一种分离不同粒径纳米粒子的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种分离方法，特别涉及分离不同粒径纳米粒子的方法。
【背景技术】
[0002]纳米粒子是一种人工制造的、大小不超过100纳米的微型颗粒。它可能是乳胶体、聚合物、陶瓷颗粒、金属颗粒和碳颗粒，其越来越多地应用于医学、防晒化妆品等中。
[0003]纳米粒子具有重要的科学研究价值，因为它搭起了大块物质和原子、分子之间的桥梁。大块物质的物理性质通常与大小无关，但是在纳米尺寸上却通常并非如此。
[0004]纳米粒子具有特殊的物理效应、热学性能、磁学性能、光学性能等，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿效应、介电限域效应、纳米粒子较同种物质的常规粒子熔点降低、开始烧结温度降低、晶化温度降低、矫顽力高、超顺磁性、居里温度低、磁化率高、宽频带强吸收、具有蓝移和红移现象、可激发发光等，因此，目前对纳米粒子的研究成为热点。
[0005]不同粒径的纳米粒子具有不同的用途，粒度分布窄的纳米粒子应用范围更为广泛，如在计算机芯片中更希望使用粒度分布窄的纳米粒子，然而，目前的能够获得的纳米粒子的粒度分布宽，如在10nm?100nm之间，因此，在纳米材料合成以后急需解决的一个问题就是如何把不同粒径的纳米颗粒分开。
[0006]现有技术中存在分离油溶性纳米粒子的方法，如中国专利CN101712011A公开了一种有机密度梯度高速离心分离油溶性纳米粒子的方法，其将纳米粒子制成胶体纳米颗粒溶液，通过混合密度不同的有机溶剂或高分子溶液，配制有机密度梯度介质，在离心管中依次加入不同浓度的有机密度梯度介质，将纳米粒子的胶体溶液加到有机密度梯度上进行离心，从而分离油溶性纳米粒子，该方法在分离不同粒径的纳米粒子时，需要不断调整有机溶液的密度，而该操作对操作人员的操作技能要求很高，极易导致分离失败。
[0007]现有技术中还存在分离水溶性纳米粒子选择性分离的方法，如中国专利CN102614975A，公开了一种用于水溶性纳米粒子选择性分离的方法，该方法首先选择与待分离了纳米粒子带相反电荷的离子型表面活性剂作为萃取剂，再通过萃取的方法将水相中小尺寸纳米粒子萃取至油相实现分离。这种方法的选择性不强，对萃取出的纳米粒子的粒径无法预期，表面活性剂也较难选择。
[0008]因此，亟需开发一种操作条件可控，分离出的纳米粒子的粒径可控的分离纳米粒子的方法。
【发明内容】
[0009]为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现:将纳米粉末充分分散于具有特定黏度的溶剂中，在不同转速的离心作用下即可分离得到粒径分布窄的不同粒径的纳米粒子，从而完成了本发明。
[0010]本发明的目的在于提供以下方面:
[0011]第一方面，本发明提供一种分离不同粒径纳米粒子的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0012](I)将待分离纳米粉末分散于溶剂中；
[0013](2)将步骤I得到的分散体系进行离心分离；
[0014](3)移出步骤2得到混合物中上层液，对步骤2中得到的沉降物进行洗涤、干燥；
[0015](4)对步骤3中移出的上层液重复步骤2?3的操作，直至待分离纳米粉末被分离完全。
【附图说明】
[0016]图1示出实施例1中待分离纳米钽粉的粒径图；
[0017]图2示出实施例1中在转速为100rpm条件下分离得到纳米钽粉的粒径图；
[0018]图3示出实施例1中在转速为1500rpm条件下分离得到纳米钽粉的粒径图；
[0019]图4示出实施例1中在转速为2000rpm条件下分离得到纳米钽粉的粒径图；
[0020]图5示出实施例1中在转速为2500rpm条件下分离得到纳米钽粉的粒径图。
【具体实施方式】
[0021]下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0022]以下详述本发明。
[0023]根据本发明的第一方面，提供一种分离不同粒径纳米粒子的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
[0024]步骤I，将待分离纳米粉末分散于溶剂中。
[0025]在本发明中，待分离纳米粉末是指需要获得较窄粒径分布的纳米粉末，如纳米氧化锌、纳米铝粉、纳米钽粉等。
[0026]在本发明中，优选待分离纳米粉末的粒径为20nm?400nm，优选为60nm?310nm ；当待分离纳米粉末的粒径大于400nm时，纳米粉末在溶剂中极易沉降，离心操作对纳米粉末粒径的选择性不高，即，在较小转速下大部分纳米粒子均沉降下来，分离得到的纳米粒子粒径分布宽；当待分离纳米粉末的粒径小于20nm时，纳米粉末在溶剂极不容易沉降，只有当转速很高时纳米粒子才能沉降下来，而且不能将纳米粒子分级沉降。
[0027]钽具有非常出色的化学性质，其抗腐蚀性极高，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及〃王水〃都不反应，因此其应用领域非常广泛。
[0028]因此，在本发明中，待分离纳米粉末优选选择纳米钽粉，更优选为粒径为60nm?31 Onm的纳米钽粉。
[0029]在本发明中，所述溶剂不与待分离的纳米粉末相互反应，而且，所述溶剂具有特定黏度，针对不同种类和粒径的待分离纳米粉末，选择不同黏度的溶剂，使待分离的纳米粉末悬浮于其中，既能充分分散又不会在其中团聚。
[0030]在本发明中，当待分离纳米粉末为粒径分布为60nm?31nm的纳米钽粉时，选择黏度为 1mPa.s ?120mPa.s (16°C )，优选为 20mPa.s ?70mPa.s (16°C )，更优选为 20mPa.s?40mPa.s(16°C )的溶剂，在本发明中，所述溶剂可以为单一组分的溶剂，也可以为两种或多种溶剂复配而得的复合溶剂，如乙二醇、正癸醇或乙醇-丙三醇复合溶剂等，纳米钽粉在其中的分散度好，且不易形成团聚，且在适当的转速下，纳米钽粉能够获得粒径分布较窄的纳米钽粒子；当溶剂的黏度大于120mPa.s(16°C )时，待分离的纳米粉末在溶剂中团聚严重，不能良好分散，从而在离心分离后得到的纳米粒子粒径分布宽；当溶剂的黏度小于1mPa.s (16°C )时，待分离的纳米粉末在溶剂中极易沉降，不能形成良好的悬浮液，不利于分呙。
[0031]本发明人发现，当溶剂分子上存在羟基、醚键、硫原子、氧原子或氮原子等能够与金属配位的官能团时，纳米钽粉在其中的分散度大大提高，因此，在本发明中，溶剂优选选自黏度为 20mPa.s ?120mPa.s (16。。)，优选为 20mPa.s ?70mPa.s (16。。)，更优选为 20mPa.s?40mPa.s(16°C )的醇类化合物，优选为乙二醇、正癸醇或乙醇_丙三醇复合溶剂，如乙二醇。
[0032]本发明人发现，乙二醇的黏度为25.66mPa.s(16°C )，而且其上具有2倍当量的羟基官能团，其对纳米钽粉的分散作用强，在后续分离操作步骤中，不同粒径的纳米钽粉也容易被分离开，得到粒径分布窄的纳米钽粒子，因此，本发明优选乙二醇作为溶剂。
[0033]在本发明中，待分离纳米粉末与溶剂的用量比为待分离纳米粉末的重量:溶剂的体积=(0.1?0.4)重量份:50体积份，优选为(0.2?0.3)重量份:50体积份，其中，基于Ig计为I重量份，基于ImL计为I体积份；当待分离纳米粉末的重量:溶剂的体积大于0.4重量份:50体积份时，溶剂中待分离纳米粉末过多，在分离时，大粒径的纳米粒子容易将小粒径纳米粒子夹带沉降，造成分离失败；当待分离纳米粉末的重量:溶剂的体积小于
0.1重量份:50体积份时，溶剂中待分离纳米粉末的量过小，增加了操作的步骤，不仅浪费溶剂，而且增加了时间和经济成本。
[0034]在本发明中，对待分离纳米粉末在溶剂中的分散方式不做特别限定，以使待分离纳米粉末在溶剂中充分分散为优选，如磁力搅拌、机械搅拌、超声振荡等，优选为超声振荡。
[0035]步骤2，将步骤I得到的分散体系进行离心分离。
[0036]将步骤I得到的分散体系在较小转速下进行初次离心分离，其中粒径较大的纳米粒子沉降出来。
[0037]不受任何理论束缚，本发明人认为，当离心机运行时，离心机内物质受到的离心力远大于其受到的重力，因此，在离心分离过程中，步骤I得到的分散体系中的纳米粉末有沉降的趋势，而不同粒径的纳米粒子其受到的离心力不同，其在相同角速度的作用下，粒径较大的纳米粒子首先沉降出来，而粒径较小的纳米粒子仍然悬浮于混合体系中，即使增加离心时间，粒径较小的纳米粒子也不会沉降。
[0038]在本发明中，在分离不同粒径的纳米粒子时，离心的转速为能够使当前混合体系中纳米粒子沉降的最低转速，离心时间为使能够沉降的纳米粒子充分沉降为优选。
[0039]在本发明一个优选的实施方式中，当待分离纳米粉末为粒径为60nm?310nm的纳米钽粉，所用溶剂为乙二醇时，优选纳米钽粉与乙二醇按照重量体积比为纳米钽粉的重量:乙二醇的体积=0.2639g: 50mL进行混合分散，首次离心分离时的转速为800?1200rpm，优选为lOOOrpm，离心时间为20?40min，优选为30min。
[0040]本发明人发现，当首次离心分离的转速为800?1200rpm，优选为100rpm时，即可得到粒径分布较窄的较大粒径的纳米粒子。
[0041]步骤3，移出步骤2得到混合物中上层液，对步骤2中得到的沉降物进行洗涤、干燥。
[0042]步骤2得到混合物中上层液仍为纳米粉末与溶剂的混合体系，将其移出分离体系待进一步分离。
[0043]将步骤2得到的沉降物进行洗涤，本发明对洗涤方法不做特别限定，以能够将得到的沉降物表面吸附的杂质去除为优选，如用乙醇进行洗涤，再抽滤除去洗涤液等。
[0044]在本发明中，对干燥方式不做特别限定，可以使用现有技术中任意一种固体干燥方式，如常压高温干燥、减压高温干燥等，优选为真空干燥。
[0045]在本发明中，对干燥时间不做特别限定，以能够将所得产物充分干燥为优选。
[0046]在本发明一个优选的实施方式中，将步骤2得到的沉降物用无水乙醇洗涤3次，再将得到的产物在40°C下真空干燥I小时。
[0047]步骤4，对步骤3中移出的上层溶液重复步骤2?3的操作，直至待分离纳米粉末被分离完全。
[0048]对步骤3中移出的上层液重复上述步骤2?3的操作，区别在于调整不同的离心速度。
[0049]本发明人发现，在对纳米粉末进行离心分离时，转速每次递增300?800rpm，优选为500rpm，能够得到粒径分布窄的纳米粒子混合物。