一种聚合物颗粒材料、碳颗粒材料及其制备方法

本发明属于聚合物颗粒制备，具体涉及一种聚合物颗粒材料、碳颗粒材料及其制备方法。

背景技术：

1、尺寸均匀且颗粒分散的聚合物和碳颗粒材料具有比表面积大、表面易修饰、尺寸均匀可调、分散性好、吸附性强等特点，在色谱分离、涂料、吸附、传感、生物医疗、电子显示、多相催化、电催化、能量储存和转化等领域有着广泛的应用前景。特别是在高性能色谱填料和平板显示间隔物颗粒方面，制备技术壁垒较高，长期依赖进口，目前我国正在加快推进国产化速度。

2、在生物制药领域，由于生物分子稳定性差、杂质多、境敏感度高，其分离纯化的技术难度较大，往往是生产环节的主要瓶颈和成本所在。色谱填料是分离纯化的核心，是决定药物分离纯化效率和产品质量的关键因素。此外，色谱柱是药物质量检测及实验室分离分析最主要的耗材，而色谱填料是色谱柱的核心材料，起着至关重要的作用；

3、在平板液晶显示器(liquid crystal display，lcd)领域，间隔物颗粒主要用于精准控制lcd面板盒厚，起到支撑上下玻璃基板的作用。因此必须满足极高的质量和性能要求，如高度的粒径精确性、窄的粒径分布、优异的机械强度、极高的洁净度和极低的金属杂质等。

4、尽管目前可通过悬浮聚合法、乳液聚合法、分散聚合法、酚醛树脂聚合法等制备聚合物及碳颗粒，但是其过程较为复杂、操作条件要求较高、成本较高，且颗粒尺寸、分散性、表面官能团等难以精准调控，限制了其进一步发展及应用。

5、近年来，因其操作过程简单、原料价格低廉、能耗低等优点，以天然植物糖类为原料制备聚合物及碳颗粒的方法得到了广泛关注。溶剂热法分别使用热稳定性好且溶解性好的离子液体及水作为溶剂来制备聚合物颗粒，然而高成本限制了离子热法的大规模应用，因此以水为溶剂的溶剂热法得到了快速发展。

6、天然植物多糖经过在水中反应，会生成糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酸、乳酸等多种中间产物，聚合速率难以调控，导致合成的颗粒尺寸分布范围较宽、互相黏连。尽管目前可以通过降低前驱体的浓度等得到分散性较好的颗粒，然而分散性依然难以保证、尺寸分布范围仍然较宽、尺寸难以有效调控，且产量较低、成本急剧上升。因此，开发新型制备策略实现高效合成分散性好、尺寸均一可调的颗粒，是目前亟待解决的问题，将对聚合物和碳颗粒制造、生物制药、质量检测、分离纯化、led等领域产生重要影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种聚合物颗粒材料、碳颗粒材料及其制备方法，解决了现有技术制备的聚合物颗粒分散性差、尺寸分布范围宽、尺寸不易调控的问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种聚合物颗粒材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将天然植物糖类加入水中，混合均匀后，得到前驱体溶液；

5、s2、将长链带电超分子加入前驱体溶液，混合均匀后，得到混合溶液；

6、s3、将混合溶液加热至100-300℃进行反应，随后待其冷却后通过抽滤、烘干得到聚合物颗粒材料。

7、进一步，所述天然植物糖类为果糖、核糖、葡萄糖、木糖、蔗糖、乳糖、淀粉、及纤维素中的一种。

8、进一步，所述长链带电超分子为聚马来酸、聚(甲基乙烯基醚共聚马来酸)、聚(苯乙烯-共聚-马来酸)钠、聚(甲基乙烯基醚共聚马来酸)、聚马来酸钠、及丙烯酸马来酸共聚物中的一种。

9、进一步，混合溶液中，所述天然植物糖类的质量浓度为10-1000g/l。

10、进一步，混合溶液中，长链带电超分子的质量浓度为0.01-100g/l。

11、进一步，天然植物糖类和长链带电超分子的质量比为10-1000：1。

12、进一步，s3中，所述反应时间为2-72h。

13、本发明还公开了所述制备方法制备得到的聚合物颗粒材料，所述聚合物颗粒材料的微观形貌具有球状结构，球状结构分散均匀。

14、本发明还公开了一种碳颗粒材料的制备方法，在惰性气体环境下所述聚合物颗粒材料进行碳化，得到碳颗粒材料。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

16、本发明公开了一种聚合物颗粒材料的制备方法，利用天然植物糖类作为前驱体，水作为溶剂，长链带电超分子作为限域试剂，随着反应的进行，天然植物糖类加入水中经过分解聚合反应先生成低聚物，随后逐渐生长成为较小的聚合物颗粒，与此同时，长链带电超分子将通过共价键、静电相互作用、氢键、库仑力等附着在小颗粒表面，在颗粒与溶剂界面形成保护层；长链带电超分子一方面通过空间限域作用控制颗粒的生长速度，使其保持较慢但相对一致的生长速率，保证尺寸分布处于极窄的范围；另一方面通过空间限域及静电排斥作用，阻止了在高浓度下小颗粒由于高表面能而发生黏连，保证了颗粒优异的分散性以及高的产率和产量。通过该简单的界面限域方法可以高效合成分散性好、尺寸分布范围窄的聚合物颗粒，且其尺寸可通过前驱体浓度、长链带电超分子浓度、反应稳定等进行可控精准调节。

17、该制备方法简单易行，产品质量控制程度高，产率高，产量高，可实现规模化生产，具有很大的应用价值。

18、本发明制备得到的聚合物颗粒材料具有分散性好、尺寸分布范围窄、尺寸可调、稳定性好、表面易于修饰等特征。在生物制药、分离纯化、分析监测、平板显示等领域具有潜在应用。

19、本发明还公开了一种碳颗粒材料的制备方法，可以通过高温碳化处理聚合物颗粒得到，碳化程度可以通过反应温度进行可控调节。

技术特征：

1.一种聚合物颗粒材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种聚合物颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述天然植物糖类为果糖、核糖、葡萄糖、木糖、蔗糖、乳糖、淀粉、及纤维素中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种聚合物颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述长链带电超分子为聚马来酸、聚(甲基乙烯基醚共聚马来酸)、聚(苯乙烯-共聚-马来酸)钠、聚(甲基乙烯基醚共聚马来酸)、聚马来酸钠、及丙烯酸马来酸共聚物中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种聚合物颗粒材料的制备方法，其特征在于，混合溶液中，所述天然植物糖类的质量浓度为10-1000g/l。

5.根据权利要求1所述的一种聚合物颗粒材料的制备方法，其特征在于，混合溶液中，长链带电超分子的质量浓度为0.01-100g/l。

6.根据权利要求1所述的一种聚合物颗粒材料的制备方法，其特征在于，天然植物糖类和长链带电超分子的质量比为10-1000：1。

7.根据权利要求1所述的一种聚合物颗粒材料的制备方法，其特征在于，s3中，所述反应时间为2-72h。

8.权利要求1-7任意一项所述制备方法制备得到的聚合物颗粒材料，其特征在于，所述聚合物颗粒材料的微观形貌具有球状结构，球状结构分散均匀。

9.一种碳颗粒材料的制备方法，其特征在于，在惰性气体环境下对权利要求8所述聚合物颗粒材料进行碳化，得到碳颗粒材料。

技术总结
本发明属于聚合物颗粒制备技术领域，涉及一种聚合物颗粒材料的制备方法，包括以下步骤：将天然植物糖类加入水中，混合均匀后，得到前驱体溶液；将长链带电超分子加入前驱体溶液，混合均匀后，得到混合溶液；将混合溶液加热至100‑300℃进行反应，随后待其冷却后通过抽滤、烘干得到聚合物颗粒材料。长链带电超分子通过空间限域作用控制颗粒的生长速度，使其保持较慢但相对一致的生长速率，保证尺寸分布处于极窄的范围；通过空间限域及静电排斥作用，阻止了在高浓度下小颗粒由于高表面能而发生黏连，保证了颗粒优异的分散性以及高的产率和产量。还可以通过高温碳化处理聚合物颗粒得到碳颗粒材料，碳化程度可以通过反应温度进行可控调节。

技术研发人员：谢磊
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14