一種核殼型磁性碳微球的快速制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種核殼型磁性碳微球的快速制備方法，屬碳材料制備及應(yīng)用的技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳微球，簡(jiǎn)稱CMSs，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如熱穩(wěn)定性好， 化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。
[0003] 碳微球的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積法、電弧放電法、模板法、固相熱解法、離 子束共濺射法和水熱合成法；水熱合成法需要的溫度和壓力較低，條件相對(duì)溫和，并且碳源 來(lái)源廣泛、制備成本低、產(chǎn)物純度高、合成過(guò)程簡(jiǎn)單、安全無(wú)毒、綠色環(huán)保，是一種優(yōu)越的合 成方法；以葡萄糖為碳源，通過(guò)水熱合成法可以制備單分散的碳微球，利用葡萄糖水熱碳化 成球的特點(diǎn)，可將金屬粒子包覆于碳微球內(nèi)部，形成核殼結(jié)構(gòu)；通過(guò)分步合成可制備具有核 殼結(jié)構(gòu)的磁性碳微球，但在合成前需要對(duì)磁性納米粒子進(jìn)行表面改性，增加了制備過(guò)程的 復(fù)雜性和難度；以磁性材料為核制備復(fù)合材料可賦予復(fù)合材料磁響應(yīng)性，通過(guò)外加磁場(chǎng)作 用可實(shí)現(xiàn)迅速分離，被廣泛用作分離材料和載體，在生物醫(yī)學(xué)、細(xì)胞學(xué)和分離工程領(lǐng)域具有 很好的應(yīng)用價(jià)值；水熱合成法制備的磁性碳微球是在水熱反應(yīng)過(guò)程中將磁性粒子包覆于碳 層內(nèi)，這樣既可以阻止磁性顆粒之間的團(tuán)聚，還可保護(hù)金屬顆粒免受外部環(huán)境影響，磁性碳 微球表面含有含氧官能團(tuán)，可以與其他離子相互作用制成復(fù)合材料，拓展材料的應(yīng)用范圍。
[0004]目前，磁性碳微球的制備工藝過(guò)程較長(zhǎng)，磁性性能較弱，存在較多弊端，還有待進(jìn) 一步探討研究

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的
[0006] 本發(fā)明的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】的情況，以葡萄糖為碳源、葡萄糖酸亞鐵為鐵源、 十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑，經(jīng)水熱合成，高溫煅燒碳化，快速制成磁性碳微球， 以大幅度提高磁性碳微球的制備速度和產(chǎn)物性能。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] 本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)材料為：葡萄糖、葡萄糖酸亞鐵、十六烷基三甲基溴化銨、 無(wú)水乙醇、去離子水、氮?dú)猓錅?zhǔn)備用量如下：以克、毫升、厘米 3為計(jì)量單位
[0009]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種核殼型磁性碳微球的快速制備方法，其特征在于：使用的化學(xué)物質(zhì)材料為：葡 萄糖、葡萄糖酸亞鐵、十六烷基三甲基溴化銨、無(wú)水乙醇、去離子水、氮?dú)猓錅?zhǔn)備用量如下： 以克、毫升、厘米 3為計(jì)量單位
制備方法如下： (1) 配制葡萄糖水溶液 稱取葡萄糖3. 567g±0. OOlg，量取去離子水30mL±0. lmL，加入燒杯中，攪拌5min，成 0? 6mol/L的葡萄糖水溶液； (2) 配制十六烷基三甲基溴化銨水溶液 稱取十六烷基三甲基溴化銨1. 2g±0. OOlg，量取去離子水30mL±0. lmL，加入燒杯中， 將燒杯置于水浴缸內(nèi)，在恒溫水浴50°C下攪拌lOmin，成0. 1098mol/L的十六烷基三甲基溴 化銨水溶液； (3) 水熱合成制備核殼型碳微球 核殼型碳微球的制備是在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的，是在密閉狀態(tài)下，在加熱爐內(nèi)加熱、水熱合 成過(guò)程中完成的； ① 配料，量取葡萄糖水溶液30mL±0. lmL，十六烷基三甲基溴化銨水溶液 30mL±0. lmL，稱取葡萄糖酸亞鐵0. 3g±0. 001g，加入聚四氟乙烯容器中，攪拌30min，成混 合液； ② 將盛有混合液的聚四氟乙烯容器置于反應(yīng)釜中，并密閉； ③ 將反應(yīng)釜置于加熱爐內(nèi)，并密閉； ④ 開啟加熱爐，加熱溫度170°C ±2°C，加熱時(shí)間12h±10min ; 反應(yīng)釜內(nèi)混合液在加熱過(guò)程中將進(jìn)行水熱合成反應(yīng)，生成核殼型碳包覆鐵的化合物； 水熱合成反應(yīng)方程式如下：
式中：C18H32019Fe@C :核殼型碳包覆鐵的化合物 ⑤ 水熱合成反應(yīng)后，停止加熱，使反應(yīng)釜隨爐冷卻至25°C ; ⑥ 冷卻后，開爐，開釜，取出聚四氟乙烯容器及其內(nèi)的反應(yīng)液； (4) 離心分離 將反應(yīng)液置于離心分離機(jī)的離心分離管內(nèi)，進(jìn)行離心分離，分離轉(zhuǎn)速7000r/min，分離 時(shí)間20min ;分離后留存沉淀物，棄去廢液； (5) 無(wú)水乙醇清洗，離心分離 將沉淀物置于燒杯中，加入無(wú)水乙醇200mL，攪拌清洗20min，成混合液； 將混合液置于離心分離機(jī)的分離管內(nèi)進(jìn)行分離，分離轉(zhuǎn)速7000r/min，分離時(shí)間 20min ； 分離后留存沉淀物，棄去清洗液； (6) 去離子水洗滌，離心分離 將沉淀物置于燒杯中，加入去離子水200mL，攪拌清洗30min，成混合液； 將混合液置于離心分離機(jī)的分離管內(nèi)進(jìn)行分離，分離轉(zhuǎn)速7000r/min，分離時(shí)間 30min ； 分離留單存沉淀物，棄去洗滌液； (7) 真空干燥 將沉淀物置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥溫度50°C，真空度 0. 09MPa，干燥時(shí)間720min，干燥后成核殼型碳微球； (8) 煅燒制備核殼型磁性碳微球 核殼型磁性碳微球的煅燒是在真空煅燒爐內(nèi)進(jìn)行的，是在高溫加熱、氮?dú)獗Ｗo(hù)下完成 的； ① 將核殼型碳微球置于石英容器中，然后置于真空煅燒爐內(nèi)，并密閉； ② 開啟真空煅燒爐真空泵，抽取爐內(nèi)空氣，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)〇. IMPa ; ③ 向真空煅燒爐內(nèi)輸入氮?dú)?，氮?dú)廨斎胨俣萳〇〇cm3/min，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)恒定保持在 0? 5MPa ; ④ 開啟真空煅燒爐內(nèi)加熱器，進(jìn)行加熱煅燒，煅燒溫度800°C ±5°C，煅燒時(shí)間120min ; 煅燒后成核殼型磁性碳微球； 煅燒反應(yīng)式如下：
(9) 研磨、過(guò)篩 將煅燒后的磁性碳微球用瑪瑙研缽、研棒進(jìn)行研磨，然后用600目篩網(wǎng)過(guò)篩，研磨、過(guò) 篩反復(fù)進(jìn)行； 研磨、過(guò)篩后，磁性碳微球粒徑< 600nm ; (10) 檢測(cè)、分析、表征 對(duì)制備的磁性碳微球的形貌、色澤、化學(xué)物理性能進(jìn)行檢測(cè)、分析、表征； 用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行形貌分析； 用X射線衍射儀進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析； 用振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行磁性分析； 結(jié)論：磁性碳微球?yàn)楹谏垠w，顆粒直徑< 600nm，磁性性能為鐵磁性，產(chǎn)物純度98% ; (11)產(chǎn)物儲(chǔ)存 對(duì)制備的磁性碳微球儲(chǔ)存于棕色透明的玻璃容器中，要密閉避光保存，要防潮、防曬、 防酸堿鹽侵蝕，儲(chǔ)存溫度20°C，相對(duì)濕度< 10%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核殼型磁性碳微球的快速制備方法，其特征在于：水熱 合成制備核殼型碳微球是在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的，是在加熱爐內(nèi)加熱、水熱合成過(guò)程中完成的； 加熱爐為立式，在加熱爐1的下部為第一電控箱2,上部為爐蓋3,在加熱爐1內(nèi)底部為第一 工作臺(tái)9,在第一工作臺(tái)9上部置放反應(yīng)釜10,反應(yīng)釜10內(nèi)置放聚四氟乙烯容器12,聚四氟 乙烯容器12內(nèi)為混合液13,并由荃蓋11密閉；在第一電控箱2上設(shè)有第一顯不屏4、第一 指不燈5、第一電源開關(guān)6、第一加熱溫度控制器7、第一加熱時(shí)間控制器8。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核殼型磁性碳微球的快速制備方法，其特征在于：核殼 型磁性碳微球的煅燒是在真空煅燒爐內(nèi)進(jìn)行的，是在高溫加熱、氮?dú)獗Ｗo(hù)下完成的； 真空煅燒爐為立式，在真空煅燒爐21的下部為第二電控箱14 ;在真空煅燒爐21內(nèi)部 為爐腔22,在爐腔22的內(nèi)底部設(shè)有第二工作臺(tái)23,在第二工作臺(tái)23上置放石英容器24,在 石英容器24內(nèi)為核殼型磁性碳微球25,爐腔22內(nèi)由氮?dú)?3充填；在真空煅燒爐21的右 上部設(shè)有出氣管閥26 ;在真空煅燒爐21的左部設(shè)有氮?dú)馄?0,氮?dú)馄?0上部設(shè)有氮?dú)忾y 31、氮?dú)夤?2,并向爐腔22內(nèi)輸入氮?dú)?3 ;在真空煅燒爐21的右下部設(shè)有真空泵27,真空 泵27上部通過(guò)真空閥28、真空管29與爐腔22連通；在第二電控箱14上設(shè)有第二顯示屏 15、第二指示燈16、第二電源開關(guān)17、第二加熱溫度控制器18、第二加熱時(shí)間控制器19、真 空泵控制器20。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種核殼型磁性碳微球的快速制備方法，是針對(duì)碳微球易團(tuán)聚的情況，采用葡萄糖為碳源、葡萄糖酸亞鐵為鐵源、十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑，經(jīng)水熱合成，葡萄糖酸亞鐵生成鐵的化合物，葡萄糖生成碳微球，并包覆鐵核，形成核殼型碳微球結(jié)構(gòu)，經(jīng)高溫煅燒，制成Fe3O4為核的磁性碳微球，此制備方法工藝先進(jìn)、快捷，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確翔實(shí)，磁性碳微球粒徑≤600nm，產(chǎn)物純度達(dá)98%，磁性性能為鐵磁性，可在多種工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，是十分理想的磁性碳微球的快速制備方法。
【IPC分類】H01F41-02, B01J13-02
【公開號(hào)】CN104576027
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410842124
【發(fā)明人】郭興梅, 劉海星, 邱麗, 李萬(wàn)捷
【申請(qǐng)人】太原理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日