專(zhuān)利名稱(chēng)：納米碳溶膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米碳溶膠的制備方法。
背景技術(shù)：
納米炭粉作為一種新材料，廣泛應(yīng)用于橡膠、顏料、油墨、電子及復(fù)合材料等領(lǐng)域。目前，納米碳粉的制備方法主要有研磨法、溶膠干燥法、爆炸法等幾種，研磨法和爆炸法在粒度均勻性、表面修飾等方面都比溶膠干燥法差，溶膠干燥法生產(chǎn)的納米碳粉具有顆粒細(xì)小、粒度分布均勻、表面修飾好等特點(diǎn)，是制備納米碳粉的較好方法。
溶膠干燥法制備納米碳粉的關(guān)鍵技術(shù)是制備納米碳溶膠，目前納米碳溶膠的制備主要通過(guò)氧化法制備，納米碳溶膠的氧化法制備現(xiàn)已報(bào)道的有雙隋性電極并串聯(lián)陽(yáng)極氧化法制備納米石墨碳溶膠、脈沖式電極法制備納米石墨碳溶膠、陽(yáng)極石墨電極氧化法制備納米石墨碳溶膠等，這些方法各有其特點(diǎn)，但在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這些方法均具有生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高的不足，用上面幾種方法制備濃度為0.5％～0.6％的納米碳溶膠一般需要20～30天的時(shí)間，每噸這種溶膠的成本在3000元～10000元之間，這對(duì)納米碳溶膠的推廣應(yīng)用帶來(lái)了困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本較低，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的納米碳溶膠的制備方法，以解決納米碳溶膠在推廣應(yīng)用中存在的問(wèn)題。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的將電極按正負(fù)極排列放入裝有電解液的反應(yīng)槽中，每組電極間采用并聯(lián)，正、負(fù)電極之間用絕緣帶孔板或絕緣帶孔網(wǎng)隔開(kāi)，然后向電極中通入高頻交流脈沖電流，電流的頻率控制在10～70KHZ，電壓控制在3～15V，電流密度控制在0.5～4A/cm2的條件下進(jìn)行反應(yīng)，控制溫度在60℃以下，每隔6～8小時(shí)攪拌一次，5～8天后，結(jié)束反應(yīng)，槽中溶液即為納米石墨碳溶膠。
電極的陽(yáng)極和陰極均為石墨，石墨的純度在98％以上，電極的厚度為4～8cm。
電極的陽(yáng)極為石墨，陰極也可為惰性材料，惰性材料為不銹鋼或鎳板。
為了保證納米碳溶膠的純度，電解液可采用1/4的納米碳溶膠作為母液，加3/4的水配制而成，這樣配制的電解液基本不含其他雜質(zhì)。
電解液也可采用總量不超過(guò)電解液重量1％的氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鉀、氯化鈉與水配制而成，氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鉀、氯化鈉可單獨(dú)加入，也可混合加入。
電解液也可采用總量不超過(guò)電解液重量5％的硫酸、鹽酸、硝酸、氯化鈉與水配制而成，硫酸、鹽酸、硝酸、氯化鈉可單獨(dú)加入，也可混合加入。
電解液還可采用總量不超過(guò)電解液重量1％的氯化鉀、氯化鈉氫氧化鈉或氫氧化鉀與水配制而成，氯化鉀、氯化鈉、氫氧化鈉或氫氧化鉀可單獨(dú)加入，也可混合加入。
用于配制電解液的水中Ca離子的含量小于8mg/L，K、Na、Mg離子的含量小于1.5mg/L，F(xiàn)e、Ni、Cr離子的含量小于1.0mg/L，以保證電解液的純度。
本發(fā)明采用純度在98％以上的高純石墨作為電極，并且兩極都采用石墨以獲得較高的生產(chǎn)效率，也可陽(yáng)極采用石墨，陰極采用如不銹鋼、鎳板等惰性材料，以降低成本。生產(chǎn)時(shí)將電極放入電解質(zhì)溶液中，對(duì)高純石墨電極施加高頻脈沖電流，利用高頻電流具有的趨膚效應(yīng)和脈沖電流具有在表面的尖角凸起部位密集的性能特點(diǎn)，使參與反應(yīng)的全部電流都集中在電極的表面，特別是表面不平的凸起處，石墨電極表面凸起處獲得更多的能量，極易成為納米顆粒游離在電解質(zhì)溶液中形成納米碳溶膠，而且由于采用的是交流脈沖電流，陰、陽(yáng)極中的電流是按周期變化的，兩電極會(huì)同時(shí)消耗，可以最大限度的節(jié)省石墨電極材料，大大提高石墨電極的利用率；同時(shí)，全部電流都集中在電極的表面特別是電極表面的尖角凸起部位，電流的利用率非常高，生產(chǎn)時(shí)反應(yīng)溫度低，因此生產(chǎn)效率很高，耗電量少，一般生產(chǎn)濃度為0.5％～0.6％的納米碳溶膠只需要5～8天的時(shí)間，比現(xiàn)有技術(shù)的生產(chǎn)周期縮短了2/3～1/2，節(jié)省電能20％左右，大大提高了電能的利用率，節(jié)省了能源，降低了產(chǎn)品成本，生產(chǎn)成本可降低30％～50％；并且可以通過(guò)電流、電壓來(lái)控制納米碳的顆粒大小，生產(chǎn)出來(lái)的納米碳顆粒呈單分散的球狀顆粒，表面仍然是水分子形成的負(fù)電性雙電層修飾，表面修飾效果較好，應(yīng)用過(guò)程和存放過(guò)程中不易發(fā)生團(tuán)聚，如果工藝參數(shù)控制恰當(dāng)，可獲得15nm以下的納米碳顆粒，調(diào)整工藝參數(shù)也可以獲得15nm～100nm的納米碳顆粒，具有顆粒細(xì)小、粒度分布均勻、表面修飾好等性能特點(diǎn)。
因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不但大大縮短了納米碳溶膠的生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，使納米碳溶膠及碳粉這種新型的納米材料得到更快的推廣應(yīng)用，而且還具有顆粒細(xì)小、粒度分布均勻、表面修飾好等性能特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施例方式將陽(yáng)極和陰極均為石墨的電極10塊，分為5組，按正負(fù)極排列放入裝有電解液的反應(yīng)槽中，反應(yīng)槽采用絕緣材料制作，一般用聚乙烯、聚苯乙烯等材料通過(guò)注塑成型，反應(yīng)槽的大小根據(jù)電極的大小確定，并在電極周?chē)舫?cm的間隙用于反應(yīng)過(guò)程中攪拌；電解液采用1/4原來(lái)的納米碳溶膠作為母液，加3/4的水配制而成，用于配制電解液的水中Ca離子的含量小于8mg/L，K、Na、Mg離子的含量小于1.5mg/L，F(xiàn)e、Ni、Cr離子的含量小于1.0mg/L，這樣配制的電解液基本不含其他雜質(zhì)，對(duì)第一次生產(chǎn)，即沒(méi)有原來(lái)的納米碳溶膠時(shí)，用于生產(chǎn)堿性納米碳溶膠的電解液也可用氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鉀、氯化鈉與水配制而成，各物質(zhì)的總量不超過(guò)電解液重量的1％，氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鉀、氯化鈉可單獨(dú)加入，也可混合加入；用于生產(chǎn)酸性納米碳溶膠的電解液也可用硫酸、鹽酸、硝酸、氯化鈉與水配制而成，硫酸、鹽酸、硝酸、氯化鈉可單獨(dú)加入，也可混合加入，以混合加入較好，加入的總量不超過(guò)電解液重量的5％；用于生產(chǎn)中性納米碳溶膠的電解液也可用氯化鉀、氯化鈉、少量的氫氧化鈉或氫氧化鉀與水配制而成，氯化鉀、氯化鈉、氫氧化鈉或氫氧化鉀可單獨(dú)加入，也可混合加入，加入的總量不超過(guò)電解液重量的1％。石墨的純度在98％以上，電極的厚度為6cm，每組電極間采用并聯(lián)，正、負(fù)電極之間用3mm的絕緣帶孔板或絕緣帶孔網(wǎng)隔開(kāi)，然后向電極中通入高頻交流脈沖電流，電流的頻率控制在10～70KHZ，電壓控制在3～1 5V，電流密度按電極表面積計(jì)算控制在0.5～4A/cm2，進(jìn)行氧化反應(yīng)，每隔7小時(shí)攪拌一次，當(dāng)電極厚度小于1cm時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換電極，攪拌器可用聚乙烯、聚苯乙烯等材料制作的葉片或攪拌盤(pán)直接安裝在反應(yīng)槽的兩邊，也可以用電機(jī)帶動(dòng)長(zhǎng)桿葉片在攪拌時(shí)插入反應(yīng)槽周?chē)M(jìn)行攪拌，在反應(yīng)過(guò)程中檢測(cè)反應(yīng)槽內(nèi)石墨碳濃度，納米碳的濃度越高，所需的時(shí)間越長(zhǎng)，最經(jīng)濟(jì)的情況是納米碳的濃度為0.5～0.6％，達(dá)到該濃度的時(shí)間約為5～8天，因此，反應(yīng)5～8天后即可結(jié)束反應(yīng)，槽中溶液即為納米石墨碳溶膠。納米碳的濃度測(cè)定一般采用比色法，即先配制0.5％的標(biāo)準(zhǔn)納米碳溶膠溶液，這種標(biāo)準(zhǔn)溶液可用本方法生產(chǎn)的納米碳溶膠配制，方法是取200ml納米碳溶膠經(jīng)化學(xué)法測(cè)定其納米碳濃度，若濃度大于0.5％，則加入純凈水稀釋到0.5％；若濃度小于0.5％，則將溶膠放到80℃的開(kāi)放器皿中進(jìn)行蒸發(fā)，直到濃度達(dá)到0.5％為止。測(cè)定溶膠濃度時(shí)，取20ml標(biāo)準(zhǔn)溶液和等量的待測(cè)溶膠分別放入兩個(gè)100ml的試管中，在每個(gè)試管中加入40ml純凈水，在日光燈下進(jìn)行比色，色淡于標(biāo)準(zhǔn)溶液的，說(shuō)明濃度不足，相差不多或較深色的則達(dá)到要求。這樣的工藝方法生產(chǎn)的納米溶膠的納米碳粒度在20nm左右，若納米碳的粒度需要增大，可取電極電壓或電流的上限值，達(dá)到該濃度的時(shí)間還可減少，若納米碳的粒度需要減小，則應(yīng)取電極電壓或電流的下限值，但達(dá)到該濃度的時(shí)間要增加；反應(yīng)過(guò)程中要注意反應(yīng)槽的溫度，應(yīng)控制在60℃以下。
上述中的電極也可將陽(yáng)極采用石墨而陰極采用不銹鋼、鎳板等惰性材料。
權(quán)利要求
1.一種納米碳溶膠的制備方法，其特征在于將電極按正負(fù)極排列放入裝有電解液的反應(yīng)槽中，每組電極間采用并聯(lián)，正、負(fù)電極之間用絕緣帶孔板或絕緣帶孔網(wǎng)隔開(kāi)，然后向電極中通入高頻交流脈沖電流，電流的頻率控制在10～70KHZ，電壓控制在3～15V，電流密度控制在0.5～4A/cm2的條件下進(jìn)行反應(yīng)，控制溫度在60℃以下，每隔6～8小時(shí)攪拌一次，5～8天后，結(jié)束反應(yīng)，槽中溶液即為納米石墨碳溶膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳溶膠的制備方法，其特征在于電極的陽(yáng)極和陰極均為石墨，石墨的純度在98％以上，電極的厚度為4～8cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳溶膠的制備方法，其特征在于電極的陽(yáng)極為石墨，陰極也可為惰性材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米碳溶膠的制備方法，其特征在于惰性材料為不銹鋼或鎳板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳溶膠的制備方法，其特征在于電解液可采用1/4的納米碳溶膠作為母液，加3/4的水配制而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳溶膠的制備方法，其特征在于電解液也可采用總量不超過(guò)電解液重量1％的氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鉀、氯化鈉與水配制而成，氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鉀、氯化鈉可單獨(dú)加入，也可混合加入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳溶膠的制備方法，其特征在于電解液也可采用總量不超過(guò)電解液重量5％的硫酸、鹽酸、硝酸、氯化鈉與水配制而成，硫酸、鹽酸、硝酸、氯化鈉可單獨(dú)加入，也可混合加入。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳溶膠的制備方法，其特征在于電解液還可采用總量不超過(guò)電解液重量1％的氯化鉀、氯化鈉氫氧化鈉或氫氧化鉀與水配制而成，氯化鉀、氯化鈉、氫氧化鈉或氫氧化鉀可單獨(dú)加入，也可混合加入。
9.根據(jù)權(quán)利要求5、6、7或8所述的納米碳溶膠的制備方法，其特征在于用于配制電解液的水中Ca離子的含量小于8mg/L，K、Na、Mg離子的含量小于1.5mg/L，F(xiàn)e、Ni、Cr離子的含量小于1.0mg/L。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種納米碳溶膠的制備方法，它將電極按正負(fù)極排列放入裝有電解液的反應(yīng)槽中，每組電極間采用并聯(lián)，正、負(fù)電極之間用絕緣帶孔板或絕緣帶孔網(wǎng)隔開(kāi)，然后向電極中通入高頻交流脈沖電流，電流的頻率控制在10～70KHZ，電壓控制在3～15V，電流密度控制在0.5～4A/cm
文檔編號(hào)C01B31/00GK1837037SQ200610200360
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月17日
發(fā)明者吳翔, 孟國(guó)軍, 張錫江 申請(qǐng)人:中國(guó)江南航天工業(yè)集團(tuán)江南工業(yè)貿(mào)易公司