一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，将纳米颗粒并分散在溶剂中，获得纳米颗粒的分散溶液，然后利用震荡辅助加热蒸发对纳米颗粒溶液进行浓缩：将稀释的纳米颗粒溶液进行同步加热和震荡，通过控制加热的温度，速率和加热时间调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，在加热和震荡的同时，可以利用风扇等增大对流的装置进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提高纳米颗粒的浓缩效率。与现有技术相比，本发明具有设备简单，浓缩效率高，纳米材料损耗小，浓缩后的纳米颗粒分散性好等优点。
【专利说明】一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料制备和加工【技术领域】，尤其是涉及一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，过利用震荡辅助加热的方法在不改变原溶液中纳米颗粒的大小和分散状态条件下，达到对纳米颗粒溶液高效浓缩，并减少纳米材料在加工过程中消耗和损失。
【背景技术】
[0002]纳米材料因为它的尺寸小，比表面积大及量子尺寸效应，它们具有常规材料不具备的特殊性能，在开发新型电子材料、结构材料、光学材料、化工、陶瓷和医学材料领域具有重要价值。例如，通过向传统高分子材料中添加分散性好的纳米颗粒，可以大幅度提高材料的力学性能使得表明涂层更加耐磨，可以改变光学材料的折射率且不影响高分子材料本身的高透光性，可以增加高分子材料的导电和导热性能，实现其在新的领域中的应用。
[0003]近年来，纳米材料的合成与制备技术，特别是湿化学合成法迅速发展，大大促进了人们对纳米材料科学研究的兴趣。为了获得尺寸均匀的纳米粒子，在合成纳米颗粒的过程中，通常反应物的浓度控制得比较低。由此合成的纳米粒子一般分散在水或其他有机溶剂中，但通常纳米颗粒的含量很低。在对合成的纳米颗粒进行后续表面改性或者对其作为添加剂进行进一步加工时，需要一种快速有效的纳米颗粒浓缩方法。为有效地利用纳米材料的小尺度效应，理想的浓缩技术应该能够快速地提高溶液中颗粒的浓度，而对纳米颗粒原有的特性特别是分散状态不能破坏。
[0004]在现有的纳米颗粒浓缩技术中，一般纳米颗粒浓缩的方法有高速离心的方法、自然放置沉淀的方法和加热蒸发的方法。高速离心一般对于较大尺寸、表面有活性剂的颗粒更为有效。对于小尺寸的纳米粒子，离心机产生的离心力不足以使得其沉淀。高速离心方法有高能耗和低产率的缺点。并且，高速离心会破坏纳米粒子表面活性剂的分布，导致浓缩后的纳米颗粒不能重新分散。自然放置沉淀法通常也只对较大尺寸、表面无活性剂的颗粒的浓缩有效，且该过程效率也很低。加热蒸发溶剂的方法有更快的浓缩速度。但是，纳米材料因为其比表面积非常大和高的表面能，在溶剂挥发过程中容易在溶液和空气界面析出，形成纳米颗粒自组装的薄膜，造成了纳米材料的极大损耗和浪费。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，采用以下步骤:
[0009](I)纳米颗粒溶液的制备:将纳米颗粒并分散在溶剂中，获得纳米颗粒的分散溶液；
[0010](2)利用震荡辅助加热蒸发的方法对纳米颗粒溶液进行浓缩:将纳米颗粒溶液进行同步加热和震荡，通过控制加热温度为30-150°C，升温速率0.5-600C /min，加热时间为0.l-10h，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提闻纳米颗粒的浓缩效率。
[0011]其中，温度的选择依据纳米颗粒所分散的溶剂，一般稍低于溶剂的沸点20-30摄氏度。但是，温度过低则浓缩速率太慢，温度过高又会影响到纳米颗粒的稳定性，高温下纳米颗粒可能会熔合改变了其本身的性能，升温速率过低则影响到浓缩的效率，过高可能导致溶液瞬时过热，影响纳米颗粒的稳定性，过短的加热时间会使浓缩的量不够，太长则会发生干涸，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提闻纳米颗粒的浓缩效率。
[0012]所述的纳米颗粒为在三维尺度上某一个或者多个方向尺寸小于等于100纳米，包括金属粒子、金属氧化物、金属硫族化物、非金属氧化物或其他纳米材料，
[0013]所述的金属粒子包括金、银、铜或钼；所述的金属氧化物包括二氧化钛、二氧化锆或氧化铁；所述的金属硫族化物包括硫化锌；所述的非金属氧化物包括二氧化硅；所述的其他纳米材料包括碳纳米管、石墨或石墨烯。
[0014]所述的纳米颗粒由固相法、液相法、溶胶凝胶法、沉淀法、蒸发溶解热解法、氧化还原法、溶剂热法或气相法合成工艺制得。
[0015]所述的纳米颗粒的分散溶液还可以是合成的纳米颗粒重新分散到溶剂中形成的溶液。
[0016]所述的纳米颗粒的分散溶液重量浓度为0.01% -60%，采用的溶剂包括水，乙醇，甲醇，异丙醇，丙酮，氯仿，四氢呋喃，甲苯，己烷或环己烷。
[0017]所述的震荡为超声震荡、机械震荡或磁力搅拌。
[0018]所述的加热采用电阻加热、油浴或者水浴加热、电磁辐照加热或由超声震荡产生热量。
[0019]所述的吹风作业是通过风扇或者通风橱加快对流从而加快溶剂蒸发和挥发。
[0020]浓缩的纳米颗粒溶液的重量浓度为0.01% -60%。
[0021 ] 与现有技术相比，本发明通过调节加热的温度，升温速度和加热时间，可以调节控制溶剂的挥发速率，进而调控获得的纳米颗粒的浓缩程度。由超声震荡器产生的高频声波在溶液中传播时的声压剧变在溶液中急速产生大量的气泡，并不断猛烈的爆破，使得溶液中的纳米颗粒处于持续的震动状态，从而有效防止纳米颗粒在溶液和空气界面析出，减少了纳米材料在加工过程中损失和消耗。由此获得的浓缩的纳米颗粒能够保持原有分散状态。在某种程度上，震荡能进一步提高纳米颗粒的分散性。良好的纳米颗粒的分散性是纳米材料后续进一步加工和最终实现工业应用的基础。在此过程中，还可以利用风扇等增大对流的装置进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提高纳米颗粒的浓缩效率，并且可对浓缩溶液的温度进行调控，减少加热温度对纳米颗粒尺寸和性能的影响。
[0022](I)采用加热蒸发溶剂的方法浓缩纳米颗粒，设备简单，效率高。
[0023](2)采用超声震荡的方法，保证纳米颗粒在溶液中处于震荡状态，有效避免了纳米颗粒的析出，减少了纳米材料在浓缩工程中的损失和消耗。
[0024](3)超声震荡有效避免了纳米材料的团聚，使得浓缩后的纳米颗粒保持了原有的分散性，有利于纳米材料的后续进一步加工和应用。
[0025](4)通过利用风扇等手段进一步加快溶剂的蒸发和挥发速度，提高浓缩的效率，对浓缩温度进行调控以保证浓缩纳米颗粒的尺寸和性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为50纳米金颗粒透射电子显微镜照片；
[0027]图2为50纳米金颗粒浓缩前后的对比光学照片；
[0028]图3为5纳米金颗粒浓缩前后的紫外可见光光谱；
[0029]图4为10纳米金颗粒透射电子显微镜照片；
[0030]图5为5纳米二氧化钛颗粒透射电子显微镜照片。
[0031]【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0033]实施例1
[0034](I)金纳米颗粒的制备
[0035]按配方要求将HAuC14溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌I分钟后再加入柠檬酸钠溶液，然后持续搅拌20分钟后便得到质量浓度为0.01%的粒径为50纳米的金颗粒(如图1所示)。
[0036](2)金纳米颗粒的浓缩
[0037]将装有100毫升粒径为50纳米金颗粒水溶液的烧杯放置在带有加热功能的超声震荡器中，设置加热温度为60摄氏度，升温速度为5摄氏度每分钟，加热超声震荡30分钟。加热的同时，用风扇对烧杯口进行吹风，直至浓缩过程结束。如图2所示意，金纳米颗粒浓缩到50毫升，且溶液表面没有金颗粒析出。如图3所示，紫外-可见光光谱表明浓缩后溶液的吸收峰增强，但是吸收峰的位置没有发生变化。这表明浓缩的金纳米颗粒浓度得到了增加，其分散状态没有改变。
[0038]实施例2
[0039](I)金纳米颗粒的制备
[0040]按配方要求将HAUC14溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌I分钟后再加入柠檬酸钠溶液，然后持续搅拌10分钟后便得到粒径为10纳米质量浓度为0.04%的金颗粒溶液(如图4所示)。
[0041](2)金纳米颗粒的浓缩
[0042]将装有100毫升10纳米金颗粒水溶液的烧杯放置在带有加热功能的超声震荡器中，设置加热温度为70摄氏度，升温速度为2摄氏度每分钟，加热超声震荡40分钟。在加热的同时，用风扇对烧杯口进行吹风，直至浓缩过程结束，获得浓缩的金纳米颗粒溶液。
[0043]实施例3
[0044](I) 二氧化钛纳米颗粒的制备
[0045]向45毫升不锈钢水热反应釜中，依次加入20毫升环己烷，10毫升油酸，10毫升油胺和I毫升钛酸四丁酯，密封反应釜后，将反应釜转移至200°C烘箱中保温24小时。合成的直径为5纳米(如图5所示)的二氧化钛纳米颗粒经洗涤后，重新分散在甲苯溶剂中，获得质量浓度为2%的二氧化钛纳米颗粒溶液。
[0046](2) 二氧化钛纳米颗粒的浓缩
[0047]在通风橱内将装有100毫升上述二氧化钛溶液的烧杯放置在加热台上，设置加热温度为40摄氏度，进行磁力搅拌(转速为600转每分钟)4小时，获得浓缩的二氧化钛纳米颗粒溶液。
[0048]实施例4
[0049]一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，采用以下步骤:
[0050](I)纳米颗粒溶液的制备:将纳米颗粒并分散在溶剂中，获得纳米颗粒的分散溶液；
[0051](2)利用震荡辅助加热蒸发的方法对纳米颗粒溶液进行浓缩:将纳米颗粒溶液进行同步电阻加热和超声震荡，通过控制加热温度为30°C，升温速率0.50C /min，加热时间为10h，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，通过风扇或者通风橱加快对流从而加快溶剂蒸发和挥发，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提高纳米颗粒的浓缩效率，浓缩得到的纳米颗粒溶液的重量浓度为0.01%。
[0052]其中，温度的选择依据纳米颗粒所分散的溶剂，一般稍低于溶剂的沸点20-30摄氏度。但是，温度过低则浓缩速率太慢，温度过高又会影响到纳米颗粒的稳定性，高温下纳米颗粒可能会熔合改变了其本身的性能，升温速率过低则影响到浓缩的效率，过高可能导致溶液瞬时过热，影响纳米颗粒的稳定性，过短的加热时间会使浓缩的量不够，太长则会发生干涸，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提闻纳米颗粒的浓缩效率。
[0053]纳米颗粒为在三维尺度上某一个或者多个方向尺寸小于等于100纳米，包括金属粒子、金属氧化物、金属硫族化物、非金属氧化物或其他纳米材料，本实施例中为二氧化钛纳米颗粒，由固相法制得。纳米颗粒的分散溶液重量浓度为0.01%，采用乙醇作为溶剂。
[0054]实施例5
[0055]一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，采用以下步骤:
[0056](I)纳米颗粒溶液的制备:将纳米颗粒并分散在溶剂中，获得纳米颗粒的分散溶液；
[0057](2)利用震荡辅助加热蒸发的方法对纳米颗粒溶液进行浓缩:将纳米颗粒溶液进行同步电阻加热和超声震荡，通过控制加热温度为60 V，升温速率5 V /min,加热时间为8h，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，通过风扇或者通风橱加快对流从而加快溶剂蒸发和挥发，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提高纳米颗粒的浓缩效率，浓缩得到的纳米颗粒溶液的重量浓度为10%。
[0058]其中，温度的选择依据纳米颗粒所分散的溶剂，一般稍低于溶剂的沸点20-30摄氏度。但是，温度过低则浓缩速率太慢，温度过高又会影响到纳米颗粒的稳定性，高温下纳米颗粒可能会熔合改变了其本身的性能，升温速率过低则影响到浓缩的效率，过高可能导致溶液瞬时过热，影响纳米颗粒的稳定性，过短的加热时间会使浓缩的量不够，太长则会发生干涸，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提闻纳米颗粒的浓缩效率。
[0059]纳米颗粒为在三维尺度上某一个或者多个方向尺寸小于等于100纳米，包括金属粒子、金属氧化物、金属硫族化物、非金属氧化物或其他纳米材料，本实施例中为硫化锌纳米颗粒，由液相法制得。纳米颗粒的分散溶液重量浓度为10%，采用氯仿作为溶剂。
[0060]实施例6[0061]一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，采用以下步骤:
[0062](I)纳米颗粒溶液的制备:将纳米颗粒并分散在溶剂中，获得纳米颗粒的分散溶液；
[0063](2)利用震荡辅助加热蒸发的方法对纳米颗粒溶液进行浓缩:将纳米颗粒溶液进行同步电阻加热和超声震荡，通过控制加热温度为100°C，升温速率40°C /min，加热时间为2h，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，通过风扇或者通风橱加快对流从而加快溶剂蒸发和挥发，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提高纳米颗粒的浓缩效率，浓缩得到的纳米颗粒溶液的重量浓度为30%。
[0064]其中，温度的选择依据纳米颗粒所分散的溶剂，一般稍低于溶剂的沸点20-30摄氏度。但是，温度过低则浓缩速率太慢，温度过高又会影响到纳米颗粒的稳定性，高温下纳米颗粒可能会熔合改变了其本身的性能，升温速率过低则影响到浓缩的效率，过高可能导致溶液瞬时过热，影响纳米颗粒的稳定性，过短的加热时间会使浓缩的量不够，太长则会发生干涸，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提闻纳米颗粒的浓缩效率。
[0065]纳米颗粒为在三维尺度上某一个或者多个方向尺寸小于等于100纳米，包括金属粒子、金属氧化物、金属硫族化物、非金属氧化物或其他纳米材料，本实施例中为碳纳米管，由蒸发溶解热解法制得。纳米颗粒的分散溶液重量浓度为30%，采用四氢呋喃作为溶剂。
[0066]实施例7
[0067]一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，采用以下步骤:
[0068](I)纳米颗粒溶液的制备:将纳米颗粒并分散在溶剂中，获得纳米颗粒的分散溶液；
[0069](2)利用震荡辅助加热蒸发的方法对纳米颗粒溶液进行浓缩:将纳米颗粒溶液进行同步电阻加热和超声震荡，通过控制加热温度为150°C，升温速率60°C /min，加热时间为
0.lh，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，通过风扇或者通风橱加快对流从而加快溶剂蒸发和挥发，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提高纳米颗粒的浓缩效率，浓缩得到的纳米颗粒溶液的重量浓度为50%。
[0070]其中，温度的选择依据纳米颗粒所分散的溶剂，一般稍低于溶剂的沸点20-30摄氏度。但是，温度过低则浓缩速率太慢，温度过高又会影响到纳米颗粒的稳定性，高温下纳米颗粒可能会熔合改变了其本身的性能，升温速率过低则影响到浓缩的效率，过高可能导致溶液瞬时过热，影响纳米颗粒的稳定性，过短的加热时间会使浓缩的量不够，太长则会发生干涸，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提闻纳米颗粒的浓缩效率。
[0071]纳米颗粒为在三维尺度上某一个或者多个方向尺寸小于等于100纳米，包括金属粒子、金属氧化物、金属硫族化物、非金属氧化物或其他纳米材料，本实施例中为石墨烯，由蒸发溶解热解法制得。纳米颗粒的分散溶液重量浓度为50%，采用四氢呋喃作为溶剂。
【权利要求】
1.一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，该方法采用以下步骤: (1)纳米颗粒溶液的制备:将纳米颗粒并分散在溶剂中，获得纳米颗粒的分散溶液；(2)利用震荡辅助加热蒸发的方法对纳米颗粒溶液进行浓缩:将纳米颗粒溶液进行同步加热和震荡，通过控制加热温度为30-150 V，升温速率0.5-60 V /min,加热时间为0.Ι-lOh，调节纳米颗粒溶液的浓缩速度，同时进行吹风作业，增大溶剂的蒸发和挥发速度，进一步提闻纳米颗粒的浓缩效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，所述的纳米颗粒为在三维尺度上某一个或者多个方向尺寸小于等于100纳米，包括金属粒子、金属氧化物、金属硫族化物、非金属氧化物或其他纳米材料， 所述的金属粒子包括金、银、铜或钼；所述的金属氧化物包括二氧化钛、二氧化锆或氧化铁；所述的金属硫族化物包括硫化锌；所述的非金属氧化物包括二氧化硅；所述的其他纳米材料包括碳纳米管、石墨或石墨烯。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，所述的纳米颗粒由固相法、液相法、溶胶凝胶法、沉淀法、蒸发溶解热解法、氧化还原法、溶剂热法或气相法合成工艺制得。
4.根据权利要求1所述的一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，所述的纳米颗粒的分散溶液还可以是合成的纳米颗粒重新分散到溶剂中形成的溶液。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，所述的纳米颗粒的分散溶液重量浓度为0.01% -60%，采用的溶剂包括水，乙醇，甲醇，异丙醇，丙酮，氯仿，四氢呋喃，甲苯，己烷或环己烷。
6.根据权利要求1所述的一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，所述的震荡为超声震荡、机械震荡或磁力搅拌，优选超声震荡。
7.根据权利要求1所述的一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，所述的加热采用电阻加热、油浴或者水浴加热、电磁辐照加热或由超声震荡产生热量。
8.根据权利要求1所述的一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，所述的吹风作业是通过风扇或者通风橱加快对流从而加快溶剂蒸发和挥发。
9.根据权利要求1所述的一种基于震荡辅助加热蒸发的纳米颗粒浓缩方法，其特征在于，浓缩的纳米颗粒溶液的重量浓度为0.01% -60%。
【文档编号】B01D1/00GK103920297SQ201410150929
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】陶鹏, 邓涛, 尚文, 宋成轶, 刘洋, 刘颜铭 申请人:上海交通大学