一种水溶性竹炭纳米颗粒的制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种水溶性竹炭纳米颗粒的制备方法。

背景技术

由于其出色的吸附和生物相容性特性，竹炭已广泛应用于各个领域。然而，纳米炭表面结构为疏水性质，不能直接在水溶液中分散形成纳米炭混悬液，因此必须加入分散助悬辅料，现有的技术方案中，纳米炭混悬液的制备过程中，多需要采用大量的表面活性剂(例如聚乙烯吡咯烷酮、泊洛沙姆等)作为分散助悬辅料，或使用大量强酸强碱在高温下回流或用有机试剂才能形成水溶性竹炭纳米颗粒；这些制备工艺流程复杂、操作繁琐且多采用强酸强碱有机试剂，不环保、成本高，危险系数高，且所采用的表面活性剂具有一定生物毒性，如果进入体内，可能会有不利影响。

由于其在水中的不溶性，竹炭纳米颗粒在生物医学领域的应用受到限制；因此，有必要提供一种方法，以改性竹炭并获得水溶性竹炭纳米颗粒，以便在生物医学应用中使用。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在问题，本发明旨在提供一种水溶性竹炭纳米颗粒的制备方法，至少能够解决上述技术问题之一：(1)现有制备工艺流程复杂、操作繁琐且多采用强酸强碱有机试剂不环保、成本高，危险系数高；(2)现有制备方法中采用的表面活性剂具有一定生物毒性，如果进入体内，可能会有不利影响。

为实现上述目的，本发明提供了一种水溶性竹炭纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)称取一定量的原料竹炭纳米颗粒粉末，采用碳化钨球进行等离子球磨1～6h；

步骤2)将上述等离子球磨后的竹炭纳米颗粒粉末与一定量的30％双氧水混合，并用玛瑙球磨罐继续球磨3～6h；

步骤3)球磨结束后，加入一定量的超纯水混合搅拌均匀，并进行超声处理1～12h，得到竹炭水溶液；

步骤4)将上述获得的竹炭水溶液，进行砂磨处理24～48h；

步骤5)将砂磨后的竹炭水溶液进行纯化：以离心处理5min后，取其所得的上层清液采用透析袋进行透析12～48h；

步骤6)将透析后的上层清液进行溶液冻干处理，即得水溶性竹炭纳米颗粒粉末。

优选地，所述步骤1)中，竹炭为筒炭、片炭、碎炭、颗粒炭和粉末炭中的一种或多种。

优选地，所述步骤1)中，采用2～4mm的碳化钨球，球料质量比为50～100∶1，其球磨转速为500～2000rpm。

优选地，所述步骤1)中，在等离子球磨之前，将球磨罐中的空气排空，并引入高纯度的N2气体，根据所需的放电气氛，使球磨罐内部的压力达到1～5×10

优选地，所述步骤2)中，将上述等离子球磨后的竹炭纳米颗粒粉末与30％双氧水按比例1：1～10混合。

优选地，所述步骤2)中，使用2mm和6mm的玛瑙珠进行混合球磨，以促进改性过程，其球磨转速为100～700rpm/min。

优选地，所述步骤3)中，按竹炭纳米颗粒粉末与水质量比1：200～2000的比例加入超纯水，超声处理的功率为40～200kHz。

优选地，所述步骤4)中，砂磨转速为1000～3000rpm/min。

优选地，所述步骤5)中，离心处理的转速为3000～5000rpm/min，透析袋的截留分子量MWCO为12000～14000。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明制备方法通过一系列步骤，包括等离子体球磨、普通球磨、超声处理、砂磨、超纯水透析和溶液冻干处理，最终制得水溶性竹炭纳米颗粒，其流程简单，全链条时间短，引入杂质少，不涉及有机溶剂、危化品，对环境友好，适用于生物医学领域。

(2)本发明制备方法通过等离子球磨对竹炭纳米颗粒表面进行活化处理，使其表面更容易被氧化；加入双氧水并通过后续的普通球磨，其球磨过程中，双氧水分解为活化竹炭提供羟基官能团，使其生成羟基化竹炭，实现水溶分散目的；后面再通过砂磨处理，进一步降低竹炭纳米颗粒的团聚，提高其分散性。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备获得的上层清液样品图；

图2为本发明实施例1中制备获得的水溶性竹炭纳米颗粒粉末样品与所用原料竹炭纳米颗粒的红外对比图；

图3为本发明实施例1中制备获得的上层清液样品的透射电镜图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，本发明通过下列实施例进一步说明。显然，下列实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。

如附图1～3所示，本发明提供了一种水溶性竹炭纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)称取一定量的原料竹炭纳米颗粒粉末，采用碳化钨球进行等离子球磨1～6h；

步骤2)将上述等离子球磨后的竹炭纳米颗粒粉末与一定量的30％双氧水混合，并用玛瑙球磨罐继续球磨3～6h；

步骤3)球磨结束后，加入一定量的超纯水混合搅拌均匀，并进行超声处理1～12h，得到竹炭水溶液；

步骤4)将上述获得的竹炭水溶液，进行砂磨处理24～48h；

步骤5)将砂磨后的竹炭水溶液进行纯化：以离心处理5min后，取其所得的上层清液采用透析袋进行透析12～48h；

步骤6)将透析后的上层清液进行溶液冻干处理，即得水溶性竹炭纳米颗粒粉末。

具体地，所述步骤1)中，竹炭为筒炭、片炭、碎炭、颗粒炭和粉末炭中的一种或多种。

所述步骤1)中，采用2～4mm的碳化钨球进行等离子球磨对竹炭纳米颗粒表面进行活化处理，使其表面更容易被氧化，球料质量比为50～100∶1，其球磨转速为500～2000rpm；

所述步骤1)中，在等离子球磨之前，将球磨罐中的空气排空，并引入高纯度的N2气体，根据所需的放电气氛，使球磨罐内部的压力达到1～5×10

所述步骤2)中，将上述等离子球磨后的竹炭纳米颗粒粉末与30％双氧水按比例1：1～10混合；加入双氧水并通过后续的普通球磨，其球磨过程中，双氧水分解为活化竹炭提供羟基官能团，使其生成羟基化竹炭，实现水溶分散目的。

其化学反应式为：H

所述步骤2)中，使用2mm和6mm的玛瑙珠进行混合球磨，以促进改性过程，其球磨转速为100～700rpm/min。

所述步骤3)中，按竹炭纳米颗粒粉末与水质量比1：200～2000的比例加入超纯水，超声处理的功率为40～200kHz，超声处理可起到分散作用，对球磨过程中产生结块的部分分散开。

所述步骤4)中，通过砂磨处理进一步降低了竹炭纳米颗粒的团聚，提高了分散性，其砂磨转速为1000～3000rpm/min。

所述步骤5)中，离心处理1次，其转速为3000～5000rpm/min，透析袋的截留分子量MWCO为12000～14000，通过透析袋透析去除上层清液中残余的双氧水。

一、下面结合具有实施例配方对本发明进一步说明：

实施例1：

本发明实施例中的水溶性竹炭纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)称取8g原料竹炭纳米颗粒粉末，采用碳化钨球进行等离子球磨6h，球料质量比为50∶1，球磨转速为1000rpm；

步骤2)将上述等离子球磨后的竹炭纳米颗粒粉末与8ml 30％双氧水混合，并用250ml玛瑙球磨罐继续球磨3h，砂磨转速为600rpm/min；

步骤3)球磨结束后，加入1L超纯水混合搅拌均匀，并进行超声处理4h，超声功率为80kHz，得到竹炭水溶液；

步骤4)将上述获得的竹炭水溶液，进行砂磨处理24h，砂磨转速为3000rpm/min；

步骤5)将砂磨后的竹炭水溶液进行纯化：以5000rpm/min的转速离心处理5min 1次后，取其所得的上层清液采用透析袋进行透析48h；

步骤6)将透析后的上层清液进行溶液冻干处理，即得水溶性竹炭纳米颗粒粉末。

实施例2：

本发明实施例中的水溶性竹炭纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)称取8g原料竹炭纳米颗粒粉末，采用碳化钨球进行等离子球磨6h，球料质量比为50∶1，球磨转速为1000rpm；

步骤2)将上述等离子球磨后的竹炭纳米颗粒粉末与16ml 30％双氧水混合，并用250ml玛瑙球磨罐继续球磨3h，砂磨转速为600rpm/min；

步骤3)球磨结束后，加入1L超纯水混合搅拌均匀，并进行超声处理4h，超声功率为80kHz，得到竹炭水溶液；

步骤4)将上述获得的竹炭水溶液，进行砂磨处理24h，砂磨转速为3000rpm/min；

步骤5)将砂磨后的竹炭水溶液进行纯化：以5000rpm/min的转速离心处理5min 1次后，取其所得的上层清液采用透析袋进行透析48h；

步骤6)将透析后的上层清液进行溶液冻干处理，即得水溶性竹炭纳米颗粒粉末。

二、根据本发明实施例1的制备方法，制备获得纯化透析后的上层清液样品，以及溶液冻干处理后的水溶性竹炭纳米颗粒粉末样品，并将其进行相应效果测试，其测试情况具体如下：

1、水溶性效果测试

(1)测试方法：按照上述实施例1的制备步骤，获得纯化透析后的上层清液样品，将其以0.5mg/ml装入瓶中，静置放置30天，观察瓶中底部是否有沉淀。

(2)测试结果：静置放置30天后，如图1所示，观察到瓶中的底部只有微量沉淀；由此证明，通过本发明的制备方法制得的水溶性竹炭纳米颗粒的水溶性好。

2、红外测试对比

(1)测试方法：按照上述实施例1的制备步骤制得水溶性竹炭纳米颗粒粉末样品，将其与所用原料竹炭纳米颗粒分别使用红外光谱仪进行表征测试，再将其进行对比。

(2)测试数据及结论：图2中的红外测试表明实施例1处理后的水溶性竹炭纳米颗粒在1380nm出有很明显的羟基峰，证明成功合成羟基化竹炭纳米颗粒；而未经过处理的原料竹炭纳米颗粒没有羟基峰。

3、透射电镜表征测试

(1)测试方法：按照上述实施例1的制备步骤，获得纯化透析后的上层清液样品，将其进行透射电镜表征测试。

(2)测试结果：图3中的透射电镜表征为上层清液样品中水溶性竹炭纳米颗粒的形貌图片，从中可表明水溶性竹炭纳米颗粒的分散性好。

综合上述实施例及相应测试结果可知，采用本发明的制备方法通过一系列步骤，包括等离子体球磨、普通球磨、超声处理、砂磨、超纯水透析和溶液冻干处理，可制备获得水溶性好的竹炭纳米颗粒，其流程简单，全链条时间短，引入杂质少，不涉及有机溶剂、危化品，对环境友好，适用于生物医学领域。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。