一種新型碳納米管複合水凝膠及其製備方法與流程

2023-12-05 10:35:36

本發明涉及一種水凝膠的製備方法，尤其涉及到一種新型碳納米管複合水凝膠及其製備方法，屬於環保技術領域。

技術背景

近年來，隨著碳納米管的製備與研究的深入、其特殊的比表面積、催化性能、導電性能等的發現，使碳納米管在儲氫領域、吸波材料領域、催化劑領域、電容器、電容器領域、導電陶瓷領域具有廣泛的應用前景。但碳納米管極易團聚，一定程度上影響其性能，而活性碳納米管比表面積有所提高、孔徑分布變寬，拓寬了碳納米管的應用廣度和深度。

因多數天然高分子吸水性、保水性較好，天然高分子改性水凝膠在各個領域得到了廣泛應用。殼聚糖便是其中之一，殼聚糖是由自然界廣泛存在的幾丁質經過脫乙醯作用得到的，在醫藥、食品、化工、化妝品、水處理、金屬提取及回收、生化和生物醫學工程等諸多領域的應用研究取得了重大進展。羧甲基殼聚糖是殼聚糖在鹼性條件下與氯乙酸反應製得的一種水溶性殼聚糖衍生物，因為羧基的引入，改善了其在水中的溶解性。此外，引入的羧基可以與溶液中的金屬離子配位，吸附溶液中的金屬離子，從而達到淨化汙水的目的。

水凝膠因其獨特的三維網狀結構、較高的吸附量、較好的吸附速率、良好的可再生性在金屬離子吸附領域引起了人們的廣泛關注。水凝膠及其複合水凝膠的應用越來越廣泛。

中國專利號CN201210332089.2公開了一種具有互穿聚合物網絡結構的金屬離子印跡水凝膠吸附材料及其製備方法，將丙烯酸類單體、丙烯酸類交聯劑和自由基引發劑，和乙烯醚類交聯劑、陽離子引發劑，和金屬鹽溶解在 溶劑中混合均勻後，注入模具，經一步紫外光輻照固化5分鐘～1小時，將所得材料在鹽酸溶液中抽提，去除模板離子，得到金屬離子印跡水凝膠吸附材料。該發明具有優異的力學性能、較高的吸附容量以及較強的選擇吸附性。

技術實現要素：

為克服現有技術存在的缺點與不足，本發明的首要目的旨在提供一種新型碳納米管複合水凝膠及其製備方法。

本發明的一種新型碳納米管複合水凝膠，其特徵在於，成分為多糖/陰離子多糖-聚多巴胺-活性碳納米管複合水凝膠，其中聚多巴胺-碳納米管的介入提高了水凝膠的穩定性，而且提高了水凝膠的吸附能力。吸附能力的提高在於聚多巴胺提供大量接觸金屬離子和有機汙染物的靜電相互作用的活性位點，可與金屬離子形成穩定螯合物；碳納米管比表面積較大，其表面的孔為金屬離子等提供空間；多糖/陰離子型多糖，例如羧甲基殼聚糖也可與金屬離子緊密結合，不容易發生脫吸附行為。

本發明的一種新型碳納米管複合水凝膠微觀結構如圖1所示。

本發明的一種新型碳納米管複合水凝膠，其製備方法如下：

a)聚多巴胺改性碳納米管分散液的製備：將碳納米管/活性碳納米管加入水中超聲分散配製成0.5mg/mL～1.0g/mL的碳納米管/活性碳納米管分散液，將0.5mg/mL～0.8mg/mL多巴胺溶解與之混合，用鹼或緩衝液調節體系pH至8.0左右，攪拌加熱溶液至50～70℃反應6～8h，冷卻得聚多巴胺改性碳納米管分散液。

b)複合水凝膠的製備：稱取8～10份多糖或陰離子型多糖，在80～100℃攪拌至混勻溶解，取30～50份a的聚多巴胺改性碳納米管分散液，超聲分散均勻，用注射器將混合液逐滴滴加至3％氯化鈣-飽和硼酸水溶液之中，交聯 成直徑為1～5mm的複合水凝膠。

所述碳納米管/活性碳納米管為購買的、實驗室或生產中合成獲得，所述實驗室或生產中合成碳納米管方法為電弧法、雷射蒸發法、化學氣相沉積法、金屬材料原位合成法、熱解聚合法、火焰法、電解法、離子輻射發、太陽能法中的一種或兩種以上；所述實驗室或生產中合成活性碳納米管為用鹼性活化劑處理或酸性活化劑處理獲得，其中所述鹼性活化劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氯化鋅、碳酸鉀中的一種或兩種以上；所述酸性活化劑為硝酸、磷酸、硫酸、草酸、亞硝酸酒石酸、亞硫酸、丙酮酸中的一種或兩種以上；

所述的多糖或陰離子型多糖為澱粉、纖維素、糖原、殼聚糖、瓊脂、羧甲基纖維素、羧甲基澱粉、羧甲基殼聚糖、海藻酸鈉中的一種或兩種以上，優選為殼聚糖、羧甲基殼聚糖、海藻酸鈉中的一種或兩種；

所述鹼或緩衝液調節體系為氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、氨水、四硼酸鈉緩衝液、碳酸鈉-碳酸氫鈉緩衝液、硼砂-碳酸鈉緩衝液、磷酸鹽緩衝液。

本發明的一種新型碳納米管複合水凝膠，其形成機理如圖2所示：首先多巴胺在pH至8.0左右、50～70攝氏度發生聚合，同時與碳納米管交織開來形成均勻分散液，然後聚多巴胺的氨基配位點、羧甲基殼聚糖羧基與鈣離子配位，形成三維網狀結構超分子複合水凝膠。

附圖說明

圖1為本發明的一種新型碳納米管複合水凝膠微觀結構圖，其中1為碳納米管，2為聚多巴胺，3為羧甲基殼聚糖，4為Ca2+。

圖2為本發明的一種新型碳納米管複合水凝膠的形成機理示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本申請作進一步的詳細說明。可以理解的是，此 處所描述的具體實施例僅僅用於解釋相關發明，而非對該發明的限定。

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

實施例1

一種新型碳納米管複合水凝膠，其製備方法如下：

a)聚多巴胺改性碳納米管分散液的製備：將碳納米管加入水中超聲分散配製成1.0g/mL的碳納米管分散液，將0.7mg/mL多巴胺溶解與之混合，用碳酸鈉-碳酸氫鈉緩衝液調節體系pH至8.0左右，攪拌加熱溶液至50℃反應8h，冷卻得聚多巴胺改性碳納米管分散液。

b)複合水凝膠的製備：稱取10份羧甲基殼聚糖，80℃攪拌至混勻溶解，取50份a中聚多巴胺改性碳納米管分散液，超聲分散均勻，用注射器將混合液逐滴滴加至3％氯化鈣-飽和硼酸水溶液之中，交聯成直徑為3～4mm的複合水凝膠。

實施例2

一種新型碳納米管複合水凝膠，其製備方法如下：

a)聚多巴胺改性碳納米管分散液的製備：將活性碳納米管加入水中超聲分散配製成0.6g/mL的活性碳納米管分散液，將0.8mg/mL多巴胺溶解與之混合，用硼砂-碳酸鈉緩衝液調節體系pH至8.0左右，攪拌加熱溶液至55℃反應8h，冷卻得聚多巴胺改性碳納米管分散液。

b)複合水凝膠的製備：稱取8份羧甲基纖維素，90℃攪拌至混勻溶解，取30份a中聚多巴胺改性碳納米管分散液，超聲分散均勻，用注射器將混合液逐滴滴加至3％氯化鈣-飽和硼酸水溶液之中，交聯成直徑為2～3mm的複合水凝膠。

實施例3

一種新型碳納米管複合水凝膠，其製備方法如下：

a)聚多巴胺改性碳納米管分散液的製備：將碳納米管加入水中超聲分散配製成1.0g/mL的碳納米管分散液，將0.8mg/mL多巴胺溶解與之混合，用磷酸鹽緩衝液調節體系pH至8.0左右，攪拌加熱溶液至60℃反應7.2h，冷卻得聚多巴胺改性碳納米管分散液。

b)複合水凝膠的製備：稱取9份殼聚糖，100℃攪拌至混勻溶解，取35份a中聚多巴胺改性碳納米管分散液，超聲分散均勻，用注射器將混合液逐滴滴加至3％氯化鈣-飽和硼酸水溶液之中，交聯成一定直徑為2.2～4.8複合水凝膠。

以上描述僅為本申請的較佳實施例以及對所運用技術原理的說明。本領域技術人員應當理解，本申請中所涉及的發明範圍，並不限於上述技術特徵的特定組合而成的技術方案，同時也應涵蓋在不脫離所述發明構思的情況下，由上述技術特徵或其等同特徵進行任意組合而形成的其它技術方案。例如上述特徵與本申請中公開的(但不限於)具有類似功能的技術特徵進行互相替換而形成的技術方案。