TWI421210B

TWI421210B - 以天然愛玉果膠分散奈米碳管之方法

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Publication number: TWI421210B
Application number: TW100100350A
Authority: TW
Original assignee: Univ Nat Formosa
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2014-01-01
Also published as: TW201228932A

Description

以天然愛玉果膠分散奈米碳管之方法

本發明係有關於一種以天然愛玉果膠分散奈米碳管之方法，尤指一種採用台灣特有天然愛玉果膠(jelly fig pectin)為材料，係具有低表面張力及高黏性可有效應用於奈米碳管之分散。

由於奈米碳管具有獨特的結構，極佳的機械、熱傳導、物性、化性與其高長寬比之特性，使其應用極為廣泛。但因為奈米碳管之間具有微弱的凡得瓦力，所以彼此易聚集在一起且不溶於水或有機溶劑中，造成奈米碳管在使用上無法發揮最佳的功用，因此分散奈米碳管將是奈米碳管應用上的一大關鍵技術。按傳統分散奈米碳管的技術，一般都是以化學性的界面活性劑、有機溶劑為主，然而，過程中所使用的化學原料皆有毒性，不僅容易造成人員傷害，而且更會造成嚴重的環境污染。例如目前習知專利前案技術，有中華民國公開第20071194號專利申請案，其主要係利用具有共價結合的親水物質之官能化奈米碳管，將該等奈米碳管添加至極性溶劑之水溶液中，使該等奈米碳管分散於該水溶液中，但分散過程中所使用的極性溶劑皆有毒性且會造成環境污染。再者，中華民國專利第I258789號專利案，其技術係利用水為基礎溶劑，加入分散劑、穩定劑、成膜劑與增黏劑等溶質，以及奈米碳管，其中基礎溶劑與溶質形成低黏度水溶液，奈米碳管則懸浮於其中，形成奈米碳管懸浮液，分散過程中所使用的溶劑皆為有機溶劑，也會會造成環境污染。此外，目前習知中華民國專利前案技術，公告第I258789號與第I284116號，及公開第200700312號與第200710029號等專利前案，其專利技術範疇無針對使用天然愛玉果膠當分散劑，及規範分散單壁奈米碳管方法。顯然，本發明為最新的分散奈米碳管技術，而且不會對人員造成傷害及環境的污染。

有鑑於目前現有奈米碳管分散技術仍存在缺點，本發明人基於豐富的學識與經驗，乃積極努力投入研究，經潛心研發，終於發展出確具進步性及產業利用性之本發明。本發明所使用之無毒性的天然植物愛玉果膠，為台灣現特有農產品，愛玉凍在台灣是一種廣受歡迎之夏日飲品，其主要成分是由愛玉瘦果(achenes)之外果皮(pericarp)所溶離之高酯化度果膠受到果膠溶出之內生性(endogenous)果膠酯(pectinesterase,PE)作用而生成低酯化度果膠，再與水中之二價陽離子如：鈣、鎂等離子形成架橋連結成網狀結構而成膠。由於本發明人觀察到愛玉果膠具有低表面張力與高黏性等特性，果膠溶解後，經過超音波震盪，有助於愛玉果膠能進入單壁奈米碳管的管壁末端及表面，並吸附於單壁奈米碳管表面，造成單壁奈米碳管間的凡得瓦爾力下降，有效的分散單壁奈米碳管，以避免團聚現象再現。

本發明之主要目的，在於提供一種製造簡便、無污染性，可有效分散奈米碳管於水溶液中，充份發揮奈米碳管之效能的製造方法。其技術內容，尤指一種採用台灣特有天然愛玉果膠(jelly fig pectin)為材料，係具有低表面張力及高黏性可有效應用於奈米碳管之分散，並利用超音波震盪進行分散處理，進一步的降低碳管間的凡得瓦爾力。具體的技術手段流程包括有準備原料、分散化處理、過濾處理及烘乾處理。準備原料包括備妥一預定量的單壁奈米碳管及一預定量的純化愛玉果膠。備妥一預定量的單壁奈米碳管，係包括純化改質：將該單壁奈米碳管置於硫酸/硝酸溶液中進行一預定時間的超音波震盪；過濾分離：將震洗完畢之溶液以過濾方式將該單壁奈米碳管與該硫酸/硝酸溶液分離；中性化處理：以去離子水洗掉殘留在該單壁奈米碳管上的該硫酸/硝酸溶液，直至單壁奈米碳管的pH值維持在中性；及烘乾處理：將經中性化處理過的該單壁奈米碳管以一預定溫度及一預定時間烘烤，以去除其上的水氣。備妥一預定量的純化愛玉果膠，係包括稀釋處理：取一預定量之純化後的愛玉果膠，以去離子水稀釋；及攪拌：進行一預定時間的攪拌使該愛玉果膠均勻溶於該去離子水中，形成愛玉果膠水溶液。分散化處理：將備妥之該單壁奈米碳管加入備妥之愛玉果膠水溶液中，利用超音波震盪一預定時間，使單壁奈米碳管均勻分散於愛玉果膠水溶液中。過濾處理：利用抽氣過濾裝置濾去該愛玉果膠水溶液中的多餘愛玉果膠與去離子水。烘乾處理：將剩餘的單壁奈米碳管以一預定溫度烘烤一預定時間，以去除多餘水氣，獲得分散處理後的該單壁奈米碳管。

壹．本發明之基本技術特徵

如圖1所示，本發明以天然愛玉果膠分散奈米碳管之方法，係包括：

(a)準備原料，其包括：

(a1)備妥一預定量的單壁奈米碳管；及

(a2)備妥一預定量的純化愛玉果膠，其包括：

(b)分散化處理：隨後秤取適量純化改質過之單壁奈米碳管加入愛玉果膠水溶液中，使單壁奈米碳管均勻分散於愛玉果膠水溶液中；

(c)過濾處理：利用抽氣過濾裝置濾去多餘的愛玉果膠；及

(d)烘乾處理：最後將剩餘的單壁奈米碳管置於真空烘箱內烘烤，進而得到分散處理後的單壁奈米碳管。

貳．本發明之實驗例

(a)準備原料，其包括：

(a1)備妥一預定量的單壁奈米碳管，其包括：

(a11)純化改質：由於單壁奈米碳管本身具有雜質，必須將單壁奈米碳管進行純化改質處理，即先將單壁奈米碳管置於含有體積比為3：1的硫酸/硝酸溶液(硫酸98%，硝酸70%)中進行超音波震盪(請配合參看附件一所示)，震盪時間為1小時；

(a12)過濾分離：再將震洗完畢之溶液以過濾方式將單壁奈米碳管與硫酸/硝酸溶液分離；

(a13)中性化處理：接著再以去離子水洗掉殘留在單壁奈米碳管上的硫酸/硝酸溶液，直至單壁奈米碳管的pH值維持在中性(pH值約為7)；

(a14)烘乾處理：再將經中性化處理的單壁奈米碳管置於約100℃的真空烘箱烘烤約24小時，以去除其上的水氣；及

(a2)備妥一預定量的純化愛玉果膠，其包括：

(a21)稀釋處理：秤取一預定量之純化後的愛玉果膠，以去離子水稀釋；及

(a22)攪拌：即利用磁石攪拌機攪拌約1小時，以便愛玉果膠能均勻溶於去離子水中；

(b)分散化處理：隨後秤取適量純化改質過之單壁奈米碳管加入愛玉果膠水溶液中，利用超音波震盪約1小時使單壁奈米碳管均勻分散於愛玉果膠水溶液中；

(c)過濾處理：利用抽氣過濾裝置濾去多餘的愛玉果膠與去離子水；及

(d)烘乾處理：最後將剩餘的單壁奈米碳管置於約100℃真空烘箱內烘烤約24小時以去除多餘的水氣，進而得到分散處理後的單壁奈米碳管。

參．本發明之實驗分析

本發明係利用穿透式電子顯微鏡分析，其可作為判斷單壁奈米碳管分佈情形的工具。附件二圖1(a)所示為單壁奈米碳管在未經愛玉果膠處理前之結構情形，整體管徑範圍分佈較廣，可看出單壁奈米碳管分散性不佳，具有糾結團聚之現象，造成奈米碳管在使用上無法發揮最佳的作用。附件二圖1(b)所示為團聚的單壁奈米碳管經超音波震盪分散及愛玉果膠包覆下成單獨型式存在的證據之TEM照片。

本發明實驗例中，證明單壁奈米碳管經由超音波震盪及愛玉果膠雙重分散作用下確實能降低奈米碳管間的凡得瓦爾力，改善團聚現象之功效。附件三圖1(a)為單壁奈米碳管於水溶液中僅以超音波震盪1小時，並於室溫下放置2小時後之情形。由照片中可明顯看出下層的單壁奈米碳管因彼此糾結與纏繞，造成團聚沉澱現象而出現分層。而純化後之單壁奈米碳管在相同條件下加入愛玉果膠分散之水溶液經超音波震盪1小時，於室溫下放置超過6個月，如附件三圖1(b)所示，仍然保持穩定均勻分散的黑色懸浮液。

以上所述，僅為本創作之一可行實施例，並非用以限定本創作之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本創作之專利範圍內。本創作除上述優點外，並深具產業之利用性，可有效改善習用所產生之缺失，而且所具體界定於請求項之特徵，未見於同類物品，故而具實用性與進步性，已符合新型專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

(a)．．．準備原料

(a1)．．．備妥一預定量的單壁奈米碳管

(a11)．．．純化改質

(a12)．．．過濾分離

(a13)．．．中性化處理

(a14)．．．烘乾處理

(a2)．．．備妥一預定量的純化愛玉果膠

(a21)．．．稀釋處理

(a22)．．．攪拌

(b)．．．分散化處理

(c)．．．過濾處理

(d)．．．烘乾處理

圖1為本發明之流程示意圖。

附件一：為本發明之實驗裝置圖。

附件二：

圖1(a)為未經愛玉果膠處理的單壁奈米碳管；及

圖1(b)為本發明經超音波震盪分散及愛玉果膠包覆下的單壁奈米碳管。

附件三：

圖1(a)為本發明經超音波震盪處理1小時純化後之單壁奈米碳管水溶液，於室溫下放置超過6個月照片；及

圖1(b)為本發明添加愛玉果膠後經超音波震盪1小時，於室溫下放置超過6個月。