CN1837037A

CN1837037A - 纳米碳溶胶的制备方法

Info

Publication number: CN1837037A
Application number: CN 200610200360
Authority: CN
Inventors: 吴翔; 孟国军; 张锡江
Original assignee: Jiangnan Industry Trade Co Of China Jiangnan Aerospace Industry Group
Current assignee: Jiangnan Industry Trade Co Of China Jiangnan Aerospace Industry Group
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2026-04-17
Also published as: CN100355650C

Abstract

本发明公开了一种纳米碳溶胶的制备方法，它将电极按正负极排列放入装有电解液的反应槽中，每组电极间采用并联，正、负电极之间用绝缘带孔板或绝缘带孔网隔开，然后向电极中通入高频交流脉冲电流，电流的频率控制在10～70KHZ，电压控制在3～15V，电流密度控制在0.5～4A/cm²的条件下进行反应，控制温度在60℃以下，每隔6～8小时搅拌一次，5～8天后，结束反应，槽中溶液即为纳米石墨碳溶胶；本发明不但生产周期可比现有技术缩短50％～70％，生产成本可比现有技术降低30％～50％，使纳米碳溶胶及碳粉这种新型的纳米材料将得到更快的推广应用，同时还具有颗粒细小、粒度分布均匀、表面修饰好等性能特点。

Description

纳米碳溶胶的制备方法

技术领域：本发明涉及一种纳米碳溶胶的制备方法。

背景技术：纳米炭粉作为一种新材料，广泛应用于橡胶、颜料、油墨、电子及复合材料等领域。目前，纳米碳粉的制备方法主要有研磨法、溶胶干燥法、爆炸法等几种，研磨法和爆炸法在粒度均匀性、表面修饰等方面都比溶胶干燥法差，溶胶干燥法生产的纳米碳粉具有颗粒细小、粒度分布均匀、表面修饰好等特点，是制备纳米碳粉的较好方法。

溶胶干燥法制备纳米碳粉的关键技术是制备纳米碳溶胶，目前纳米碳溶胶的制备主要通过氧化法制备，纳米碳溶胶的氧化法制备现已报道的有双隋性电极并串联阳极氧化法制备纳米石墨碳溶胶、脉冲式电极法制备纳米石墨碳溶胶、阳极石墨电极氧化法制备纳米石墨碳溶胶等，这些方法各有其特点，但在应用过程中发现这些方法均具有生产周期长、成本高的不足，用上面几种方法制备浓度为0.5％～0.6％的纳米碳溶胶一般需要20～30天的时间，每吨这种溶胶的成本在3000元～10000元之间，这对纳米碳溶胶的推广应用带来了困难。

发明内容：

本发明的目的在于：提供一种生产周期短、生产成本较低，经济、实用的纳米碳溶胶的制备方法，以解决纳米碳溶胶在推广应用中存在的问题。

本发明是这样实现的：将电极按正负极排列放入装有电解液的反应槽中，每组电极间采用并联，正、负电极之间用绝缘带孔板或绝缘带孔网隔开，然后向电极中通入高频交流脉冲电流，电流的频率控制在10～70KHZ，电压控制在3～15V，电流密度控制在0.5～4A/cm²的条件下进行反应，控制温度在60℃以下，每隔6～8小时搅拌一次，5～8天后，结束反应，槽中溶液即为纳米石墨碳溶胶。

电极的阳极和阴极均为石墨，石墨的纯度在98％以上，电极的厚度为4～8cm。

电极的阳极为石墨，阴极也可为惰性材料，

惰性材料为不锈钢或镍板。

为了保证纳米碳溶胶的纯度，电解液可采用1/4的纳米碳溶胶作为母液，加3/4的水配制而成，这样配制的电解液基本不含其他杂质。

电解液也可采用总量不超过电解液重量1％的氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钾、氯化钠与水配制而成，氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钾、氯化钠可单独加入，也可混合加入。

电解液也可采用总量不超过电解液重量5％的硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠与水配制而成，硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠可单独加入，也可混合加入。

电解液还可采用总量不超过电解液重量1％的氯化钾、氯化钠氢氧化钠或氢氧化钾与水配制而成，氯化钾、氯化钠、氢氧化钠或氢氧化钾可单独加入，也可混合加入。

用于配制电解液的水中Ca离子的含量小于8mg/L，K、Na、Mg离子的含量小于1.5mg/L，Fe、Ni、Cr离子的含量小于1.0mg/L，以保证电解液的纯度。

本发明采用纯度在98％以上的高纯石墨作为电极，并且两极都采用石墨以获得较高的生产效率，也可阳极采用石墨，阴极采用如不锈钢、镍板等惰性材料，以降低成本。生产时将电极放入电解质溶液中，对高纯石墨电极施加高频脉冲电流，利用高频电流具有的趋肤效应和脉冲电流具有在表面的尖角凸起部位密集的性能特点，使参与反应的全部电流都集中在电极的表面，特别是表面不平的凸起处，石墨电极表面凸起处获得更多的能量，极易成为纳米颗粒游离在电解质溶液中形成纳米碳溶胶，而且由于采用的是交流脉冲电流，阴、阳极中的电流是按周期变化的，两电极会同时消耗，可以最大限度的节省石墨电极材料，大大提高石墨电极的利用率；同时，全部电流都集中在电极的表面特别是电极表面的尖角凸起部位，电流的利用率非常高，生产时反应温度低，因此生产效率很高，耗电量少，一般生产浓度为0.5％～0.6％的纳米碳溶胶只需要5～8天的时间，比现有技术的生产周期缩短了2/3～1/2，节省电能20％左右，大大提高了电能的利用率，节省了能源，降低了产品成本，生产成本可降低30％～50％；并且可以通过电流、电压来控制纳米碳的颗粒大小，生产出来的纳米碳颗粒呈单分散的球状颗粒，表面仍然是水分子形成的负电性双电层修饰，表面修饰效果较好，应用过程和存放过程中不易发生团聚，如果工艺参数控制恰当，可获得15nm以下的纳米碳颗粒，调整工艺参数也可以获得15nm～100nm的纳米碳颗粒，具有颗粒细小、粒度分布均匀、表面修饰好等性能特点。

因此，与现有技术相比，本发明不但大大缩短了纳米碳溶胶的生产周期，降低了生产成本，使纳米碳溶胶及碳粉这种新型的纳米材料得到更快的推广应用，而且还具有颗粒细小、粒度分布均匀、表面修饰好等性能特点。

具体实施方式：

本发明的实施例：将阳极和阴极均为石墨的电极10块，分为5组，按正负极排列放入装有电解液的反应槽中，反应槽采用绝缘材料制作，一般用聚乙烯、聚苯乙烯等材料通过注塑成型，反应槽的大小根据电极的大小确定，并在电极周围留出9cm的间隙用于反应过程中搅拌；电解液采用1/4原来的纳米碳溶胶作为母液，加3/4的水配制而成，用于配制电解液的水中Ca离子的含量小于8mg/L，K、Na、Mg离子的含量小于1.5mg/L，Fe、Ni、Cr离子的含量小于1.0mg/L，这样配制的电解液基本不含其他杂质，对第一次生产，即没有原来的纳米碳溶胶时，用于生产碱性纳米碳溶胶的电解液也可用氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钾、氯化钠与水配制而成，各物质的总量不超过电解液重量的1％，氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钾、氯化钠可单独加入，也可混合加入；用于生产酸性纳米碳溶胶的电解液也可用硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠与水配制而成，硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠可单独加入，也可混合加入，以混合加入较好，加入的总量不超过电解液重量的5％；用于生产中性纳米碳溶胶的电解液也可用氯化钾、氯化钠、少量的氢氧化钠或氢氧化钾与水配制而成，氯化钾、氯化钠、氢氧化钠或氢氧化钾可单独加入，也可混合加入，加入的总量不超过电解液重量的1％。石墨的纯度在98％以上，电极的厚度为6cm，每组电极间采用并联，正、负电极之间用3mm的绝缘带孔板或绝缘带孔网隔开，然后向电极中通入高频交流脉冲电流，电流的频率控制在10～70KHZ，电压控制在3～1 5V，电流密度按电极表面积计算控制在0.5～4A/cm²，进行氧化反应，每隔7小时搅拌一次，当电极厚度小于1cm时，应及时更换电极，搅拌器可用聚乙烯、聚苯乙烯等材料制作的叶片或搅拌盘直接安装在反应槽的两边，也可以用电机带动长杆叶片在搅拌时插入反应槽周围进行搅拌，在反应过程中检测反应槽内石墨碳浓度，纳米碳的浓度越高，所需的时间越长，最经济的情况是纳米碳的浓度为0.5～0.6％，达到该浓度的时间约为5～8天，因此，反应5～8天后即可结束反应，槽中溶液即为纳米石墨碳溶胶。纳米碳的浓度测定一般采用比色法，即先配制0.5％的标准纳米碳溶胶溶液，这种标准溶液可用本方法生产的纳米碳溶胶配制，方法是：取200ml纳米碳溶胶经化学法测定其纳米碳浓度，若浓度大于0.5％，则加入纯净水稀释到0.5％；若浓度小于0.5％，则将溶胶放到80℃的开放器皿中进行蒸发，直到浓度达到0.5％为止。测定溶胶浓度时，取20ml标准溶液和等量的待测溶胶分别放入两个100ml的试管中，在每个试管中加入40ml纯净水，在日光灯下进行比色，色淡于标准溶液的，说明浓度不足，相差不多或较深色的则达到要求。这样的工艺方法生产的纳米溶胶的纳米碳粒度在20nm左右，若纳米碳的粒度需要增大，可取电极电压或电流的上限值，达到该浓度的时间还可减少，若纳米碳的粒度需要减小，则应取电极电压或电流的下限值，但达到该浓度的时间要增加；反应过程中要注意反应槽的温度，应控制在60℃以下。

上述中的电极也可将阳极采用石墨而阴极采用不锈钢、镍板等惰性材料。

Claims

1.一种纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：将电极按正负极排列放入装有电解液的反应槽中，每组电极间采用并联，正、负电极之间用绝缘带孔板或绝缘带孔网隔开，然后向电极中通入高频交流脉冲电流，电流的频率控制在10～70KHZ，电压控制在3～15V，电流密度控制在0.5～4A/cm2的条件下进行反应，控制温度在60℃以下，每隔6～8小时搅拌一次，5～8天后，结束反应，槽中溶液即为纳米石墨碳溶胶。

2.根据权利要求1所述的纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：电极的阳极和阴极均为石墨，石墨的纯度在98％以上，电极的厚度为4～8cm。

3.根据权利要求1所述的纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：电极的阳极为石墨，阴极也可为惰性材料。

4.根据权利要求3所述的纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：惰性材料为不锈钢或镍板。

5.根据权利要求1所述的纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：电解液可采用1/4的纳米碳溶胶作为母液，加3/4的水配制而成。

6.根据权利要求1所述的纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：电解液也可采用总量不超过电解液重量1％的氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钾、氯化钠与水配制而成，氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钾、氯化钠可单独加入，也可混合加入。

7.根据权利要求1所述的纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：电解液也可采用总量不超过电解液重量5％的硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠与水配制而成，硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠可单独加入，也可混合加入。

8.根据权利要求1所述的纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：电解液还可采用总量不超过电解液重量1％的氯化钾、氯化钠氢氧化钠或氢氧化钾与水配制而成，氯化钾、氯化钠、氢氧化钠或氢氧化钾可单独加入，也可混合加入。

9.根据权利要求5、6、7或8所述的纳米碳溶胶的制备方法，其特征在于：用于配制电解液的水中Ca离子的含量小于8mg/L，K、Na、Mg离子的含量小于1.5mg/L，Fe、Ni、Cr离子的含量小于1.0mg/L。