水基浆料和水基碳稳定液的制备方法及水基碳稳定液的用图
【技术领域】
[0001 ]本发明属于碳材料应用技术领域，涉及由碳基材料制备的水基浆料及水基稳定 液;具体涉及一种水基浆料的制备，并提供了一种基于该制备方法制得的水基浆料进一步 制备水基碳稳定液的方法以及制得的水基碳稳定液的用途。
【背景技术】
[0002] 碳在自然界中有很多存在形式，碳化合物是非常丰富的化学物质，碳是生命元素。 其单质也有很多形态如无定型碳、石墨、金刚石等。对碳材的研究可追溯到3000多年以前。 当中国人用碳发明了火药标志着冷兵器时代的结束。同位素的发现使人们可以利用碳同位 素，C14追踪生命年龄。近年人们发现了很多关于碳的同素异形体，如足球烯、纳米碳管、石 墨烯等，同时也发现了这些材料的特异功能，有望在生物学、机械制造、电化学等方面促进 其快速高效发展。但是目前制约人们脚步的已经不是发现材料了，而是怎样将这些材料更 好的应用。
[0003] 阻碍碳材应用的一个主要问题，就是其在水中不能稳定分散的问题。虽然目前通 过对碳材进行表面改性，可以使得碳材具有一定的亲水或亲油性，但所采用的表面活性剂 中多为强酸、强碱、有机溶剂或者是金属表面活性剂;进而，为了增加其稳定性，还需要进一 步添加稳定剂或者悬浮剂等助剂;这些表面改性的方法，均容易破坏碳材本身的性能，进而 阻碍其在生物、医学、电化学等方面的进一步应用。
[0004] 寻找一种能够使碳材在水中稳定分散、同时又能保持碳材本身性能的材料及制备 方法是目前研究的重点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的之一在于，针对上述现有技术中存在的问题，提供一种水基浆料制 备方法，通过该制备方法能够使纳米级微粒的碳材均匀分散到水中，并且稳定存在。
[0006] 本发明的另一目的在于，基于上述制备方法获得的浆料，进一步提供一种水基碳 稳定液的制备方法，通过对水基衆料进一步稀释获得的水基稳定液，碳材在水中能够稳定 分散，同时也避免了各种稳定剂、助悬剂的使用，保持碳材本身性能。
[0007] 本发明的再一目的在于，提供上述方法制备的水基碳稳定液的用途。
[0008] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。
[0009] 本发明提供了一种水基浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010] 步骤一，对选择的炭材进行全碳化处理；
[0011]步骤二，将全碳化处理后的碳材添加到超纯水中，依次经过球磨、砂磨、超声、匀质 等手段获得水基楽料。
[0012] 上述水基衆料的制备方法，步骤一中选择的炭材包括活性炭、炭黑、石墨、纳米碳 管、碳气凝胶、金刚石等。上述活性炭可以选择椰壳炭、竹炭、焦炭、沥青炭等;上述炭黑可以 选择气黑、灯黑、乙炔黑、槽黑、炉黑等;上述石墨可以选择天然石墨、人造石墨等;上述碳气 凝胶可以选择微晶碳等。上述炭材均从市场上购置，其中微晶碳购自巴中市永润农业科技 有限公司。
[0013] 上述水基浆料的制备方法，步骤一中全碳化处理方法为:于压强0.0 lMPa~IMPa的 真空氛围或惰性气氛下，炭材热处理至碳材中的含碳量不低于99 %，即完成全碳化处理;热 处理的温度为不低于碳材中杂质的沸点。本发明中全碳化处理原理是，常见物质的沸点一 般都在2000°C以下，只有极少物质的沸点在3000°C以上，如钨及其合金材料;而碳的沸点远 远超过2000°C，所以通过高温使其它物质气化或者分解气化，再通过气体或抽吸的方法将 其带走，只留下由碳单质构成的碳质材料。上述真空氛围或惰性气氛的目的是提供无氧环 境，惰性气氛可以是氮气气氛、氩气气氛等。基于以上原理，可以针对不同的炭材，选取不同 的热处理温度;若炭材中存在多种杂质时，热处理温度的最低限制为炭材中沸点最低的杂 质的沸点；当热处理的温度较低时，去除的杂质量较少，碳的相应纯度也提高的很少。通过 发明人的大量研究发现，当热处理温度为800°C~3500°C时，碳的纯度可以达到99%以上； 当热处理温度达到2000°C及以上时，部分炭材中碳含量可以达到99%以上；当热处理温度 达到3000°C及以上时，炭材中碳含量可以达到99.99%。热处理时间可以随选择的热处理温 度、材料不同而有所区别；一般控制在2h~8h即可。由于没有采用强酸、强碱等化学反应的 方法清除碳材中的杂质，避免了额外引入新的杂质，有效保证了碳材本身的性能。
[0014] 上述水基浆料的制备方法，步骤二中，当全碳化处理后的碳材与超纯水的用量的 重量比控制在1:1~1:100时，可以使水基浆料中碳材固含量保持较高状态，最高可达5 %。 当全碳化处理后的碳材与超纯水的用量比例小于1:1时，会使得到的水基浆料中产生过多 的沉淀而无法得到碳材均匀分散在水中的水基浆料；当全碳化处理后的碳材与超纯水的用 量比例大于1:100时，由于碳材浓度过低，在浆料应用过程中受到一些限制。
[0015] 上述水基浆料的制备方法，步骤二中球磨、砂磨、超声、匀质操作的目的是将碳材 研磨至纳米微粒，并均匀分散在超纯水中。其中，球磨至平均粒径为10微米，最大粒径不超 过50微米，然后进入砂磨环节;砂磨至碳材平均粒径为50纳米，最大粒径不超过150纳米，进 入超声分散环节;超声至使砂磨后的碳材纳米微粒充分分散到水中，减小团聚，然后进入匀 质环节；匀质使超声分散的浆料进一步分散，增加浆料的稳定性。通过上述球磨、砂磨、超 声、匀质等手段的结合，在不添加任何稳定剂或悬浮剂的条件下，就可以获得碳稳定存在的 水基分散液。对于上述球磨、砂磨、超声、匀质的具体条件可以根据选择的设备不同来具体 设置，只要能够达到上述目的即可。本发明中，球磨采用的是行星式球磨机，球磨条件可以 根据碳材和超纯水的用量进行调整;砂磨采用的是常规卧式砂磨机，砂磨的条件同样可以 根据碳材和超纯水的用量进行调整;超声采用的是常规超声波设备，超声条件同样可以根 据碳材和超纯水的用量进行调整;均匀采用的是匀质乳化机，其匀质的条件同样可以根据 碳材和超纯水的用量进行调整。
[0016] 上述水基浆料的制备方法，经过发明人大量研究发现，对于制备水基浆料，碳材优 选为纳米碳管或气凝胶碳，更优选的为微晶碳。全碳处理的微晶碳经过上述制备方法得到 的是整体黑色浆状材料，其碳浓度相比最高，可以达到5%。
[0017] 本发明基于上述水基衆料的制备方法，进一步提供了 一种水基碳稳定液的制备方 法，对上述制备方法得到的水基衆料进行稀释至碳浓度为5ppm~0.5%，即得到水基碳稳定 液。本发明中，利用超纯水对水基浆料进行稀释。
[0018] 上述水基碳稳定液的制备方法，通过在高速离心和温度两种稳定性测试，水基碳 稳定液中碳浓度优选为5ppm~50ppm，进一步优选为5ppm~lOppm。且通过上述稳定性测试， 发明人发现水基碳稳定液可以在1000转/分~15000转/分离心状态下或者在-20°C~150°C 温度范围内稳定存在;特别是在1000转/分~5000转/分离心状态下或者在50°C~120°C温 度范围内很好的稳定存在。
[0019] 本发明进一步提供了由上述方法制备的水基碳稳定液在生物医药、电池隔膜制 造、隐形涂料制造、日化产品制造中的应用。由于本发明制备的水基碳稳定液为浆状且具有 很好的稳定性能，很好的解决了碳材稳定分散在水中的问题，同时因为不添加任何稳定剂 或助悬剂等助剂，更好的保持了碳材本身的性能，为碳材的应用提供了基础保证。此外，由 于本发明制备的水基碳稳定液具有很好的成膜性，可以作为电池隔膜浆料、隐形涂料的功 能填料;实验表明，本发明制备的水基碳稳定液对于大肠杆菌杀灭率尚达99.9%，具有很好 的杀菌效果，可以作为生物医药中具有抗菌、抗癌药物的功能原料；由于碳纳米颗粒本身具 有很大的比表面积，具有潜在的吸附能力，且没有毒副作用，可以作为日化用品的清洁填 料，为碳材的应用提供了更加广阔的发展空间。
[0020] 本发明提供的水基浆料的制备方法，具有至少以下一项有益效果：
[0021] (1)通过控制温度、压强，利用高温使炭材中的杂质气化或气化分解，快速高效去 除炭材中的杂质，使碳的纯度可以提高至99.99%，工艺简单、操作方便、成本低，避免了化 学除杂方法的工艺复杂性，同时也避免了强酸、强碱等其他化学物质的加入对碳材性能的 影响，有效保证了碳材本身的性能；
[0022] (2)依次经过球磨、砂磨、超声、匀质等手段的结合，可以将碳材尺寸控制在纳米量 级，从而使碳材稳定分在水中；并避免了使用任何稳定剂或助悬剂，进一步保证了碳材本身 的性能；
[0023] (3)所制备的水基浆料中碳含量可以高达5%，为进一步制备多种浓度的水基碳稳 定液提供了基础。
[0024] 本发明提供的水基碳稳定液的制备方法，具有以下至少一项有益效果：
[0025] (1)是发明人经过大量研究，研制的一种碳材的水基分散法;通过该制备方法获得 的水基碳稳定液，碳在稳定液中的浓度可以达到5ppm~0.5%，为水基碳稳定液的广泛应用