CN113980356B - 一种含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料 - Google Patents

一种含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料的制备方法。所述制备方法按如下步骤进行：将氧化石墨烯纳米片分散于溶剂中，通过超声震荡、搅拌，使所得溶液分散均匀。向溶液中加入含氧的有机叠氮化合物，在低温条件下，通过光延反应和冷冻干燥过程得到含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料。本发明所述的方法制得的功能化氧化石墨烯纳米材料在有机溶剂中具有高分散性，良好的抑菌特性。与聚合物共混后，可应用于制备抗污染抗菌超滤和微滤膜，且分离性能好，抗污染和抑菌性能稳定，呈现出良好的工业应用前景。

Description

一种含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料
技术领域
本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料及其制备方法
背景技术
氧化石墨烯是一种重要的石墨烯衍生物，最初主要作为宏量制备石墨烯的前驱体。近年来，由于其不同于石墨烯的诸多独特物理化学性质越来越受到人们的重视，被广泛用于制备多功能分离膜、高导高强纤维、超轻超弹性气凝胶等多种功能材料，并且在水处理、电化学储能、催化、生物医药、复合材料等方面表现出良好应用前景。在多功能分离膜的制备中，氧化石墨烯由于存在大量的含氧官能团，在水中具有较好的分散性，且易于组装和功能化，使得膜的亲水性进一步提高，分离性能和抗污染性能得到进一步强化。
氧化石墨烯的这些优异性质激发了研究人员开发更具功能化的氧化石墨烯。与未改性的氧化石墨烯相比，改性的氧化石墨烯具有更好的分散性，因此其在混合基质膜的制备过程中可以更好的分散在有机溶剂中，使得其亲水性得到更好的发挥，使膜有更强的水渗透通量和分离效率。类似的方案已经被商业化并被认为是制备具有较高通量，有效抗污染性能和抗菌性能超滤膜的改性方法。
近期的研究表明，氧化石墨烯的性能在很大程度上取决于本身具有的基团以及接枝的基团。其中，功能化氧化石墨烯基其表面富有大量的含氧官能团，环氧基、羧基、羟基等，为功能化的改性提供更多的活性位点，因此分散性和抗菌抗污染性能显著高于未功能化的氧化石墨烯。自从第一个有机叠氮化物成功制备以来，其合成方法被逐渐开发，在化学、生物、医学和材料科学的界面上占有重要的地位。有机叠氮化合物是一种有效的抗菌剂，但其毒性强烈限制了其作为抗菌化合物的使用。然而，也有一些叠氮化合物作为高效抗菌剂在药物化学中的应用实例。
发明内容
本发明的目的是提供一种分散性和抗菌抗污染性能显著提高的含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料及其制备方法，以及利用该含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料制备的膜。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料，所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料按如下方法制备：
向氧化石墨烯的水分散液中加入有机叠氮化合物，在0～10℃下搅拌反应30～60min(优选0℃下搅拌反应45min)，所得反应液经后处理，得到所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料；
所述有机叠氮化物为1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯或叠氮磷酸二苯酯(优选叠氮磷酸二苯酯)；所述氧化石墨烯的水分散液中所含氧化石墨烯的质量与所述有机叠氮化合物的质量比为40:1～4(优选20:1)；所述氧化石墨烯的水分散液中所含水的体积以氧化石墨烯的质量计为200～500mL/g(优选250mL/g)。
进一步，所述后处理为：所述反应液离心，所得沉淀物经水洗、离心，所得沉淀于-80～-20℃冷藏8-20h(优选12h)后，于-20～0℃(冷冻干燥机中)进行冷冻干燥，得到所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料。
本发明还提供一种上述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料制备的混合基质膜。
具体地，所述混合基质膜按如下方法制备：
将所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料均匀分散(超声0.5～3h，优选1h)于有机溶剂中，加入聚合物粉末，于20～30℃搅拌8～24h(优选25℃下搅拌12h)至聚合物完全溶解后，先超声0.5-2h(优选1h)并静置3～5h(优选3.5h)后，得到铸膜液，刮膜，得到所述混合基质膜；所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料与所述聚合物粉末的质量比为0.832～8.32:1000(优选4.16:1000)；所述有机溶剂为N,N二甲基甲酰胺、N,N二甲基乙酰胺、丙二醇甲醚或N-甲基吡咯烷酮(优选N,N二甲基乙酰胺)；所述聚合物粉末为聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈或芳香族聚酰胺(优选聚砜)。
进一步，所述有机溶剂的体积以所述聚合物的质量计为3～4mL/g(优选3.6mL/g)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)避免了传统叠氮接枝过程中使用有毒和爆炸性的叠氮化试剂，本发明通过使用安全的有机叠氮化物，采用改进的光延反应来取代羟基；(2)不同于报道的热化学或化学反应来改性GO纳米片，GO纳米片在低温下通过冷冻干燥工艺被含氧叠氮化物功能化，可以防止GO纳米片结构框架的分解；(3)含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯可以更容易地通过氢键、共价键和静电相互作用与聚合物基质发生相互作用，从而在聚合物膜中获得高分散性和相容性。
附图说明
图1(a)原始氧化石墨烯、(b)1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯改性后的氧化石墨烯和(c)叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯纳米材料的透射电镜图。(d)叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯纳米材料元素分布图。
图2(a)原始氧化石墨烯、(b)1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯改性后的氧化石墨烯和(c)叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯纳米材料在有机溶剂中的分散图。
图3叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯纳米材料的抑菌性能照片。(a)大肠杆菌；(b)金黄色葡萄球菌。
图4叠氮磷酸二苯酯改性的氧化石墨烯的抑菌混合基质膜的抗菌时效SEM图(a)以实施例1中改性氧化石墨烯制备的膜材料(b)以实施例2中改性氧化石墨烯制备的膜材料(c)以实施例3中改性氧化石墨烯制备的膜材料
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明加以详细描述，但本发明并不限于下述实施例，在不脱离本发明内容范围内，变化实施都应包含在本发明的技术范围内。
本发明中氧化石墨按如下方法制备：
采用Hummers方法的改进方法制备氧化石墨。具体制备步骤如下：
(1)在冰水浴的条件下，将2g天然鳞片石墨和1g碳酸钠加入到46mL 98wt.％浓硫酸溶液中，搅拌至均匀；(2)将6g高锰酸钾极缓慢地加入上述混合液中，在冰水浴的条件下继续搅拌2h；(3)将上述混合溶液转移到35℃的恒温油浴中继续反应1h后移出；(4)将92mL的去离子水缓慢滴入该体系，再将其放入98℃恒温油浴中反应40min后移出；(5)待该溶液冷却至25℃，加入6mL 30wt.％的过氧化氢溶液搅拌后，用300mL 10wt.％的稀盐酸溶液洗涤离心后，将其倒入适宜的培养皿中，平铺开来，再置于60℃真空干燥箱中干燥，得到氧化石墨。
本发明中改性的氧化石墨烯按如下方法制备：
将制备好的氧化石墨超声分散于50mL去离子水中，得到氧化石墨烯分散液。加入一定量的叠氮磷酸二苯酯，搅拌反应；随后用去离子水清洗，将得到的沉积物进行干燥，得到蓬松状的叠氮磷酸二苯酯改性的氧化石墨烯纳米材料。也采用类似的方式合成1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯改性的氧化石墨烯改性和N-氟-N'-(氯甲基)三乙二胺双(四氟硼酸盐)改性的氧化石墨烯。
本发明中未改性的石墨烯纳米材料和含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料的抑菌性能按如下方法检测：
(1)最低抑菌浓度的测定：采用二倍稀释法测定最低抑菌浓度，用96孔板配置梯度抗菌溶液，其中1号孔加入0.04mL一定初始浓度的抗菌溶液(氧化石墨烯水溶液、叠氮磷酸二苯酯改性的氧化石墨烯水溶液、1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯改性的氧化石墨烯水溶液和N-氟-N'-(氯甲基)三乙二胺双(四氟硼酸盐)改性的氧化石墨烯水溶液)和0.16mL LB液体培养基摇匀(共0.2mL)，其余孔加0.1mL LB液体培养基。从1号孔中取出0.1mL溶液加入2号孔，摇匀后取出0.1mL溶液加入3号孔，以此类推至11号孔摇匀后，从11号孔中移除0.1mL溶液，由此1-11号孔内抗菌样品的终浓度按表1的梯度设置(以表1的实施例1为例，实施例1的抗菌溶液中叠氮磷酸二苯酯改性的氧化石墨烯的初始浓度为125mg/mL，因此1号孔内其终浓度为25mg/mL，2号孔内为12.5mg/mL，其他孔的终浓度以此类推)，12号孔为空白对照，不加入抗菌材料。将培养好的OD＝0.08的菌悬液稀释1000倍后，每孔加入10μL稀释后的菌悬液进行培养(35℃,12h)；以肉眼观察，孔内无细菌生长者中对应的最低浓度，即为测试菌的最低抑菌浓度；
(2)最低杀菌浓度的测定：选择未生长细菌孔对应的浓度，制备含抗菌材料的琼脂培养平板；先称取牛肉膏粉(5g)、蛋白胨(10g)、NaCl(10g)放入烧杯中。先往烧杯中加入少量去离子水，用玻棒搅匀，然后，在石棉网上加热使其溶解。待试剂完全溶解后，添加水到所需的总体积(1000mL)。配制固体培养基时，则是在已溶解好的培养基中加入15g琼脂加热溶化。然后调节培养基的酸碱度，直至pH达7.6。按实验要求，可将配制的培养基分装入试管内或锥形瓶内。培养基分装完毕后，在试管口或锥形瓶瓶口上塞上棉塞。加塞后，再在棉塞外包一层牛皮纸，以防止灭菌时冷凝水润湿棉塞。用记号笔注明培养基名称、组别、日期。将上述培养基以120℃高压蒸汽灭菌20分钟。灭菌完成后，待培养基冷却至50℃以下之后，在培养基中按最低抑菌浓度的测定中未生长细菌的孔所对应的终浓度加入抗菌材料，搅拌30min并超声30min后，倒入相应的培养皿中，待培养基凝固制得含抗菌材料的琼脂培养平板。将OD＝0.08的菌悬液稀释10倍后，从所得稀释的菌悬液中取2μL涂布在含抗菌材料的琼脂培养平板上进行培养(35℃,12h)；肉眼观察细菌生长，无菌落生长的培养基对应的抗菌溶液浓度，即为抗菌样品的最低杀菌浓度。
实施例1：叠氮磷酸二苯酯改性的氧化石墨烯复合材料的制备
取50mL去离子水置于烧杯中，称取0.2g氧化石墨置于烧杯中，在室温下超声、搅拌，使氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨烯分散液。再用移液枪量取0.01g的叠氮磷酸二苯酯置于烧杯中，0℃下搅拌45min；反应完毕后将获得的混合溶液水洗离心得到沉淀物，将沉淀物转移到-80℃超低温冰箱中12h；然后将沉淀物置于-20℃冷冻干燥机中干燥，得到蓬松状的叠氮功能化氧化石墨烯，即为叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯复合材料。
实施例2：叠氮磷酸二苯酯改性的氧化石墨烯复合材料的制备
取50mL去离子水置于烧杯中，称取0.2g氧化石墨置于烧杯中，在室温下超声、搅拌，使氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨烯分散液。再用移液枪量取0.005g的叠氮磷酸二苯酯置于烧杯中，0℃下搅拌45min；反应完毕后将获得的混合溶液水洗离心得到沉淀物，将沉淀物转移到-80℃超低温冰箱中12h；然后将沉淀物置于-20℃冷冻干燥机中干燥，得到蓬松状的叠氮功能化氧化石墨烯，即为叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯复合材料。
实施例3：叠氮磷酸二苯酯改性的氧化石墨烯复合材料的制备
取50mL去离子水置于烧杯中，称取0.2g氧化石墨置于烧杯中，在室温下超声、搅拌，使氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨烯分散液。再用移液枪量取0.02g的叠氮磷酸二苯酯置于烧杯中，0℃下搅拌45min；反应完毕后将获得的混合溶液水洗离心得到沉淀物，将沉淀物转移到-80℃超低温冰箱中12h；然后将沉淀物置于-20℃冷冻干燥机中干燥，得到蓬松状的叠氮功能化氧化石墨烯，即为叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯复合材料。
实施例4：1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯改性的氧化石墨烯复合材料制备
取50mL去离子水置于烧杯中，称取0.2g氧化石墨置于烧杯中，在室温下超声、搅拌，使氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨烯分散液。再用移液枪量取0.01g的1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯置于烧杯中，0℃搅拌并反应45min，反应完毕后将获得的混合溶液水洗离心得到沉淀物，将沉淀物转移到-80℃的超低温冰箱中12h；然后将沉淀物置于-20℃冷冻干燥机中干燥，得到蓬松状的叠氮功能化氧化石墨烯，即为1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯改性后的氧化石墨烯复合材料。
对比例1：氧化石墨烯复合材料制备
取50mL去离子水置于烧杯中，称取0.2g氧化石墨置于烧杯中，在室温下超声、搅拌，使氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨烯分散液。将获得的溶液经水洗离心得到沉淀物，将沉淀物转移到-80℃的超低温冰箱中12h；然后将沉淀物置于-20℃冷冻干燥机中干燥，得到蓬松状的氧化石墨烯材料。
对比例2:N-氟-N'-(氯甲基)三乙二胺双(四氟硼酸盐)改性的氧化石墨烯复合材料制备
取50mL去离子水置于烧杯中，称取0.2g氧化石墨置于烧杯中，在室温下超声、搅拌，使氧化石墨分散均匀，得到氧化石墨烯分散液。再用移液枪量取0.01g的N-氟-N'-(氯甲基)三乙二胺双(四氟硼酸盐)溶剂置于烧杯中，0℃搅拌并反应45min，反应完毕后将获得的混合溶液水洗离心得到沉淀物，将沉淀物转移到-80℃的超低温冰箱中12h；然后将沉淀物置于-20℃冷冻干燥机中干燥，得到蓬松状的叠氮功能化氧化石墨烯，即为N-氟-N'-(氯甲基)三乙二胺双(四氟硼酸盐)改性的氧化石墨烯复合材料。
表1氧化石墨烯基材料对细菌的敏感性测试
Figure BDA0003371662680000061
Figure BDA0003371662680000071
实施例5：抑菌混合基质膜制备
精确称量0.0208g纳米复合材料(原始的氧化石墨烯、1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯改性后的氧化石墨烯或叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯或N-氟-N'-(氯甲基)三乙二胺双(四氟硼酸盐)改性的氧化石墨烯)，将其加入18ml N,N二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中，超声1h以形成均匀溶液；将5g聚砜粉末缓慢加入混有纳米复合材料的N,N二甲基乙酰胺溶液中，在25℃下进一步搅拌12h，直到聚砜完全溶解，超声1h并静置3.5h。将铸膜液用200μm厚的刮刀均匀分散在玻璃板上，得到抑菌混合基质膜。纯聚砜膜的制备则无纳米复合材料加入有机溶剂的环节。
实施例1制备的叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯加入的聚砜膜，在25℃，0.1MPa，40m3/s的测试条件下，纯水通量由纯聚砜膜的45.2L·m-2·h-1升高到242.5L·m-2·h-1，对0.2g/L的BSA水溶液截留率为96.1％。
实施例2制备的叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯加入的聚砜膜，在25℃，0.1MPa，40m3/s的测试条件下，纯水通量由纯聚砜膜的45.2L·m-2·h-1升高到210.3L·m-2·h-1，对0.2g/L的BSA水溶液截留率为96.9％。
实施例3制备的叠氮磷酸二苯酯改性后的氧化石墨烯加入的聚砜膜，在25℃，0.1MPa，40m3/s的测试条件下，纯水通量由纯聚砜膜的45.2L·m-2·h-1升高到272.2L·m-2·h-1，对0.2g/L的BSA水溶液截留率为95.2％。
实施例4制备的1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯改性后的氧化石墨烯加入的聚砜膜，在25℃，0.1MPa，40m3/s的测试条件下，纯水通量由纯聚砜膜的45.2L·m-2·h-1升高到201.7L·m-2·h-1，对0.2g/L的BSA水溶液截留率为95.6％。
对比例1制备的原始氧化石墨烯加入的聚砜膜，在25℃，0.1MPa，40m3/s的测试条件下，纯水通量由纯聚砜膜的45.2L·m-2·h-1升高到115.1L·m-2·h-1，对0.2g/L的BSA水溶液截留率为95.2％。
对比例2制备的N-氟-N'-(氯甲基)三乙二胺双(四氟硼酸盐)改性的氧化石墨烯加入的聚砜膜，在25℃，0.1MPa，40m3/s的测试条件下，纯水通量由纯聚砜膜的45.2L·m-2·h-1升高到181.6L·m-2·h-1，对0.2g/L的BSA水溶液截留率为95.2％。
以实施例1、2、3的改性氧化石墨烯材料按上述方法制备抑菌混合基质膜，测试抗菌膜的抑菌有效时间。标号50mL锥形瓶1～6(分别放入实施例1、2、3材料制备的膜片)，6个锥形瓶中分别装入25mL营养肉汤培养液和200μL细菌悬液。同时，放入裁剪好的圆膜片样品3片(d＝10mm)，在37℃下，150次/min振荡培养24h后。将膜片取出放入装有8mL 2.5％(w/w)戊二醛的小瓶中浸泡，并放在2～6℃冰箱中静置8h，固定膜上的细菌。然后用PBS溶液和去离子水轻轻冲洗膜，并用5mL甲醇溶液脱水，每次15min。最后，将膜圆片自然风干，并裁剪出一定大小的方形贴在电镜台上，通过溅射涂层机(Quorum Q150T-ES,Emitech,France)对风干后的样品进行金属涂层，然后通过扫描电子显微镜(SEM,HITACHI,SU8010,JPN)进行形貌观察。每种膜样品测试三个平行样。
由图4可知，实施例1制得的叠氮磷酸二苯酯的材料抑菌性能最好。
由此可见，具有含氧的叠氮磷酸二苯酯叠氮化合物能在有机溶剂中具有更好的分散性，能增加与聚合物膜的兼容性，提升膜的渗透性能和抗菌性能。

Claims (8)

1.一种含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料，其特征在于所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料按如下方法制备：
向氧化石墨烯的水分散液中加入有机叠氮化合物，在0～10℃下搅拌反应30～60min，所得反应液经后处理，得到所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料；
所述有机叠氮化合物为叠氮磷酸二苯酯；所述氧化石墨烯的水分散液中所含氧化石墨烯的质量与所述有机叠氮化合物的质量比为40:1～4；所述氧化石墨烯的水分散液中所含水的体积以氧化石墨烯的质量计为200～500mL/g；
所述后处理为：所述反应液离心，所得沉淀物经水洗、离心，所得沉淀于-80～-20℃冷藏8-20h后，于-20～0℃进行冷冻干燥，得到所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料。
2.如权利要求1所述的含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料，其特征在于：所述氧化石墨烯的水分散液中所含氧化石墨烯的质量与所述有机叠氮化合物的质量比为20:1。
3.如权利要求1所述的含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料，其特征在于：所述氧化石墨烯的水分散液中所含水的体积以氧化石墨烯的质量计为250mL/g。
4.一种以如权利要求1所述的含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料制备的混合基质膜。
5.如权利要求4所述的混合基质膜，其特征在于所述混合基质膜按如下方法制备：
将所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料均匀分散于有机溶剂中，加入聚合物粉末，于20～30℃搅拌8～24h至聚合物完全溶解后，超声0.5-2h并静置3～5h，得到铸膜液，刮膜，得到所述混合基质膜；所述含氧叠氮基团功能化改性氧化石墨烯纳米材料与所述聚合物粉末的质量比为0.832～8.32:1000；所述有机溶剂为N,N二甲基甲酰胺、N,N二甲基乙酰胺、丙二醇甲醚或N-甲基吡咯烷酮；所述聚合物粉末为聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈或芳香族聚酰胺。
6.如权利要求5所述的混合基质膜，其特征在于：所述有机溶剂的体积以所述聚合物的质量计为3～4mL/g。
7.如权利要求5所述的混合基质膜，其特征在于：所述有机溶剂为N,N二甲基乙酰胺。
8.如权利要求5所述的混合基质膜，其特征在于：所述聚合物粉末为聚砜。
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