一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法

1.本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法。


背景技术：

2.纳米粒子有很多独特的性质，比如光、电、磁等性质，一直以来都是研究者们的重点关注领域。将纳米粒子制备成宏观材料，可以集成纳米粒子本身的性质和其组装体的特性，可为宏观材料带来一些新的独特性质，但是其有效制备一直以来是一种挑战。碳点具有制备简单、原料来源广泛、成本低廉、光稳定性好、表面易功能化、无毒和生物相容性好等优点，受到人们广泛关注，在生物、光电、传感、能源、激光等许多领域均有着极佳的应用前景。近年来，研究者们尝试将碳点与宏观材料相结合，将碳点的优势赋予宏观材料，已经成功制备了碳点复合有机无机凝胶、碳点复合膜材料和碳点复合玻璃等材料。这些碳点复合宏观材料受益于碳点优异的性质，在传感、药物传递、生物成像、超级电容器和环境保护等方面有着很好的应用潜力。
3.目前，碳点基宏观材料主要是复合材料，易存在相分离、制备繁琐、产量低、缺乏可调性和可逆性，不能充分发挥碳点的优势，限制了碳点宏观材料的实际应用，为此我们提出一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，旨在解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
7.s1：将110～2200mg表面富含羟基的碳点与脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于10～200ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入月桂酸二丁基锡催化剂，通氮气，加热反应后，分别用氯仿和水提纯，得到的固体在水中渗析后，冷冻干燥得到不同upy修饰量的碳点固体，通过元素分析对upy的修饰量进行定量；
8.s2：称取100～1000mgupy修饰的碳点，将其加热溶解于2～20ml二甲基亚砜中，配制50～100mg/mlupy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，将溶液铺满在基底的表面，加热挥发后，将碳点薄膜从基底上揭下，得到功能基团修饰的碳点薄膜；
9.s3：将从基底上揭下的薄膜，称重m1，浸入不同有机溶剂中24-72h，取出后用滤纸吸干表面溶剂，称重m2，60℃加热24h后称重m3；
10.s4：将从基底上揭下的碳点薄膜，裁成若干长条形浸入水中，5min后取出，固定在模具上，室温干燥后，得到具有不同形状的塑料薄膜材料。
11.进一步的，所述s1中，脲基嘧啶酮异氰酸酯的量为37.5～1800mg。
12.进一步的，所述s1中，加热温度为60～120℃，反应时间为5～16h。
13.进一步的，所述s1中，月桂酸二丁基锡催化剂的量为10～400μl。
14.进一步的，所述s1中，碳点表面upy的量在0.89～2.30mmol/g之间进行调节。
15.进一步的，所述s2中，基底为玻璃材质、聚四氟乙烯材质、硅材质、金属材质、聚苯乙烯材质和硅胶材质中的一种。
16.进一步的，所述s2中，加热温度为50～120℃，挥发时间为12～24h。
17.进一步的，所述s3中，有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、乙醚、乙醇、四氢呋喃、乙酸乙酯、正己烷、乙腈、丙酮。
18.进一步的，所述s4中，通过水辅助加工成型，得到的形状为螺旋、圆环、六边环、三角形和正方形中的一种。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.该功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，将表面富含羟基的碳点表面修饰upy基团，提纯冻干后得到新型的碳点构筑基元，并通过调节反应起始的原料之间的投料比，制备得到不同upy修饰量的碳点，将其利用经典的溶剂挥发成膜方法，可以得到完全基于碳点的高强度宏观塑料薄膜材料，薄膜材料的力学性质可以通过构筑基元碳点上upy的修饰量进行调节。这种方法操作简单，成本低，环境友好，可大量制备，且制备的薄膜材料力学性质优异可调，同时具有优异的水辅助室温加工成型能力。
附图说明
21.图1为功能基团修饰的碳点的结构示意图。
22.图2为upy修饰量为1.80mmol/g的碳点的高分辨透射电子显微镜照片。
23.图3为未修饰upy的碳点、upy修饰量为1.26mmol/g和1.80mmol/g的碳点、脲基嘧啶酮异氰酸酯的红外谱图。
24.图4为在370nm激发光激发下的upy修饰量为1.51mmol/g的碳点的光致发光谱图。
25.图5为碳点塑料薄膜的实物图。
26.图6为upy修饰的碳点塑料薄膜的紫外可见光透过谱。
27.图7为upy修饰量为1.51mmol/g塑料薄膜在370nm激发光激发下的光致发光谱图。
28.图8为碳点塑料薄膜的应力应变曲线示意图。
29.图9为碳点塑料薄膜的杨氏模量示意图。
30.图10为碳点塑料薄膜的断裂伸长率示意图。
31.图11为碳点塑料薄膜的断裂强度示意图。
32.图12为水辅助加工成型得到的各种形状薄膜材料示意图。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
35.实施例1
36.作为本发明的一种优选实施例，提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
37.s1：将表面羟基碳点110mg与37.5mg的脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于10ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入10μl二月桂酸二丁基锡催化剂，在氮气氛围下充分搅拌，60℃加热反应10h后，用氯仿和水除去杂质，得到的固体在水中充分渗析，冷冻干燥得到碳点固体，通过元素分析可以对upy的修饰量进行具体定量，碳点表面upy的量是0.89mmol/g；
38.s2：称取250mg不同upy修饰含量的碳点将其加热溶解于5ml二甲基亚砜中，配制50mg/mlupy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，将溶液铺满在直径约为6cm玻璃培养皿的表面，80℃加热挥发12h后，将碳点薄膜从玻璃基底上揭下，得到功能基团修饰的碳点薄膜，通过螺旋测微器对薄膜厚度进行测量，薄膜厚度为100μm；
39.s3：将从基底上揭下的薄膜，称重250mg，浸入甲苯中24h，取出后用滤纸吸干表面溶剂，称重250mg，60℃加热24h后称重250mg。证明薄膜材料在有机溶剂中不溶解和不溶胀；
40.s4：将从基底上揭下的薄膜，裁成5cm*0.5cm长条形浸入水中，五分钟后取出，固定在直径7mm玻璃棒上，室温干燥后，可以得到具有螺旋形状的薄膜材料。
41.在本发明实施例中，优选的，功能基团为upy，所述upy的结构式为：
42.实施例2
43.作为本发明的一种优选实施例，提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
44.s1：将表面羟基碳点330mg与225mg的脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于30ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入60μl二月桂酸二丁基锡催化剂，在氮气氛围下充分搅拌，80℃加热反应6h后，用氯仿和水除去杂质，得到的固体在水中充分渗析，冷冻干燥得到碳点固体，通过元素分析可以对upy的修饰量进行具体定量，碳点表面upy的量是1.26mmol/g；
45.s2：称取500mg不同upy修饰含量的碳点将其加热溶解于10ml二甲基亚砜中，配制50mg/mlupy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，将溶液铺满在直径约为6cm玻璃培养皿的表面，80℃加热挥发24h后，将碳点薄膜从玻璃基底上揭下，得到功能基团修饰的碳点薄膜，通过螺旋测微器对薄膜厚度进行测量，薄膜厚度为200μm；
46.s3：将从基底上揭下的薄膜，称重500mg，浸入乙醚中36h，取出后用滤纸吸干表面溶剂，称重500mg，60℃加热24h后称重500mg。证明薄膜材料在有机溶剂中不溶解和不溶胀；
47.s4：将从基底上揭下的薄膜，裁成5cm*0.5cm长条形浸入水中，五分钟后取出，固定在直径1cm试管上，室温干燥后，可以得到具有圆环形状的薄膜材料。
48.实施例3
49.作为本发明的一种优选实施例，提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
50.s1：将表面羟基碳点660mg与600mg的脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于40ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入70μl二月桂酸二丁基锡催化剂，在氮气氛围下充分搅拌，90℃加热反应5h后，用氯仿和水除去杂质，得到的固体在水中充分渗析，冷冻干燥得到碳点固体，通过元素分析可以对upy的修饰量进行具体定量，碳点表面upy的量是1.51mmol/g；
51.s2：称取200mg不同upy修饰含量的碳点将其加热溶解于4ml二甲基亚砜中，配制50mg/mlupy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，将溶液铺满在2*2cm的硅胶模具表面，80℃加热挥
发24h后，将碳点薄膜从硅胶基底上揭下，得到功能基团修饰的碳点薄膜，通过螺旋测微器对薄膜厚度进行测量，薄膜厚度为350μm；
52.s3：将从基底上揭下的薄膜，称重200mg，浸入丙酮中24h，取出后用滤纸吸干表面溶剂，称重200mg，60℃加热24h后称重200mg。证明薄膜材料在有机溶剂中不溶解和不溶胀。
53.实施例4
54.作为本发明的一种优选实施例，提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
55.s1：将表面羟基碳点770mg与1050mg的脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于60ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入80μl二月桂酸二丁基锡催化剂，在氮气氛围下充分搅拌，80℃加热反应6h后，用氯仿和水除去杂质，得到的固体在水中充分渗析，冷冻干燥得到碳点固体，通过元素分析可以对upy的修饰量进行具体定量，碳点表面upy的量是1.80mmol/g；
56.s2：称取200mg不同upy修饰含量的碳点将其加热溶解于4ml二甲基亚砜中，配制50mg/mlupy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，将溶液铺满在2*2cm的聚四氟乙烯模具表面，120℃加热挥发24h后，将碳点薄膜从聚四氟乙烯基底上揭下，得到功能基团修饰的碳点薄膜，通过螺旋测微器对薄膜厚度进行测量，薄膜厚度为350μm；
57.s3：将从基底上揭下的薄膜，称重200mg，浸入乙腈中24h，取出后用滤纸吸干表面溶剂，称重200mg，60℃加热24h后称重200mg。证明薄膜材料在有机溶剂中不溶解和不溶胀。
58.实施例5
59.作为本发明的一种优选实施例，提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
60.s1：将表面羟基碳点880mg与1200mg的脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于80ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入150μl二月桂酸二丁基锡催化剂，在氮气氛围下充分搅拌，80℃加热反应6h后，用氯仿和水除去杂质，得到的固体在水中充分渗析，冷冻干燥得到碳点固体，通过元素分析可以对upy的修饰量进行具体定量，碳点表面upy的量是1.80mmol/g；
61.s2：称取250mg不同upy修饰含量的碳点将其加热溶解于5ml二甲基亚砜中，配制50mg/mlupy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，将溶液铺满在直径约为6cm玻璃培养皿的表面，80℃加热挥发12h后，将碳点薄膜从玻璃基底上揭下，得到功能基团修饰的碳点薄膜，通过螺旋测微器对薄膜厚度进行测量，薄膜厚度为100μm；
62.s3：将从基底上揭下的薄膜，称重200mg，浸入三氯甲烷中24h，取出后用滤纸吸干表面溶剂，称重200mg，60℃加热24h后称重200mg。证明薄膜材料在有机溶剂中不溶解和不溶胀；
63.s4：将从基底上揭下的薄膜，裁成5cm*0.5cm长条形浸入水中，五分钟后取出，固定在六角螺母上，室温干燥后，可以得到具有六边环形的薄膜材料。
64.实施例6
65.作为本发明的一种优选实施例，提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
66.s1：将表面羟基碳点990mg与1350mg的脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于80ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入150μl二月桂酸二丁基锡催化剂，在氮气氛围下充分搅拌，80℃加热反应6h后，用氯仿和水除去杂质，得到的固体在水中充分渗析，冷冻干燥得到碳点固体，通过
元素分析可以对upy的修饰量进行具体定量，碳点表面upy的量是1.80mmol/g；
67.s2：称取250mg不同upy修饰含量的碳点将其加热溶解于5ml二甲基亚砜中，配制50mg/mlupy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，将溶液铺满在直径约为6cm玻璃培养皿的表面，80℃加热挥发12h后，将碳点薄膜从玻璃基底上揭下，得到功能基团修饰的碳点薄膜，通过螺旋测微器对薄膜厚度进行测量，薄膜厚度为100μm；
68.s3：将从基底上揭下的薄膜，称重250mg，浸入四氢呋喃中72h，取出后用滤纸吸干表面溶剂，称重250mg，60℃加热24h后称重250mg。证明薄膜材料在有机溶剂中不溶解和不溶胀；
69.s4：将从基底上揭下的薄膜，裁成5cm*0.5cm长条形浸入水中，五分钟后取出，固定在立方体上，室温干燥后，可以得到具有正方形形状的薄膜材料。
70.实施例7
71.作为本发明的一种优选实施例，提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
72.s1：将表面羟基碳点1100mg与1500mg的脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于150ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入200μl二月桂酸二丁基锡催化剂，在氮气氛围下充分搅拌，80℃加热反应6h后，用氯仿和水除去杂质，得到的固体在水中充分渗析，冷冻干燥得到碳点固体，通过元素分析可以对upy的修饰量进行具体定量，碳点表面upy的量是1.80mmol/g；
73.s2：将体积50μl，浓度5mg/ml的upy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，滴在1*0.5cm的硅片上，60℃加热挥发12h后，得到功能基团修饰的碳点薄膜，利用扫描电子显微镜对其厚度进行测量，薄膜厚度为10μm。
74.实施例8
75.作为本发明的一种优选实施例，提供一种功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，包括以下步骤：
76.s1：将表面羟基碳点2200mg与3000mg的脲基嘧啶酮异氰酸酯溶解于200ml绝干二甲基亚砜溶剂中，加入400μl二月桂酸二丁基锡催化剂，在氮气氛围下充分搅拌，80℃加热反应6h后，用氯仿和水除去杂质，得到的固体在水中充分渗析，冷冻干燥得到碳点固体，通过元素分析可以对upy的修饰量进行具体定量，碳点表面upy的量是1.80mmol/g；
77.s2：将体积100μl，浓度0.5mg/ml的upy修饰的碳点二甲基亚砜溶液，滴在1*1cm的硅片上，60℃加热挥发12h后，得到功能基团修饰的碳点薄膜，利用扫描电子显微镜对其厚度进行测量，薄膜厚度为2μm。
78.本发明的工作原理是：
79.该功能基团修饰的碳点薄膜的制备方法，将表面富含羟基的碳点表面修饰upy基团，提纯冻干后得到新型的碳点构筑基元，并通过调节反应起始的原料之间的投料比，制备得到不同upy修饰量的碳点，将其利用经典的溶剂挥发成膜方法，可以得到完全基于碳点的高强度宏观塑料薄膜材料，薄膜材料的力学性质可以通过构筑基元碳点上upy的修饰量进行调节。这种方法操作简单，成本低，环境友好，可大量制备，且制备的薄膜材料力学性质优异可调，具有水辅助加工成型的环境友好特点。
80.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为性本发明的保护范
围，这些均不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。