一种碳点墨水及其制备方法和应用与流程

本发明涉及碳纳米材料领域，尤其是涉及一种碳点墨水及其制备方法和应用。

背景技术：

经济、军事、政治和日常生活中的信息安全问题越来越受到人们的重视。近几年来，科研人员开发了一系列相关技术，如电浆安全标签、磁响应和发光成像等来保护这些重要、有价值的数据不被破坏和伪造。其中，荧光成像具有许多显著的优势，包括制备简便、易于操作和高产率等，被广泛应用于数据保密。

荧光成像能成为数据记录、保密和防伪的一项有力技术，主要源于多种多样荧光材料的出现。据报道，一些荧光材料如荧光晶体、过渡金属配合物、染料等可通过外部机械、热以及蒸汽刺激技术应用于光学数据记录、设备保护、传感器矩阵等。但是大多数材料潜在的生物毒性、低耐光性、高成本以及低稳定性阻碍了其实际应用。

作为一种新兴的纳米材料，荧光碳点因其环保、强化学惰性、低毒性、极好的生物相容性、卓越的化学光稳定性以及优异的光电性能等独特的优势，最近在生物成像、光催化、传感、光电设备和其它应用方面受到了越来越多的关注。目前大量的研究都集中在碳点的制备上。其中，碳前驱体的水热反应以其绿色、经济以及操作简单的优势被越来越广泛利用。通过水热合成的大部分碳点都具有亲水基团，所以都能很好的溶于水，这种特性非常有利于如生物成像、医学诊断和墨水成像等应用。但是，这类碳点通常由于碳点表面基团和基底间较弱的范德华力和亲和力导致材料对水或有机溶剂的严重不稳定性，从而无法在湿度、温度随时改变的环境中实际应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳点墨水的制备方法，成本低廉，制备过程简单、高效，制备得到的碳点墨水环保、稳定性高，能够应用于数据信息加密和印刷显示等领域。

本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种碳点墨水的制备方法，包括以下步骤：

取阳离子型聚合物电解质，加入溶剂，转移至反应釜中进行反应得到溶液一；

取透析袋对溶液一进行透析，收集渗透袋外部的溶液，干燥得到碳点一；

取阴离子型聚合物电解质，加入溶剂，转移至反应釜中进行反应得到溶液二；

取透析袋对溶液二进行透析，收集渗透袋外部的溶液，干燥得到碳点二；

取碳点一加入溶剂配制成溶液三，取碳点二加入溶剂配制成溶剂四，混合溶液三和溶液四制备得到碳点墨水，所述溶液三的离子所带电荷数与所述溶液四的离子所带电荷数相同。

优选地，所述阳离子型聚合物电解质为聚丙烯胺盐酸盐、聚乙烯亚胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵中的至少一种。

优选地，所述阴离子型聚合物电解质为聚苯乙烯磺酸钠、聚丙烯酸中的至少一种。

优选地，所述溶剂为去离子水。

优选地，所述透析袋的截留分子量≤3500。

优选地，在反应釜中反应的温度为150～250℃。

优选地，在反应釜中反应时间为≥5h。

优选地，透析的时间为≥48h。

本发明还提供一种碳点墨水，由上述的碳点墨水的制备方法制得。

上述的碳点墨水在数据信息加密和印刷显示领域中的应用。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种碳点墨水的制备方法，以带有相反电荷的碳点溶液为原料通过自主装方法制备，成本低廉、反应条件温和、绿色环保、制备过程简单，通过本发明制备方法得到的碳点墨水除了具有传统荧光墨水的光学性质外，书写于纸张的数据具有更高的稳定性，能够应用于数据信息加密和印刷显示等领域。

附图说明

图1为实施例1中碳点墨水的制备示意图；

图2为实施例1中碳点墨水的tem形貌图；

图3为实施例1中碳点墨水在不同激发波长下的荧光光谱图；

图4为本发明的碳点墨水的稳定性测试。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

称取10g聚丙烯胺盐酸盐(pah)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在200℃烘箱中反应5小时。使用截留分子量为3500的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析三天，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点一。

称取10g聚苯乙烯磺酸钠(pss)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在200℃烘箱中反应5小时。使用截留分子量为3500的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析三天，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点二。

取碳点一溶于去离子水得到溶液一，取碳点二溶于去离子水得到溶液二，根据溶液一的质量和溶液一中聚电解质重复单元分子量计算溶液一中的阳离子电荷数，根据溶液二的质量和溶液二中聚电解质重复单元分子量计算溶液二中的阴离子电荷数，根据当量计算控制碳点一和碳点二的加入量，使得溶液一与溶液二中的离子电荷数相当，混合溶液一和溶液二得到碳点墨水。

实施例2

称取10g聚丙烯胺盐酸盐(pah)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在150℃烘箱中反应8小时。使用截留分子量为2000的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析四天，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点一。

称取10g聚苯乙烯磺酸钠(pss)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在150℃烘箱中反应8小时。使用截留分子量为2000的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析三天，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点二。

取碳点一溶于去离子水得到溶液一，取碳点二溶于去离子水得到溶液二，控制加入的碳点一和碳点二的加入量使得溶液一中的离子所带的电荷数与溶液二中的离子所带电荷数相同，混合溶液一和溶液二得到碳点墨水。

实施例3

称取10g聚乙烯亚胺(pei)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在250℃烘箱中反应10小时。使用截留分子量为1000的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析三天，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点一。

称取10g聚丙烯酸(paa)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在250℃烘箱中反应10小时。使用截留分子量为1000的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析48h，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点二。

取碳点一溶于去离子水得到溶液一，取碳点二溶于去离子水得到溶液二，控制加入的碳点一和碳点二的加入量使得溶液一中的离子所带的电荷数与溶液二中的离子所带电荷数相同，混合溶液一和溶液二得到碳点墨水。

实施例4

称取10g聚二烯丙基二甲基氯化铵(pdda)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃烘箱中反应5小时。使用截留分子量为3500的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析60h，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点一。

称取10g聚苯乙烯磺酸钠(pss)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃烘箱中反应5小时。使用截留分子量为3500的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析三天，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点二。

取碳点一溶于去离子水得到溶液一，取碳点二溶于去离子水得到溶液二，控制加入的碳点一和碳点二的加入量使得溶液一中的离子所带的电荷数与溶液二中的离子所带电荷数相同，混合溶液一和溶液二得到碳点墨水，其自组装过程如图1所示。碳点墨水的tem形貌图如图2所示，从图中可以看出，碳点尺寸分布均匀，碳点直径为15～50纳米。

取上述碳点墨水，其在激发波长310nm、320nm、330nm、340nm、350nm、360nm、370nm和380nm激发波长下的荧光光谱图，如图3所示，最优激发波长为310纳米。

实施例5：稳定性测试

使用实施例1中的溶液一(c-pah)、溶液二(c-pss)和碳点墨水(sa-cds)分别书写数据于纸张上，风干纸张，在紫外线下将上述纸张分别置于水(h2o)、正己烷、三氯甲烷(chcl3)和二甲基亚砜(dmso)中，5分钟后观察现象，如图4所示。从图中可以看出，以c-pah和c-pss溶液为荧光碳点的书写数据在有机溶剂中较稳定，在水溶液中极不稳定，而使用本发明制备的碳点墨水sa-cds书写的数据无论在水溶液还是有机溶剂中均表现出优异的稳定性，表明基于自组装制备的碳点墨水不仅具有传统荧光墨水的荧光性能而且稳定性高，可应用于数据信息加密和印刷显示等领域。

实施例6

称取10g聚丙烯胺盐酸盐(pah)和聚乙烯亚胺(pei)的混合物溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在250℃烘箱中反应10小时。使用截留分子量为1000的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析三天，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点一。

称取10g聚丙烯酸(paa)溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在250℃烘箱中反应10小时。使用截留分子量为1000的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析48h，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点二。

取碳点一溶于去离子水得到溶液一，取碳点二溶于去离子水得到溶液二，控制加入的碳点一和碳点二的加入量使得溶液一中的离子所带的电荷数与溶液二中的离子所带电荷数相同，混合溶液一和溶液二得到碳点墨水。

实施例7

称取10g聚乙烯亚胺(pei)的混合物溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在250℃烘箱中反应10小时。使用截留分子量为1000的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析三天，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点一。

称取10g聚苯乙烯磺酸钠(pss)和聚丙烯酸(paa)的混合物溶于10ml去离子水中，超声溶解后转移至30ml聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在250℃烘箱中反应10小时。使用截留分子量为1000的透析袋对上述反应得到的溶液进行透析48h，以除去为反应原料及中间产物，收集透析袋外部的溶液进行冷冻干燥，得到粉末状碳点二。

取碳点一溶于去离子水得到溶液一，取碳点二溶于去离子水得到溶液二，控制加入的碳点一和碳点二的加入量使得溶液一中的离子所带的电荷数与溶液二中的离子所带电荷数相同，混合溶液一和溶液二得到碳点墨水。