專利名稱：納米混合物的分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合物的分離方法，特別涉及納米混合物的分離方法。
背景技術(shù)：
由于納米材料的潛在用途，引起國(guó)際化學(xué)、物理、材料學(xué)界的極大關(guān)注，人們不斷從各個(gè)方面探索其合成方法。碳納米管等納米材料的制備方法，通常使用化學(xué)氣相沉積、電弧放電、激光蒸發(fā)等，然而，納米產(chǎn)物的純度仍為當(dāng)前技術(shù)的瓶頸。
碳納米管經(jīng)常與納米碳顆粒、石墨碎片混合在一起，用過(guò)濾、色層分離、超聲波等常規(guī)方法很難將碳納米管與其它形式碳相分離。純化碳納米管的方法按兩條途徑來(lái)進(jìn)行。一條途徑是改變合成條件，使碳納米管增加到可分離的程度。另一條途徑是采用合適的氧化劑將附著在碳納米管周?chē)奶技{米顆粒氧化除掉，只剩下碳納米管。但是，無(wú)論如何改變合成條件，碳納米顆粒仍或多或少存在。
第二種途徑是利用氧化劑對(duì)碳納米管與碳納米顆粒的氧化速率不一致來(lái)完成。碳納米管主要由六邊形排列的碳原子構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)和石墨的結(jié)構(gòu)完全一致，因此碳納米管可看作石墨層在空間卷曲而成。除六邊形外，五邊形和七邊形在碳納米管生長(zhǎng)中扮演重要的角色。碳納米管的六邊形逐漸延伸過(guò)程出現(xiàn)五邊形時(shí)，如五邊形正好出現(xiàn)在碳納米管頂端成為碳納米管的封口。碳納米管周?chē)掣降奶技{米顆粒和封口有相似的幾何形狀。六元環(huán)和五元環(huán)、七元環(huán)相比，無(wú)懸掛鍵，因此比較穩(wěn)定。在氧化劑存在的條件下，有較多懸掛鍵的五元環(huán)、七元環(huán)優(yōu)先被氧化，即碳納米顆粒被優(yōu)先氧化。精確控制反應(yīng)時(shí)間和氧化劑用量，可使碳納米管顆粒被氧化掉而只剩下碳納米管。《材料導(dǎo)報(bào)》，1999年6月，第13卷，第3期，介紹了幾種多層碳納米管的純化方法，分別為氧氣氧化法、二氧化碳氧化法、硝酸氧化法、混酸氧化法、重鉻酸鉀氧化法、固體氧化劑法以及電化學(xué)氧化法等。但是，該方法只可對(duì)單一納米材料如多壁碳納米管進(jìn)行純化，無(wú)法用于幾種納米材料混合物的分離。
中國(guó)專利申請(qǐng)第200410052539.8號(hào)公開(kāi)了一種純化納米材料的過(guò)濾裝置及方法。該過(guò)濾裝置使用納米級(jí)過(guò)濾膜過(guò)濾純化納米材料，其密封性好，并配合抽氣減壓過(guò)程，具有較高的過(guò)濾效率；此外，該過(guò)濾裝置拆裝方便，可更換不同孔徑的納米過(guò)濾膜，而得到不同尺寸的產(chǎn)品。但是，過(guò)濾法純化出產(chǎn)品的純度受過(guò)濾膜的限制，其用于分離不同尺寸范圍內(nèi)的微粒，且一次只能分離一種微粒；對(duì)于分離同一尺寸范圍內(nèi)的多種微粒，采用過(guò)濾法則不能實(shí)現(xiàn)。
中國(guó)專利第97105169.0號(hào)公開(kāi)了一種荷電粒子的電泳分離設(shè)備。該分離設(shè)備包括層析支撐材料、電泳電極、進(jìn)料器、收集器等，應(yīng)用電泳電場(chǎng)和荷電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲而最終通過(guò)樣品收集器將物質(zhì)分離。該分離設(shè)備處理對(duì)象為荷電粒子，且用于一般工業(yè)分離及污水處理，未涉及到對(duì)納米級(jí)材料的分離。
因此，納米材料混合物的分離提純技術(shù)尚有發(fā)展的空間。

發(fā)明內(nèi)容以下將以實(shí)施例說(shuō)明納米混合物的分離方法。
為實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，提供納米混合物的分離方法包括以下步驟使納米混合物進(jìn)行表面改性；經(jīng)電泳將表面改性后的納米混合物進(jìn)行分離。
該表面改性，是在納米混合物表面包覆表面活性劑或接枝上官能基。
該納米混合物表面改性之前，預(yù)先對(duì)其進(jìn)行初步純化。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本技術(shù)方案的分離方法優(yōu)點(diǎn)在于首先，可對(duì)由兩種或兩種以上納米材料所組成的混合物進(jìn)行一次性分離；其次，通過(guò)表面改性使不帶電的納米混合物利用電泳法進(jìn)行分離；再次，電泳法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的一般分離方法，所得產(chǎn)品純度較高。

圖1是本實(shí)施例納米混合物的分離方法流程圖。
圖2是本實(shí)施例分離納米混合物的電泳裝置示意圖。
具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)納米混合物的分離方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本實(shí)施例的納米混合物的分離方法流程圖，該方法包括以下步驟
步驟1，對(duì)待分離的納米混合物進(jìn)行初步提純。這里待分離的納米混合物以電弧放電法制備的納米混合物為例，其成分包括單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳納米球、碳纖維以及無(wú)定型碳等。該初步提純的目的是除去電弧放電產(chǎn)品中的無(wú)定型碳等雜質(zhì)，通常采用酸洗法。本實(shí)施例所用酸為硫酸和硝酸的混合液。
將硫酸和硝酸以體積比3∶1配置成混酸，并倒入裝有待提純的納米混合物的容器中；利用超音波震動(dòng)該容器，使得混酸和納米混合物充分接觸，無(wú)定型碳等雜質(zhì)將被混酸完全溶解；過(guò)濾除去雜質(zhì)；利用清水多次清洗納米混合物，除去殘留酸液。
步驟2，對(duì)納米混合物進(jìn)行表面改性。其目的是使納米材料帶上電荷或產(chǎn)生極性以使其在電場(chǎng)中發(fā)生電泳。
該表面改性過(guò)程可通過(guò)在納米材料表面包覆表面活性劑，如使用陽(yáng)離子型表面活性劑(如四級(jí)銨鹽)或陰離子型表面活性劑(如磺酸鹽)來(lái)實(shí)現(xiàn)；或使納米材料接上官能基，如使用非離子型表面活性劑(聚乙二醇)及兩性型表面活性劑(如氨基酸)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
通常情況下，納米材料包覆表面活性劑后所帶電性與所包覆的表面活性劑的種類相對(duì)應(yīng)。例如，包覆陽(yáng)離子型表面活性劑，微粒便帶正電，包覆陰離子型表面活性劑，微粒便帶負(fù)電。納米材料接枝上官能基后，其會(huì)具有極性，在電場(chǎng)中可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
表面改性的具體過(guò)程為向酸洗后的納米混合物中加入適量水和表面活性劑，在一定溫度下配合超音波震動(dòng)，使納米混合物與表面活性劑充分接觸，此時(shí)，單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳納米球、碳纖維表面均包覆上表面活性劑離子或接枝上官能基，如此，上述各納米微粒因被帶電粒子包覆或因接枝上官能基而具有極性，兩種情況下該納米材料均可看作帶電粒子。
本實(shí)施例所用表面活性劑為十二烷基磺酸鈉，其為一陰離子型表面活性劑，利用該表面活性劑對(duì)上述單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳納米球、碳纖維的混合物表面改性后，該四種微粒均被十二烷基磺酸根負(fù)離子所包覆，可看作其帶有負(fù)電荷。
步驟3，利用電泳法對(duì)納米混合物進(jìn)行分離。電泳，是指帶電顆粒在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移的過(guò)程。電泳技術(shù)，即利用電場(chǎng)的作用，由于待分離樣品中各種分子帶電性質(zhì)及分子本身大小、形狀等性質(zhì)的差異，使帶電分子產(chǎn)生不同的遷移速度，從而對(duì)樣品進(jìn)行分離、鑒定或提純的技術(shù)。
將經(jīng)步驟3表面改性后的納米混合物放入一電泳裝置中進(jìn)行分離，如圖2所示，該電泳裝置為一水平放置的圓柱型電泳箱10，其具有左、右圓形底面及側(cè)面。該電泳箱10的左底面設(shè)有負(fù)極11，右底面設(shè)有正極12，負(fù)極和正極通過(guò)一電源20連接。上下側(cè)面之間可施加一外加均勻電場(chǎng)13，該電場(chǎng)13為垂直方向且由下表面指向上表面，其電場(chǎng)強(qiáng)度小于負(fù)極11和正極12之間所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。
電泳箱10的上表面的左端設(shè)有一加料口14，下表面開(kāi)設(shè)有多個(gè)收集口分別和收集器15、16、17、18相連通，分別用于收集碳纖維、多壁碳納米管、單壁碳納米管、碳納米球。由于帶電微粒的泳動(dòng)速度和其自身體積有關(guān)，體積小的微粒泳動(dòng)速度較快，體積大的微粒泳動(dòng)速度較慢，同一時(shí)間內(nèi)該四種微粒所發(fā)生的位移大小不同，其位移從遠(yuǎn)到近依次為碳納米球，單壁碳納米管，多壁碳納米管，碳纖維。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，四種微粒彼此間會(huì)發(fā)生一定間距，將收集器15、16、17、18分別設(shè)在碳纖維、多壁碳納米管、單壁碳納米管、碳納米球所泳動(dòng)的位置處，以達(dá)到對(duì)其進(jìn)行分別收集。
分離時(shí)，將步驟3包覆十二烷基磺酸根負(fù)離子的納米混合物溶液從加料口14加入電泳箱10中，在負(fù)極11和正極12所形成的水平方向電場(chǎng)和垂直方向電場(chǎng)13的共同作用下，上述帶電微粒發(fā)生曲線泳動(dòng)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，碳纖維、多壁碳納米管、單壁碳納米管、碳納米球分別依次運(yùn)動(dòng)到收集器15、16、17、18中而被收集。
步驟4，還原處理收集到的納米材料。由于收集器15、16、17、18中的碳纖維、多壁碳納米管、單壁碳納米管、碳納米球表面均包覆有十二烷基磺酸根負(fù)離子，可通過(guò)加熱使十二烷基磺酸根負(fù)離子和納米材料相分離，從而納米材料得以還原。若表面改性采用接枝官能基方式，也可通過(guò)加熱去除納米材料所接枝上的官能基，使其得以還原。
本技術(shù)方案的納米混合物的分離方法與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其優(yōu)點(diǎn)在于首先，可對(duì)由兩種或兩種以上納米材料所組成的混合物進(jìn)行一次性分離；其次，通過(guò)表面改性使不帶電的納米混合物可利用電泳法分離；再次，電泳法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中一般分離方法，所得產(chǎn)品純度較高。
權(quán)利要求
1.一種納米混合物的分離方法，其包括以下步驟對(duì)納米混合物進(jìn)行表面改性，使其帶上電荷或產(chǎn)生極性；提供一電泳裝置，其包括一電泳箱體，其內(nèi)部設(shè)有電場(chǎng)，一收集器和該電泳箱體相連通；將上述納米混合物放入該電泳箱體中，通電；在收集器中收集各表面改性的納米材料。
2.如權(quán)利要求1所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述納米混合物為單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳納米球及碳纖維的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述表面改性之前對(duì)納米混合物進(jìn)行初步純化。
4.如權(quán)利要求3所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，該初步純化包括酸洗。
5.如權(quán)利要求4所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，該酸洗過(guò)程包括以下步驟硝酸和硫酸按體積比3∶1配置成混合酸液；使該混合酸液和待分離的納米混合物充分混合；將溶于混合酸液中的雜質(zhì)過(guò)濾除去；用清水清洗納米混合物中殘留的混合酸液。
6.如權(quán)利要求1所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述的表面改性是在納米混合物表面包覆表面活性劑或接枝上官能基。
7.如權(quán)利要求6所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述的表面活性劑為包括陽(yáng)離子型、陰離子型、非離子型或兩性型。
8.如權(quán)利要求1所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述的分離方法還包括對(duì)分離后各表面改性的納米材料進(jìn)行還原處理。
9.如權(quán)利要求8所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述的還原處理包括加熱。
10.一種納米混合物的分離方法，其包括以下步驟對(duì)納米混合物進(jìn)行表面改性；利用電泳法將表面改性后的納米混合物進(jìn)行分離。
11.如權(quán)利要求10所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述表面改性之前對(duì)納米混合物進(jìn)行初步純化。
12.如權(quán)利要求10所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述的表面改性是在納米混合物表面包覆表面活性劑或接枝上官能基。
13.如權(quán)利要求10所述的納米混合物的分離方法，其特征在于，所述的分離方法還包括對(duì)分離后各表面改性的納米材料進(jìn)行還原處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米混合物的分離方法，其包括以下步驟對(duì)納米混合物進(jìn)行表面改性；利用電泳法將表面改性后的納米混合物進(jìn)行分離。本方法可對(duì)由兩種或兩種以上納米材料所組成的混合物進(jìn)行一次性分離，且待分離的納米混合物可為不帶電的納米材料。
文檔編號(hào)B01D57/02GK1824375SQ20051003332
公開(kāi)日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月24日
發(fā)明者蕭博元 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司