本發(fā)明屬于納米材料在化工、食品領(lǐng)域的應(yīng)用，具體涉及一種水相中穩(wěn)定分散金屬氧化物納米顆粒的方法。

背景技術(shù)：

納米材料由于納米尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等特性，具有特殊的力學(xué)、電學(xué)、磁、學(xué)、光學(xué)性能和化學(xué)活性。金屬氧化物納米顆粒是一類具有廣泛用途的納米材料，在化工、電子、食品、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用價值和前景。

如納米二氧化鈦顆粒具有十分寶貴的光學(xué)性質(zhì)，很高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無毒性、超親水性、非遷移性，被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域、抗紫外材料、紡織、光催化觸媒、防曬霜、涂料、造紙工業(yè)等；納米氧化鋅在紡織、涂料等領(lǐng)域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌劑、熒光材料、光催化材料等；納米氧化鎢在變色、傳感、光催化方面，也有著很廣泛的應(yīng)用和研究；納米氧化釩作為新型的催化劑倍應(yīng)用在化工合成和脫硫；納米氧化鎳同樣在催化領(lǐng)域以及電子領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。

在金屬氧化物納米顆粒的最終應(yīng)用時，顆粒良好的分散狀態(tài)更接近于實(shí)際的應(yīng)用狀態(tài)，因此其分散良好且穩(wěn)定的分散液有著廣泛用途。但是由于納米顆粒的比表面積較大，表面能高，同時由于顆粒之間分子間作用力，納米顆粒極易團(tuán)聚。因此制備出分散性能良好且穩(wěn)定的金屬氧化物納米顆粒分散液，能有效的解決其在應(yīng)用時易團(tuán)聚而引性能下降、納米效應(yīng)發(fā)揮不充分等問題。

目前化工和食品領(lǐng)域的金屬氧化物納米顆粒使用時，一般采用有機(jī)溶劑、有機(jī)或無機(jī)助分散劑、表面活性劑或?qū)饘傺趸锛{米顆粒進(jìn)行表面改性，來分散金屬氧化物納米顆粒。但其存在著清洗困難，成本高，對人體有刺激性、穩(wěn)定性差等不足。

近年來納米纖維素(cnf)以及其衍生物，由于其長徑比高，比表面積大，機(jī)械強(qiáng)度高，一度被用來當(dāng)做綠色填充材料來增強(qiáng)復(fù)合材料。此外還有應(yīng)用在電子薄膜領(lǐng)域方面的研究報道(如聚苯胺、碳納米管、石墨烯為基體的導(dǎo)電膜)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述存在問題或不足，為解決金屬氧化物納米顆粒分散清洗困難、成本高、分散穩(wěn)定性差和對人體有刺激性的問題，本發(fā)明提供了一種水相中穩(wěn)定分散金屬氧化物納米顆粒的方法。

具體步驟如下：

步驟1：稱量直徑為4～10nm，長度為1000～3000nm的納米纖維素，加入去離子水，再放入球磨罐中，其中球磨球總體積占據(jù)球磨罐體積的1/4～1/3。進(jìn)行球磨至混合均勻，然后離心后去除沉淀物，配置出納米纖維素含量為0.1％-2wt％的分散液，備用；

步驟2：稱量顆粒大小為5～100nm的金屬氧化物納米顆粒，加入去離子水，再放入到球磨罐中。球磨混合均勻，得到初步分散的金屬氧化物納米顆粒水分散液，備用；

步驟3：將步驟1所制備的納米纖維素水分散液加入步驟2制備的初步分散的金屬氧化物水分散液中。再進(jìn)行球磨至混合均勻，得到分散良好且穩(wěn)定的金屬氧化物分散液。

上述步驟1中納米纖維素來源為木漿、棉花、劍麻或細(xì)菌。

上述步驟1中納米纖維素的直徑為4～10nm，長度為1000～3000nm。

上述步驟2中金屬氧化物納米顆粒為二氧化鈦、三氧化鎢、氧化鎳、氧化釩或氧化鋅納米顆粒；金屬氧化物納米顆粒的尺寸為5～100nm。

本發(fā)明通過cnf的加入使得納米材料之間形成相互排斥的雙電層和明顯的位阻效應(yīng)，從而使得金屬氧化物納米顆粒能穩(wěn)定的分散于水中。納米纖維素自身帶有-coo-na⁺基團(tuán)，當(dāng)納米纖維分散在水中時，由于羧基的電離作用，使纖維間形成雙電層的排斥作用，使得cnf能穩(wěn)定的分散在水中，這為cnf的助分散效應(yīng)提供了基礎(chǔ)。cnf纖維的表面具有兩親性，其能與疏水性的材料形成疏水的相互作用，所以cnf能與疏水納米材料吸附到一起。由于cnf具有較大的長徑比，且微觀結(jié)構(gòu)上由纖維素的晶區(qū)和非晶區(qū)組成，導(dǎo)致纖維上存在許多力學(xué)的弱點(diǎn)，使得纖維自身容易彎折、與其他納米材料發(fā)生共纏結(jié)。最終通過球磨的方式將混合液分散均勻。

本發(fā)明由于采用納米纖維素來分散金屬氧化物納米顆粒，其分散效果良好且穩(wěn)定性高，工藝操作簡單，易規(guī)?；G色環(huán)保，無毒無害，在化工和食品的應(yīng)用方面具有極大的價值和意義。

綜上所述，本發(fā)明具有制備方法操作簡便，成本低廉且綠色無污染，其制備的金屬氧化物納米顆粒分散液分散性好、穩(wěn)定性高，利于分散液的后續(xù)使用及長時間存放，提高了金屬氧化物納米顆粒的使用效率，并進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為未加分散劑、添加sds和實(shí)施例的納米顆粒分散液實(shí)物對比圖；

圖2為未加分散劑、添加sds和實(shí)施例的納米顆粒分散液放置6h后的實(shí)物狀態(tài)對比圖；

圖3為未加分散劑、添加sds和實(shí)施例的納米顆粒分散液制備的二氧化鈦金屬氧化物納米顆粒薄膜sem圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

步驟1：稱量直徑4～10nm，長度1000～3000nm的納米纖維素0.3g，去離子水50g，放入容量80ml的不銹鋼球磨罐中，其中球磨球總體積占據(jù)球磨罐體積的1/4。采用高速振動球磨機(jī)球磨5分鐘后取出分散液，放入離心管中置于離心機(jī)在3000轉(zhuǎn)/分鐘條件下離心3分鐘，配置出納米纖維素含量為0.6wt％的分散液，備用。

步驟2：稱量粒徑5～100nm的二氧化鈦納米顆粒1g，去離子水25g，加入到球磨罐中。采用高速振動球磨機(jī)球磨5分鐘，得到初步分散的二氧化鈦納米顆粒水分散液，備用。

步驟3：將25g步驟1所制備的的納米纖維素水分散液加入步驟2制備的初步分散的二氧化鈦納米顆粒水分散液中，繼續(xù)高速振動球磨10min，得到分散良好且穩(wěn)定的金屬氧化物分散液，備用。

圖1示出了相同條件下未加分散劑、添加sds和實(shí)施例的納米顆粒分散液實(shí)物對比圖；圖2為未加分散劑、添加sds和實(shí)施例的納米顆粒分散液放置6h后的實(shí)物狀態(tài)對比圖；比較可見本發(fā)明分散性更好，穩(wěn)定性更高。

步驟4：將上述未加分散劑、添加sds和實(shí)施例的納米顆粒分散液用下面方法制成二氧化鈦納米顆粒薄膜。圖3示出了3種二氧化鈦納米顆粒薄膜的sem圖。

取20ml步驟3制備的二氧化鈦納米顆粒分散液放置于25ml的燒杯中備用。將襯底放置于去離子水和無水酒精中先后超聲15min，重復(fù)2次，干燥備用。將襯底固定在提拉機(jī)上，并以3000um/s的速度于懸浮液中進(jìn)行浸漬提拉，重復(fù)1次，成膜后自然風(fēng)干。隨即將干燥后的樣品放置于馬弗爐中進(jìn)行焙燒。具體燒結(jié)過稱為：30min內(nèi)從室溫升到500℃，保持30min后自然降溫，得到二氧化鈦納米顆粒薄膜。

對比可見，本實(shí)施例制備出來的二氧化鈦納米顆粒分散液相比較于不加分散劑以及加入sds分散劑得到的分散液，分散性更好(圖1和圖3)；穩(wěn)定性更高(圖2)。因此可以得出，本發(fā)明能夠得到分散性好且長時間穩(wěn)定無沉降的金屬氧化物納米顆粒水相懸浮液。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于納米材料在化工、食品領(lǐng)域的應(yīng)用，具體涉及一種水相中穩(wěn)定分散金屬氧化物納米顆粒的方法。本發(fā)明通過CNF的加入使得納米材料之間形成相互排斥的雙電層和明顯的位阻效應(yīng)，從而使得金屬氧化物納米顆粒能穩(wěn)定的分散于水中，最終通過球磨的方式將混合液分散均勻。本發(fā)明具有制備方法操作簡便，成本低廉且綠色無污染，其制備的金屬氧化物納米顆粒分散液分散性好、穩(wěn)定性高，利于分散液的后續(xù)使用及長時間存放，提高了金屬氧化物納米顆粒的使用效率，并進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：吳露;向勇;楊德江;費(fèi)立勛;黃玥;王玲玲
受保護(hù)的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.12
技術(shù)公布日：2017.11.07