[发明专利]一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料在化工、食品领域的应用，具体涉及一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法。

背景技术

纳米材料由于纳米尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等特性，具有特殊的力学、电学、磁、学、光学性能和化学活性。金属氧化物纳米颗粒是一类具有广泛用途的纳米材料，在化工、电子、食品、生物、医学等领域有着广阔的应用价值和前景。

如纳米二氧化钛颗粒具有十分宝贵的光学性质，很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，被广泛应用于汽车领域、抗紫外材料、纺织、光催化触媒、防晒霜、涂料、造纸工业等；纳米氧化锌在纺织、涂料等领域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌剂、荧光材料、光催化材料等；纳米氧化钨在变色、传感、光催化方面，也有着很广泛的应用和研究；纳米氧化钒作为新型的催化剂倍应用在化工合成和脱硫；纳米氧化镍同样在催化领域以及电子领域有着极大的应用前景。

在金属氧化物纳米颗粒的最终应用时，颗粒良好的分散状态更接近于实际的应用状态，因此其分散良好且稳定的分散液有着广泛用途。但是由于纳米颗粒的比表面积较大，表面能高，同时由于颗粒之间分子间作用力，纳米颗粒极易团聚。因此制备出分散性能良好且稳定的金属氧化物纳米颗粒分散液，能有效的解决其在应用时易团聚而引性能下降、纳米效应发挥不充分等问题。

目前化工和食品领域的金属氧化物纳米颗粒使用时，一般采用有机溶剂、有机或无机助分散剂、表面活性剂或对金属氧化物纳米颗粒进行表面改性，来分散金属氧化物纳米颗粒。但其存在着清洗困难，成本高，对人体有刺激性、稳定性差等不足。

近年来纳米纤维素(CNF)以及其衍生物，由于其长径比高，比表面积大，机械强度高，一度被用来当做绿色填充材料来增强复合材料。此外还有应用在电子薄膜领域方面的研究报道(如聚苯胺、碳纳米管、石墨烯为基体的导电膜)。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决金属氧化物纳米颗粒分散清洗困难、成本高、分散稳定性差和对人体有刺激性的问题，本发明提供了一种水相中稳定分散金属氧化物纳米颗粒的方法。

具体步骤如下：

步骤1：称量直径为4～10nm，长度为1000～3000nm的纳米纤维素，加入去离子水，再放入球磨罐中，其中球磨球总体积占据球磨罐体积的1/4～1/3。进行球磨至混合均匀，然后离心后去除沉淀物，配置出纳米纤维素含量为0.1％-2wt％的分散液，备用；

步骤2：称量颗粒大小为5～100nm的金属氧化物纳米颗粒，加入去离子水，再放入到球磨罐中。球磨混合均匀，得到初步分散的金属氧化物纳米颗粒水分散液，备用；

步骤3：将步骤1所制备的纳米纤维素水分散液加入步骤2制备的初步分散的金属氧化物水分散液中。再进行球磨至混合均匀，得到分散良好且稳定的金属氧化物分散液。

上述步骤1中纳米纤维素来源为木浆、棉花、剑麻或细菌。

上述步骤1中纳米纤维素的直径为4～10nm，长度为1000～3000nm。

上述步骤2中金属氧化物纳米颗粒为二氧化钛、三氧化钨、氧化镍、氧化钒或氧化锌纳米颗粒；金属氧化物纳米颗粒的尺寸为5～100nm。

本发明通过CNF的加入使得纳米材料之间形成相互排斥的双电层和明显的位阻效应，从而使得金属氧化物纳米颗粒能稳定的分散于水中。纳米纤维素自身带有-COO-Na⁺基团，当纳米纤维分散在水中时，由于羧基的电离作用，使纤维间形成双电层的排斥作用，使得CNF能稳定的分散在水中，这为CNF的助分散效应提供了基础。CNF纤维的表面具有两亲性，其能与疏水性的材料形成疏水的相互作用，所以CNF能与疏水纳米材料吸附到一起。由于CNF具有较大的长径比，且微观结构上由纤维素的晶区和非晶区组成，导致纤维上存在许多力学的弱点，使得纤维自身容易弯折、与其他纳米材料发生共缠结。最终通过球磨的方式将混合液分散均匀。

本发明由于采用纳米纤维素来分散金属氧化物纳米颗粒，其分散效果良好且稳定性高，工艺操作简单，易规模化，绿色环保，无毒无害，在化工和食品的应用方面具有极大的价值和意义。

综上所述，本发明具有制备方法操作简便，成本低廉且绿色无污染，其制备的金属氧化物纳米颗粒分散液分散性好、稳定性高，利于分散液的后续使用及长时间存放，提高了金属氧化物纳米颗粒的使用效率，并进一步拓宽其应用领域。

附图说明

图1为未加分散剂、添加SDS和实施例的纳米颗粒分散液实物对比图；