一种核壳型磁性碳微球的快速制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种核壳型磁性碳微球的快速制备方法，属碳材料制备及应用的技术 领域。
【背景技术】
[0002] 碳微球，简称CMSs，具有独特的结构特征和优异的物理化学性能，如热稳定性好， 化学稳定性好，具有优良的导电、导热性能。
[0003] 碳微球的制备方法主要有化学气相沉积法、电弧放电法、模板法、固相热解法、离 子束共溅射法和水热合成法；水热合成法需要的温度和压力较低，条件相对温和，并且碳源 来源广泛、制备成本低、产物纯度高、合成过程简单、安全无毒、绿色环保，是一种优越的合 成方法；以葡萄糖为碳源，通过水热合成法可以制备单分散的碳微球，利用葡萄糖水热碳化 成球的特点，可将金属粒子包覆于碳微球内部，形成核壳结构；通过分步合成可制备具有核 壳结构的磁性碳微球，但在合成前需要对磁性纳米粒子进行表面改性，增加了制备过程的 复杂性和难度；以磁性材料为核制备复合材料可赋予复合材料磁响应性，通过外加磁场作 用可实现迅速分离，被广泛用作分离材料和载体，在生物医学、细胞学和分离工程领域具有 很好的应用价值；水热合成法制备的磁性碳微球是在水热反应过程中将磁性粒子包覆于碳 层内，这样既可以阻止磁性颗粒之间的团聚，还可保护金属颗粒免受外部环境影响，磁性碳 微球表面含有含氧官能团，可以与其他离子相互作用制成复合材料，拓展材料的应用范围。
[0004]目前，磁性碳微球的制备工艺过程较长，磁性性能较弱，存在较多弊端，还有待进 一步探讨研究
【发明内容】
[0005] 发明目的
[0006] 本发明的目的是针对【背景技术】的情况，以葡萄糖为碳源、葡萄糖酸亚铁为铁源、 十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，经水热合成，高温煅烧碳化，快速制成磁性碳微球， 以大幅度提高磁性碳微球的制备速度和产物性能。
[0007] 技术方案
[0008] 本发明使用的化学物质材料为：葡萄糖、葡萄糖酸亚铁、十六烷基三甲基溴化铵、 无水乙醇、去离子水、氮气，其准备用量如下：以克、毫升、厘米 3为计量单位
[0009]
【主权项】
1. 一种核壳型磁性碳微球的快速制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：葡 萄糖、葡萄糖酸亚铁、十六烷基三甲基溴化铵、无水乙醇、去离子水、氮气，其准备用量如下： 以克、毫升、厘米 3为计量单位
制备方法如下： (1) 配制葡萄糖水溶液 称取葡萄糖3. 567g±0. OOlg，量取去离子水30mL±0. lmL，加入烧杯中，搅拌5min，成 0? 6mol/L的葡萄糖水溶液； (2) 配制十六烷基三甲基溴化铵水溶液 称取十六烷基三甲基溴化铵1. 2g±0. OOlg，量取去离子水30mL±0. lmL，加入烧杯中， 将烧杯置于水浴缸内，在恒温水浴50°C下搅拌lOmin，成0. 1098mol/L的十六烷基三甲基溴 化铵水溶液； (3) 水热合成制备核壳型碳微球 核壳型碳微球的制备是在反应釜内进行的，是在密闭状态下，在加热炉内加热、水热合 成过程中完成的； ① 配料，量取葡萄糖水溶液30mL±0. lmL，十六烷基三甲基溴化铵水溶液 30mL±0. lmL，称取葡萄糖酸亚铁0. 3g±0. 001g，加入聚四氟乙烯容器中，搅拌30min，成混 合液； ② 将盛有混合液的聚四氟乙烯容器置于反应釜中，并密闭； ③ 将反应釜置于加热炉内，并密闭； ④ 开启加热炉，加热温度170°C ±2°C，加热时间12h±10min ; 反应釜内混合液在加热过程中将进行水热合成反应，生成核壳型碳包覆铁的化合物； 水热合成反应方程式如下：
式中：C18H32019Fe@C :核壳型碳包覆铁的化合物 ⑤ 水热合成反应后，停止加热，使反应釜随炉冷却至25°C ; ⑥ 冷却后，开炉，开釜，取出聚四氟乙烯容器及其内的反应液； (4) 离心分离 将反应液置于离心分离机的离心分离管内，进行离心分离，分离转速7000r/min，分离 时间20min ;分离后留存沉淀物，弃去废液； (5) 无水乙醇清洗，离心分离 将沉淀物置于烧杯中，加入无水乙醇200mL，搅拌清洗20min，成混合液； 将混合液置于离心分离机的分离管内进行分离，分离转速7000r/min，分离时间 20min ； 分离后留存沉淀物，弃去清洗液； (6) 去离子水洗涤，离心分离 将沉淀物置于烧杯中，加入去离子水200mL，搅拌清洗30min，成混合液； 将混合液置于离心分离机的分离管内进行分离，分离转速7000r/min，分离时间 30min ； 分离留单存沉淀物，弃去洗涤液； (7) 真空干燥 将沉淀物置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度50°C，真空度 0. 09MPa，干燥时间720min，干燥后成核壳型碳微球； (8) 煅烧制备核壳型磁性碳微球 核壳型磁性碳微球的煅烧是在真空煅烧炉内进行的，是在高温加热、氮气保护下完成 的； ① 将核壳型碳微球置于石英容器中，然后置于真空煅烧炉内，并密闭； ② 开启真空煅烧炉真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达〇. IMPa ; ③ 向真空煅烧炉内输入氮气，氮气输入速度l〇〇cm3/min，使炉内压强恒定保持在 0? 5MPa ; ④ 开启真空煅烧炉内加热器，进行加热煅烧，煅烧温度800°C ±5°C，煅烧时间120min ; 煅烧后成核壳型磁性碳微球； 煅烧反应式如下：
(9) 研磨、过筛 将煅烧后的磁性碳微球用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用600目筛网过筛，研磨、过 筛反复进行； 研磨、过筛后，磁性碳微球粒径< 600nm ; (10) 检测、分析、表征 对制备的磁性碳微球的形貌、色泽、化学物理性能进行检测、分析、表征； 用场发射扫描电镜进行形貌分析； 用X射线衍射仪进行晶体结构分析； 用振动磁强计进行磁性分析； 结论：磁性碳微球为黑色粉体，颗粒直径< 600nm，磁性性能为铁磁性，产物纯度98% ; (11)产物储存 对制备的磁性碳微球储存于棕色透明的玻璃容器中，要密闭避光保存，要防潮、防晒、 防酸碱盐侵蚀，储存温度20°C，相对湿度< 10%。
2. 根据权利要求1所述的一种核壳型磁性碳微球的快速制备方法，其特征在于：水热 合成制备核壳型碳微球是在反应釜内进行的，是在加热炉内加热、水热合成过程中完成的； 加热炉为立式，在加热炉1的下部为第一电控箱2,上部为炉盖3,在加热炉1内底部为第一 工作台9,在第一工作台9上部置放反应釜10,反应釜10内置放聚四氟乙烯容器12,聚四氟 乙烯容器12内为混合液13,并由荃盖11密闭；在第一电控箱2上设有第一显不屏4、第一 指不灯5、第一电源开关6、第一加热温度控制器7、第一加热时间控制器8。
3. 根据权利要求1所述的一种核壳型磁性碳微球的快速制备方法，其特征在于：核壳 型磁性碳微球的煅烧是在真空煅烧炉内进行的，是在高温加热、氮气保护下完成的； 真空煅烧炉为立式，在真空煅烧炉21的下部为第二电控箱14 ;在真空煅烧炉21内部 为炉腔22,在炉腔22的内底部设有第二工作台23,在第二工作台23上置放石英容器24,在 石英容器24内为核壳型磁性碳微球25,炉腔22内由氮气33充填；在真空煅烧炉21的右 上部设有出气管阀26 ;在真空煅烧炉21的左部设有氮气瓶30,氮气瓶30上部设有氮气阀 31、氮气管32,并向炉腔22内输入氮气33 ;在真空煅烧炉21的右下部设有真空泵27,真空 泵27上部通过真空阀28、真空管29与炉腔22连通；在第二电控箱14上设有第二显示屏 15、第二指示灯16、第二电源开关17、第二加热温度控制器18、第二加热时间控制器19、真 空泵控制器20。
【专利摘要】本发明涉及一种核壳型磁性碳微球的快速制备方法，是针对碳微球易团聚的情况，采用葡萄糖为碳源、葡萄糖酸亚铁为铁源、十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，经水热合成，葡萄糖酸亚铁生成铁的化合物，葡萄糖生成碳微球，并包覆铁核，形成核壳型碳微球结构，经高温煅烧，制成Fe3O4为核的磁性碳微球，此制备方法工艺先进、快捷，数据准确翔实，磁性碳微球粒径≤600nm，产物纯度达98%，磁性性能为铁磁性，可在多种工业领域应用，是十分理想的磁性碳微球的快速制备方法。
【IPC分类】H01F41-02, B01J13-02
【公开号】CN104576027
【申请号】CN201410842124
【发明人】郭兴梅, 刘海星, 邱丽, 李万捷
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月30日