一种纳米粒子水分散液的制备方法与流程

本发明涉及纳米粒子技术领域，特别涉及一种纳米粒子水分散液的制备方法。

背景技术：

纳米粒子的尺寸对其物理属性和化学特性有重要影响，纳米粒子由于其小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应等具有许多优异的电、光、磁、力、热等物理性能和化学性能。在许多生产工艺中，要求纳米粒子均匀且稳定地分散在液相介质中，例如：油漆，医药，染料和化妆品制备等；近年来，在石油三采中使用的纳米微粒驱油剂在水介质中是否能均匀分散及纳米粒子尺寸将直接影响其在现场的应用的效果。

然而，纳米粒子由于比表面积极大、表面能较高，悬浮在液体中的纳米粒子具有互相团聚来降低其表面能的趋势，此外悬浮的纳米粒子之间会做无规则的布朗运动而相互碰撞形成团聚体，导致纳米粒子分散度降低，同时团聚体在重力作用下沉降，纳米悬浮液稳定性因此下降。因此，减小纳米悬浮液中纳米粒子间的碰撞频率及团聚趋势，使纳米粒子均匀分散并稳定悬浮在在基液中，最终形成均匀分散、悬浮稳定的纳米悬浮液成为研究热点。

根据分散方法的不同，提高纳米悬浮液稳定性的方法可划分为物理分散法和化学分散法，物理分散法主要包括超声分散和机械分散，化学分散法主要包括添加分散剂、调节悬浮液ph、纳米粒子表面改性等。

物理法中超声波分散法是利用超声波在液体中的分散效应，使液体产生空化作用，从而使液体中固体颗粒破碎，增加分散液稳定的方法，在超声处理过程中，往往伴随较大的噪声，处理后产品粒径不均匀；机械分散是借助机械设备产生的撞击力或剪切力等使纳米粒子分散的一种方法，其中常见的是球磨分散法和机械搅拌分散法，球磨分散法可以使纳米粒子破碎，使粒径变小，增加分散液稳定性。但球磨分散过程中，球体和磨筒容易产生磨损物质，影响纳米材料纯度；机械搅拌一般是通过磁力搅拌等对纳米粒子悬浮液进行持续搅拌，使纳米粒子悬浮在液体中，达到分散的效果，一旦停止搅拌，纳米粒子有重新聚集，导致纳米粒子分散体系无法保持稳定分散状态。

一种粒径可控的金红石型纳米二氧化钛颗粒的制备方法，包括用高氯酸及异丙醇钛制备二氧化钛晶种，后通过水热反应制备金红石纳米颗粒，本发明中制备的纳米粒子粒径可控，均匀性和分散性好，属于化学分散法中纳米粒子表面改性，制备过程会使用多种化学试剂，反应过程温度比较高，时间长，具有一定危险性，不适合大规模生产制备。

一种制备石墨烯的方法，该方法通过使膨胀石墨高速均质化来制备进料溶液，然后使所述进料溶液高压均质化，从而通过提高膨胀石墨在进料溶液中的分散性来改善高压均质化效率。本发明中制备的石墨烯方法简单，尺寸均匀，本发明中使用的方法属于物理分散法中机械分散，过程比较简单，但发明中为了提高膨胀石墨和石墨烯分散度使用了多种分散剂来维持其分散状态，影响了产品本身的纯度。

目前虽然公开了很多制备纳米粒子分散液的方法，部分可实现粒径控制，其中化学法涉及很多有机溶剂和化学试剂的使用，存在环境污染和一定的安全隐患，部分化学改性只针对特定的纳米粒子和官能团，具有很大的局限性；相比较而言，物理法更环保，安全，但物理法存在分散效率低，处理时间长，设备能耗高等问题，因此在现有基础上，寻找一种高效，环保，适用范围广的分散方法对纳米粒子分散液的应用具有重要意义。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种纳米粒子水分散液的制备方法，通过高压均质机剪切和微射流均质机二次剪切进行制备纳米粒子水分散液，制备过程通过调节高压均质机剪切和微射流均质机的压力及处理时间，可控制纳米粒子的尺寸，使得制备的纳米粒子水分散液稳定性好，可稳定放置一个月及以上。

(二)技术方案

为解决上述问题，根据本发明的一个方面,本发明提供了一种纳米粒子水分散液的制备方法，包括：

s1：将原料纳米粒子与水按预设质量配比混合后，在预设转速和第一预设时间内进行机械搅拌，得到纳米粒子浆料；

s2：将纳米粒子浆料加入高压均质机进行剪切，以减小纳米粒子浆料中纳米粒子粒径；

s3：将剪切后的纳米粒子浆料加入微射流均质机进行二次剪切，得到纳米粒子水分散液，其中，纳米粒子水分散液中纳米粒子的粒径为50-300nm。

进一步的，将步骤s2执行3-6次。

进一步的，将步骤s3执行3-6次。

进一步的，预设质量配比为1-2:5-10。

进一步的，预设转速为300rpm-500rpm；第一预设时间为30min-60min。

进一步的，步骤s2包括：

s21：关闭微射流均质机，打开高压均质机；

s22：将纳米粒子浆料通过进料口加入高压均质机内；

s23：调节高压均质机的转速为400rpm-500rpm，使高压均质机在该转速下进行预热；

s24：设定高压均质机的工作压力为1500bar-1800bar；

s25：纳米粒子浆料从进料口流入高压均质机的工作阀缝隙中进行挤压，调节工作阀缝隙间的挤压压力，使其与高压均质机的工作压力保持一致；

s26：在高压均质机的工作时间达到第二预定时间后，收集高压均质机的出料口流出的纳米粒子浆料，关闭高压均质机。

进一步的，第二预设时间为30min-60min。

进一步的，步骤s3包括：

s31：打开微射流均质机开关，调节微射流均质机的工作压力为1500bar-1800bar；

s32：将步骤s2剪切得到的纳米粒子浆料通过进料口加入微射流均质机的均质腔中；

s33：纳米粒子浆料在微射流均质机的均质腔中进行二次剪切，在微射流均质机工作时间达到第三预定时间后，将得到的稳定分散的纳米粒子水分散液导出，并关闭微射流均质机。

进一步的，第三预定时间为30min-60min。

进一步的，微射流均质机的均质腔由人造金刚石制成。

本发明的目的是提供一种将原料纳米粒子与水按预设质量配比混合后，在预设转速和第一预设时间内进行机械搅拌，得到纳米粒子浆料；再将纳米粒子浆料加入高压均质机进行剪切，以减小纳米粒子浆料中纳米粒子粒径；最后将剪切后的纳米粒子浆料加入微射流均质机进行二次剪切，得到纳米粒子水分散液，其中，纳米粒子水分散液中纳米粒子的粒径为50-300nm。通过高压均质机剪切和微射流均质机二次剪切进行制备纳米粒子水分散液，制备过程通过调节高压均质机剪切和微射流均质机的压力及处理时间，可控制纳米粒子的尺寸，使得制备的纳米粒子水分散液稳定性好，可稳定放置一个月及以上。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：采用的方法简单，不需要使用有机溶剂和稳定剂，不存在环境污染及后续废液处理问题；通过高压均质机预处理和微射流均质机二次处理制备纳米粒子分散液，制备过程通过调节设备压力及处理时间可控制纳米粒子尺寸，制备的分散液稳定性好，可稳定放置一个月及以上，以水作为分散剂，应用范围更广，为纳米粒子稳定分散液的制备提供了一个简单，高效的方法，易于大范围推广。

采用的方法简单，不需要使用有机溶剂和稳定剂，不存在环境污染及后续废液处理问题。

分散介质为水，水为生产中常用分散介质，特别是石油三采中纳米微粒驱油剂普遍采用水作为分散介质。

附图说明

图1是本发明提供的制备方法的流程图；

图2是本发明提供的制备方法的步骤s2的流程图；

图3是本发明提供的制备方法的步骤s3的流程图。

附图标记：

步骤：s1；s2；s3；s21；s22；s23；s24；s25；s26；s31；s32；s32。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明提供的制备方法的流程图。

在一实施例中，本发明提供了一种纳米粒子水分散液的制备方法，包括以下步骤：

s1：将原料纳米粒子与水按预设质量配比混合后，在预设转速和第一预设时间内进行机械搅拌，得到纳米粒子浆料；

s2：将纳米粒子浆料加入高压均质机进行剪切，以减小纳米粒子浆料中纳米粒子粒径；

s3：将剪切后的纳米粒子浆料加入微射流均质机进行二次剪切，得到纳米粒子水分散液，其中，纳米粒子水分散液中纳米粒子的粒径为50-300nm。

具体地，步骤s1中，将原料纳米粒子和水按预设质量配比混合，预设质量配比为1-2:5-10。优选的，预设质量配比为2:8，该质量配比泥浆流动性好，不会堵塞仪器，相比高浓度纳米粒子，处理效果更好。

可选的，原料纳米粒子包括石墨烯，氧化石墨烯，改性石墨烯，纳米纤维素，纳米二氧化钛等。上述纳米材料粘度较低，可防止造成仪器堵塞等问题。

在一实施例中，预设转速为300rpm-500rpm，在该预设转速下进行搅拌，可以使原料纳米粒子与水充分接触；优选的，预设转速为400rpm。

第一预设时间为30min-60min，该预设时间范围内进行搅拌，可以使原料纳米粒子充分被水润湿；优选的，第一预设时间为60min。

图2是本发明提供的制备方法的步骤s2的流程图。

在一实施例中，步骤s2包括：

s21：关闭微射流均质机，打开高压均质机。

s22：将纳米粒子浆料通过进料口加入高压均质机内。

s23：调节高压均质机的转速为400rpm-500rpm，使高压均质机在该转速下进行预热。

s24：设定高压均质机的工作压力为1500bar-1800bar。

s25：纳米粒子浆料从进料口流入高压均质机的工作阀缝隙中进行挤压，调节工作阀缝隙间的挤压压力，使其与高压均质机的工作压力保持一致。

s26：在高压均质机的工作时间达到第二预定时间后，收集高压均质机的出料口流出的纳米粒子浆料，关闭高压均质机。

具体地，步骤s21中，高压均质机和微射流均质机为一体机，可以通过不同的开关控制使其分别进行工作，在本发明的实施例中，高压均质机和微射流均质机单独工作，不可同时工作。高压均质机和微射流均质机共同使用同一个进料口，在使用高压均质机进行剪切时，首先需要关闭进料口与微射流均质机之间的阀门，防止纳米粒子浆料进入微射流均质机内。

步骤s23中，需要先调节高压均质机的转子转速为400rpm-500rpm，先调节转速是为了使高压均质机的往复泵预先工作起来，上述转速范围可以起到预热机器的作用；优选的，调节高压均质机的转子转速为450rpm。

步骤s24中，在进行剪切纳米粒子浆料之前，需要预先设定高压均质机的压力。本实施例中，通过高压均质机的手动增压阀调节高压均质机的工作压力为1500bar-1800bar；该压力范围可以使得纳米粒子粒径在较短时间范围内减小；优选的，工作压力1700bar。

步骤s25中，纳米粒子浆料通过进料口流入高压均质机的工作阀缝隙，在工作阀缝隙中被挤压。工作阀缝隙的挤压压力由于受到粒子间的相互挤压会产生变化，此时需通过手动调节，使纳米粒子在工作阀缝隙间受到的挤压压力与先前设定的高压均质机的工作压力保持一致，以便纳米粒子粒径能够均匀减小。

当纳米粒子浆料通过工作阀缝隙之后将承受很低的压力，该压力一般为1bar，所以瞬间失压的纳米粒子浆料会产生空隙效应，使得纳米粒子浆料有非常快的速度喷射出来，以此产出较强的撞击力。纳米粒子浆料在高速喷射的过程中纳米粒子之间同时会产生一定的剪切力，该剪切力使纳米粒子粒径减小，在水中分散均匀。

在一实施例中，第二预定时间为30min-60min。

具体地，高压均质时间为30min-60min，该时间可实现纳米粒子首次剪切过程；优选的，第二预设时间为30min。

步骤s26中，高压均质机的出料口流出被剪切后的纳米粒子浆料，将剪切后的纳米粒子浆料收集在一起后，还需用去离子水洗涤高压均质机，待高压均质机的出料口出液干净无杂质为止，关闭高压均质机开关，将高压均质机的转子转速调节到0。

在一实施例中，将步骤s2执行3-6次。

具体地，纳米粒子粒径可通过调节高压均质机的压力和剪切时间进行控制，同时还与处理次数相关。纳米粒子浆料在高压均质机中处理的次数越多，剪切后的纳米粒子粒径越小，纳米粒子浆料在高压均质机中处理的次数越少，剪切后的纳米粒子粒径越大。本实施例中，优选的纳米粒子浆料在高压均质机中处理的次数为3-6次。

图3是本发明提供的制备方法的步骤s3的流程图。

在一实施例中，步骤s3包括：

s31：打开微射流均质机开关，调节微射流均质机的工作压力为1500bar-1800bar。

s32：将步骤s2剪切得到的纳米粒子浆料通过进料口加入微射流均质机的均质腔中。

s33：纳米粒子浆料在微射流均质机的均质腔中进行二次剪切，在微射流均质机工作时间达到第三预定时间后，将得到的稳定分散的纳米粒子水分散液导出，并关闭微射流均质机。

具体地，步骤s32中，打开微射流均质机开关，通过微射流均质机的压力调节旋钮调节微射流均质机的工作压力为1500bar-1800bar。在该压力范围下，可以使纳米粒子粒径在较短时间范围内减小；优选的，微射流均质机的工作压力为1700bar。

步骤s31中，此时进料口与高压均质机之间的阀门是关闭的，将步骤s26中收集到的纳米粒子浆料通过进料口加入微射流均质机的均质腔中。

步骤s33中，微射流均质机主要是由均质腔和增压机构组成，均质腔内部设置为“z”型通道，在增压机构的作用下，高压状态下的纳米粒子浆料迅速的通过均质腔，在相反方向下射流，并进行高速碰撞。纳米粒子浆料在这个过程中受到剪切力、高频振荡、空穴效应和撞击效应作用，从而实现对纳米粒子浆料的二次剪切和粉碎。

收集微射流均质机的出料口流出的产品即得稳定分散的纳米粒子水分散液，该纳米粒子水分散液中的纳米粒子尺寸为50-300nm，纳米粒子水分散液可稳定放置一个月以上不出现团聚沉降现象。

在一实施例中，第三预定时间为30min-60min。

具体地，微射流均质时间为30min-60min，该时间范围可实现纳米粒子粒径的有效减少；优选的，第三预定时间为60min。

在一实施例中，将步骤s3执行3-6次。

具体地，纳米粒子粒径可通过调节微射流均质机的压力和剪切时间进行控制，同时还与处理次数相关。纳米粒子浆料在微射流均质机中处理的次数越多，剪切后的纳米粒子粒径越小，纳米粒子浆料在微射流均质机中处理的次数越少，剪切后的纳米粒子粒径越大。本实施例中，优选的纳米粒子浆料在微射流均质机中处理的次数为3-6次。

在一实施例中，微射流均质机的均质腔由人造金刚石制成。

具体地，金刚石材质较硬，能够避免在粒子碰撞中设备产生裂纹、掉屑等状况，以避免污染产品。同时人造金刚石比天然金刚石的成本更低，更经济。

实施例一：

步骤1：将石墨烯纳米粒子和水混合，质量比为1：5；将混合后的石墨烯纳米粒子和水进行机械搅拌，配成石墨烯纳米粒子浆料，其中搅拌转速为400转每分钟，搅拌时间为60min。

步骤2：将石墨烯纳米粒子浆料进行剪切：先关闭微射流均质机开关，再打开高压均质机开关；加入进料口；调节高压均质机转子转速为450转每分钟；调节高压均质机的工作压力为1500bar；高压均质时间为30min。

步骤3：将步骤2重复3次。

步骤4：将步骤3预处理后的石墨烯纳米粒子浆料收集在一起，用去离子水洗涤高压均质机，待出料口出液干净无杂质为止，关闭高压均质机开关，将转子转速调节到0。

步骤5：将石墨烯纳米粒子浆料进行二次剪切：打开微射流均质机开关；将步骤4中收集到的石墨烯纳米粒子浆料加入进料口；调节微射流均质机的工作压力为1600bar；微射流均质时间为60min。

步骤6：将步骤5重复3次。

步骤7：收集步骤6处理后的产品，即得稳定分散的石墨烯纳米粒子水分散液，用激光粒度仪测量纳米粒子粒径范围为120-280nm，可稳定放置一月无沉淀。

实施例二：

步骤1：将石墨烯纳米粒子和水混合，质量比为1：5；将混合后的石墨烯纳米粒子和水进行机械搅拌，配成石墨烯纳米粒子浆料，其中搅拌转速为400转每分钟，搅拌时间为60min。

步骤2：将石墨烯纳米粒子浆料进行剪切：先关闭微射流均质机开关，再打开高压均质机开关；加入进料口；调节高压均质机转子转速为450转每分钟；调节高压均质机的工作压力为1500bar；高压均质时间为30min。

步骤3：将步骤2重复4次。

步骤4：将步骤3预处理后的石墨烯纳米粒子浆料收集在一起；用去离子水洗涤高压均质机，待出料口出液干净无杂质为止，关闭高压均质机开关，将转子转速调节到0。

步骤5：将石墨烯纳米粒子浆料进行二次剪切：打开微射流均质机开关；将步骤4中收集到的石墨烯纳米粒子浆料加入进料口；调节微射流均质机的工作压力为1600bar；微射流均质时间为60min。

步骤6：将步骤5重复4次。

步骤7：收集步骤6处理后产品，即得稳定分散的石墨烯纳米粒子水分散液，用激光粒度仪测量纳米粒子粒径范围为80-200nm，可稳定存放一周无沉淀。

实施例三：

步骤1：将石墨烯纳米粒子和水混合，质量比为1：5；将混合后的石墨烯纳米粒子和水进行机械搅拌，配成石墨烯纳米粒子浆料，其中搅拌转速为400转每分钟，搅拌时间为60min。

步骤2：将石墨烯纳米粒子浆料进行剪切：先关闭微射流均质机开关，再打开高压均质机开关；加入进料口；调节高压均质机转子转速为450转每分钟；调节高压均质机的工作压力为1500bar；高压均质时间为30min。

步骤3：将步骤2重复6次。

步骤4：将步骤3预处理后的石墨烯纳米粒子浆料收集在一起；用去离子水洗涤高压均质机，待出料口出液干净无杂质为止，关闭高压均质机开关，将转子转速调节到0。

步骤5：将石墨烯纳米粒子浆料进行二次剪切：打开微射流均质机开关；将步骤4中收集到的石墨烯纳米粒子浆料加入进料口；调节旋钮调节微射流均质机的工作压力为1600bar；微射流均质时间为60min。

步骤6：将步骤5重复6次。

步骤7：收集步骤6处理后产品，即得稳定分散的石墨烯纳米粒子水分散液，用激光粒度仪测量纳米粒子粒径范围为50-160nm，稳定存放一周无沉淀。

实施例四：

步骤1：将石墨烯纳米粒子和水混合，质量比为2：8；将混合后的石墨烯纳米粒子和水进行机械搅拌，配成石墨烯纳米粒子浆料，其中搅拌转速为400转每分钟，搅拌时间为60min。

步骤2：将石墨烯纳米粒子浆料进行剪切：先关闭微射流均质机开关，再打开高压均质机开关；加入进料口；调节高压均质机转子转速为450转每分钟；调节高压均质机的工作压力为1600bar；高压均质时间为30min。

步骤3：将步骤2重复4次。

步骤4：将步骤3预处理后的石墨烯纳米粒子浆料收集在一起；用去离子水洗涤高压均质机，待出料口出液干净无杂质为止，关闭高压均质机开关，将转子转速调节到0。

步骤5：将石墨烯纳米粒子浆料进行二次剪切：打开微射流均质机开关；将步骤4中收集到的石墨烯纳米粒子浆料加入进料口；调节旋钮调节微射流均质机的工作压力为1700bar；微射流均质时间为30min。

步骤6：将步骤5重复6次。

步骤7：收集步骤6处理后产品，即得稳定分散的石墨烯纳米粒子水分散液，用激光粒度仪测量纳米粒子粒径范围为80-270nm，稳定存放一周无沉淀。

实施例五：

步骤1：将石墨烯纳米粒子和水混合，质量比为2：8；将混合后的石墨烯纳米粒子和水进行机械搅拌，配成石墨烯纳米粒子浆料，其中搅拌转速为400转每分钟，搅拌时间为60min。

步骤2：将石墨烯纳米粒子浆料进行剪切：先关闭微射流均质机开关，再打开高压均质机开关；加入进料口；调节高压均质机转子转速为450转每分钟；调节高压均质机的工作压力为1600bar；高压均质时间为60min。

步骤3：将步骤2重复4次。

步骤4：将步骤3预处理后的石墨烯纳米粒子浆料收集在一起；用去离子水洗涤高压均质机，待出料口出液干净无杂质为止，关闭高压均质机开关，将转子转速调节到0。

步骤5：将石墨烯纳米粒子浆料进行二次剪切：打开微射流均质机开关；将步骤4中收集到的石墨烯纳米粒子浆料加入进料口；调节旋钮调节微射流均质机的工作压力为1700bar；微射流均质时间为60min。

步骤6：将步骤5重复6次。

步骤7：收集步骤6处理后产品，即得稳定分散的石墨烯纳米粒子水分散液，用激光粒度仪测量纳米粒子粒径范围为：50-140nm，稳定存放一周无沉淀。

本发明旨在保护一种纳米粒子水分散液的制备方法，包括以下步骤：将原料纳米粒子与水按预设质量配比混合后，在预设转速和第一预设时间内进行机械搅拌，得到纳米粒子浆料；再将纳米粒子浆料加入高压均质机进行剪切，以减小纳米粒子浆料中纳米粒子粒径；最后将剪切后的纳米粒子浆料加入微射流均质机进行二次剪切，得到纳米粒子水分散液，其中，纳米粒子水分散液中纳米粒子的粒径为50-300nm。通过高压均质机剪切和微射流均质机二次剪切进行制备纳米粒子水分散液，制备过程通过调节高压均质机剪切和微射流均质机的压力及处理时间，可控制纳米粒子的尺寸，使得制备的纳米粒子水分散液稳定性好，可稳定放置一个月及以上。方法简单，不需要使用有机溶剂和稳定剂，不存在环境污染及后续废液处理问题，为纳米粒子稳定分散液的制备提供了一个简单，高效的方法，易于大范围推广。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。