一种含有纳米材料的分散液及其制备方法和应用

本发明属于纳米材料和功能材料领域，涉及一种含有纳米材料的分散液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、纳米材料具有很多独特的特性，得到了广泛的应用。但是，由于纳米材料尺寸小、比表面积大，通常其难以均匀分散。制备纳米材料分散液需要使用大量表面活性剂，才能得到均一稳定的分散液。然而，大量表面活性剂的使用不仅显著影响纳米材料的性能，而且也带来严重的环境污染问题。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、一种分散液，所述分散液包括纳米颗粒和多糖阳离子衍生物。

3、根据本发明的实施方案，所述纳米颗粒包括第一纳米颗粒和第二纳米颗粒。

4、根据本发明的实施方案，所述第一纳米颗粒和第二纳米颗粒不同，彼此独立地选自多壁碳纳米管(mwcnt)、单壁碳纳米管(swcnt)、埃洛石、石墨烯(g)、氮化硼、过渡金属碳氮化物(mxene)、过渡金属硼化物(mbene)、石墨炔、黑磷、蒙脱土、滑石、二维层状双金属氢氧化物(ldh)、二氧化硅、四氧化三铁、二氧化钛、氧化锌、氧化铜中的至少一种。

5、根据本发明的实施方案，所述分散液中，所述纳米颗粒的质量含量为0.01-80wt％，例如为10wt％、20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％。

6、根据本发明的实施方案，所述第一纳米颗粒和第二纳米颗粒的质量比为(0.1-1)：(0.1-1)，例如为1:1。

7、根据本发明的实施方案，所述纳米颗粒的粒径选自10-300nm，例如为10-50nm、10-100nm、100-200nm，又例如为20nm、40nm、60nm、80nm、150nm、250nm。

8、根据本发明的实施方案，所述分散液的分散性好，例如可以放置30天以上。

9、根据本发明的实施方案，所述多糖阳离子衍生物选自含有咪唑阳离子和/或吡啶阳离子的多糖衍生物。

10、根据本发明的实施方案，所述多糖阳离子衍生物具有如下式i所示的结构：

11、

12、其中：

13、聚合度dp的取值范围为100-4000，优选为100-2000，示例性为100、220、500、600、650、810、1000、1500、2000、3000；

14、a1、a2、a3相同或不同，彼此独立地选自h、r1、阳离子或阴离子，且a1、a2、a3中的至少1个选自阳离子；y选自o或nh；

15、所述阳离子选自具有以下结构的阳离子中的至少一种或两种及以上：

16、其中代表连接位点；

17、所述阴离子选自以下阴离子中的至少一种或两种及以上：cl-、br-、f-、no3-、so42-、h2po4-、po43-、hpo42-、c(cn)3-、n(cn)2-、ch3coo-、ch3ch2coo-、no3-、no2-、hco3-、co32-、so42-、so32-、b4o72-、(meo)2po2-、(eto)2po2-

18、

19、r1选自中的至少一种；

20、x为h、cl、br、i中的至少一种；

21、r2、r3、r4、r5、r6相同或不同，彼此独立地选自*—h、*—ch2oh、*—cl、*—br、*—cho、*—sh、*—cooh、*—cooch3、*—cooch2ch3、*—ch2ch2cn、*-ch3、*-ch2ch3、*-ch2ch2ch3、*-ch2ch2ch2ch3、*-ch2ch2oh、*-ch＝ch2、*-ch2--ch＝ch2、*-ch2-cn、其中*代表连接位点；

22、n选自0-10；

23、m选自0-10；

24、z选自0-10。

25、根据本发明的实施方案，所述多糖阳离子衍生物中，多糖主链由下述多糖及其衍生物中的至少一种提供：纤维素、淀粉、壳聚糖、甲壳素。根据本发明的实施方案，所述多糖及其衍生物的主链聚合度(dp)为100-4000，优选为100-2000，示例性为100、220、500、600、650、810、1000、1500、2000、3000。

26、根据本发明的实施方案，所述多糖阳离子衍生物中，所述阳离子在所述多糖及其衍生物中的取代度为0.2-3.0，例如为0.5、1、1.5、2、2.5、3。

27、根据本发明的实施方案，所述多糖阳离子衍生物中，r1在所述多糖及其衍生物中的取代度为0-2.5，例如为0.01、0.05、0.1、0.5、1、1.5、2。

28、根据本发明的实施方案，所述多糖阳离子衍生物的制备方法包括：

29、将所述多糖及其衍生物溶于第一溶剂中，得到多糖溶液，加入酰化试剂，进行酯化反应，得到多糖酯；将多糖酯溶于第二溶剂中，加入阳离子试剂，进行取代反应，得到所述多糖阳离子衍生物。

30、根据本发明的实施方案，所述多糖及其衍生物选自纤维素、淀粉、壳聚糖、甲壳素中的至少一种。

31、根据本发明的实施方案，所述酰化试剂选自含有r1基团的酰氯、酰溴或羧酸。

32、优选地，所述酰化试剂选自含有r1的酰氯和/或酰溴，r1具有如上文所述的含义。

33、根据本发明的实施方案，所述阳离子试剂选自含有下述结构单元的咪唑和/或吡啶：

34、

35、其中，r2、r3、r4、r5、r6具有如上文所述的含义。

36、根据本发明的实施方案，所述第一溶剂选自离子液体。优选地，所述离子液体包括但不限于如下离子液体中的至少一种：1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-烯丙基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体、1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体、n-乙基吡啶氯盐离子液体、n-乙基吡啶溴盐离子液体、1,3-二甲基咪唑二甲基磷酸酯盐离子液体、1-乙基-3-甲基咪唑二乙基磷酸酯盐离子液体、3-甲基咪唑甲酸盐离子液体、n-甲基吡啶甲酸盐离子液体、1-乙基-3-甲基咪唑甲酸盐离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑甲酸盐离子液体，优选为1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体。

37、根据本发明的实施方案，所述第二溶剂选自砜类溶剂、酰胺类溶剂的一种、两种或更多种，例如选自二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺的一种、两种或更多种，优选为n,n-二甲基甲酰胺。

38、本发明还提供上述分散液的制备方法，所述制备方法包括：将多糖阳离子衍生物溶解于溶剂中，得到质量浓度为0.01-10％的混合溶液，将纳米颗粒加入所述混合溶液中，分散、离心后取上清液得到所述分散液，所述多糖阳离子衍生物、纳米颗粒具有如上文所述的含义。

39、根据本发明的实施方案，所述溶剂选自水、二甲基亚砜(dmso)、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n-二甲基乙酰胺(dmac)、氯仿、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、丙酮、四氢呋喃(thf)、n-甲基吡咯烷酮、吡啶、乙醇、甲醇、异丙醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、甲乙酮中的至少一种。

40、根据本发明的实施方案，所述分散具体为：超声分散1-3h。

41、本发明还提供一种纳米涂层，其包括上述多糖阳离子纤维素衍生物和纳米颗粒。

42、根据本发明的实施方案，所述功能性纳米涂层通过上述分散液制备得到。

43、根据本发明的实施方案，所述纳米涂层制备方法如下：将上述分散液喷涂于基底上，溶剂挥发后，得到所述纳米涂层。

44、根据本发明的实施方案，所述基底选自玻璃、塑料、金属、陶瓷、木质材料等中的至少一种。

45、根据本发明的实施方案，所述涂层的厚度为0.1-1000μm，例如为10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm。

46、本发明还提供上述分散液和/或纳米涂层的应用，优选用于疏水、自清洁、光热和阻燃等领域。

47、有益效果

48、本发明利用多糖主链上的多个羟基或者胺基，通过在多糖主链上引入咪唑阳离子或吡啶阳离子结构，增强多糖高分子链与纳米颗粒之间的相互作用(例如包括π-π相互作用和氢键相互作用)，从而促进纳米颗粒的分散；另外，被分散的纳米颗粒之间还会形成相互作用，相互促进分散，最终得到一种含有不同纳米颗粒的分散液，且分散液的分散性好，可以放置30天以上。

49、本发明的分散液可用于功能涂层，例如应用于疏水、自清洁、光热和阻燃等领域，具有重要的应用前景。