级：

把筛网和圆柱形容器清洗干净。如图2所示，在壳体上下端设置电极，连接30V直流电源，上侧为负极，下侧为正极。将筛网水平固定(筛网松弛不紧绷)在壳体围成的20L容器内，上侧为600目筛网，下侧为2000目筛网，各层筛网间距离可调且筛网处于松弛状态。在容器内加水至70％，在容器上侧缓慢倒入2g/mL GO分散液5L，接通直流电源，进行透析。透析8小时后，GO片径分级完成。

取出分级完成的含有不同尺寸范围的GO片径分散液，对其进行表征。通过SEM在同一批样品里取至少3个点，总共至少测90个片径数据，以得到片径平均值。分级完成后的片径大小依次为4.2μm，15.7μm，37.8μm。

实施例2

(1)制备GO：

配制110mL浓硫酸和磷酸的混合酸(体积比9:1)，将混合酸缓慢倒入3g 800目鳞片石墨和24g KMnO₄的混合物中并搅拌。反应温度升至40℃并持续搅拌10h。混合溶液倒入1250mL去离子水中，随后加入75mL H₂O₂，溶液由深棕色变为黄色；用去离子水和5％的盐酸进行3次洗涤至中性，去除金属离子和硫酸根离子。在60℃真空干燥箱中充分干燥后得到氧化石墨；将氧化石墨分散在水中，得到棕黄色液体；超声处理1h得到3mg/mL的GO分散液。

(2)采用图1装置对步骤1)所得的GO分散液进行尺寸分级：

把筛网和长方形容器清洗干净，将筛网竖直固定(筛网松弛不紧绷)在壳体围成的4L长方形容器内，左侧为2000目筛网，右侧为8000目筛网，各层筛网间距离可调且筛网处于松弛状态。在容器两侧设置电极，连接30V直流电源，左侧为负极，右侧为正极。每个区域I、II、III内设置气泡发生器，用于搅动液体、加速悬浮GO的运动。在容器内加水至70％，在容器左侧缓慢倒入3g/mL GO分散液1L，接通直流电源，进行透析。透析8小时后，GO片径分级完成。

取出分级完成的含有不同尺寸范围的GO片径分散液，对其进行表征。通过SEM在同一批样品里取至少3个点，总共至少测90个片径数据，以得到片径平均值。分级完成后的片径大小依次为1.2μm，5.5μm，13.5μm。

对比例1

分级方法同实施例1，不同的是，不施加电压。经透析10小时后，进行SEM表征，发现GO尺寸分级不完全，具体各层分级情况为:分级完成后的片径大小依次为3.5μm，15.3μm，30.2μm。说明很多小片径未通过滤网，使得大片径区域的平均尺寸较低。

本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims

1.一种微纳粒子尺寸分级装置，其特征在于，包括：

壳体；

筛网，设置于所述壳体内；

第一电极和第二电极，分别位于所述壳体的两端并形成电场；及

其中，含有不同尺寸微纳粒子的分散液置于所述壳体内，所述微纳粒子为带电粒子，所述第一电极的电性与所述微纳粒子的电性相同，所述第二电极的电性与所述微纳粒子的电性相反，所述微纳粒子在所述电场作用下通过所述筛网，以对所述微纳粒子进行尺寸分级。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述筛网为目数不同的多个筛网，沿所述第一电极朝向所述第二电极的方向，所述多个筛网按照目数依次递增的方式间隔布置于所述壳体内。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，筛网的个数为1个～10个；所述筛网个数大于1时，相邻的所述筛网之间的距离为5cm～100cm；所述壳体的容积为1L～2500L。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微纳粒子为氧化石墨烯、二氧化硅中的一种或多种，所述微纳粒子的尺寸为10nm～8000μm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体形状为长方体、圆柱体或正方体。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述筛网纵向布置于所述壳体内，且经所述筛网分隔出的多个区域上方分别设有开口。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多个区域分别连接气泡发生器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述筛网由第一筛网和第二筛网组成，所述第一筛网目数为28目～8000目，所述第二筛网目数为28目～8000目。

9.一种采用权利要求1～8中任一项所述装置进行微纳粒子尺寸分级的方法，其特征在于，包括步骤如下：

将含有不同尺寸微纳粒子的分散液置于所述壳体内；

施加电压于所述壳体形成电场，所述微纳粒子在所述电场作用下通过所述筛网进行透析分级，得到不同尺寸范围的微纳粒子分散液。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电压为1V～100V，所述透析时间为5h～10h。