[发明专利]基于果壳类生物质的碳点及制备与其在聚合物力学增强中的应用

说明书

本发明公开一种基于果壳类生物质的碳点及其制备方法与应用，包括：1)将1.5～3.5g果壳类生物质研磨捣碎后加入到20～30mL的极性溶剂中，充分搅拌后过滤；果壳类生物质采用山竹壳、石榴皮、山楂壳、柿子皮和葡萄皮中的任一种，极性溶剂采用二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或乙腈中的任一种；2)将滤液加入到反应釜中，加热反应后冷却，经冷冻干燥、分离、减压蒸馏浓缩并真空干燥后，得到碳点；及所述碳点在制备力学增强聚合物材料中的应用。本发明的力学增强的聚合物材料在食品包装等领域具有良好的应用前景，成功拓展了碳点的生物质来源以及应用出口，同时为聚合物材料的力学性能改善提供了新的思路。

技术领域

本发明属于纳米复合材料领域，具体涉及一种基于果壳类生物质的碳点及其制备方法与应用。

背景技术

碳点是一类具有独特光物理化学性质的碳纳米材料，自2004年被发现以来得到了人们的广泛研究。相比于半导体量子点通常含有镉、铅等重金属，碳点仅含碳、氧和氮等有机元素，因此具有毒性低、易制备和性价比高等优点，在能源、生物和医学等领域显现出广阔的应用前景。碳点为尺寸小于10nm的类球状纳米颗粒，其制备方法通常包括自上而下法和自下而上法，自上而下法是在严苛的条件下(如化学氧化、激光刻蚀等)对尺寸较大的碳结构(如碳纳米管、石墨烯等)进行破碎，而自下而上法则是在相对温和的条件下从小分子、聚合物或生物质出发，通过缩合、碳化等反应制备碳点。由于来源范围广且符合绿色化学的要求，基于生物质原料的自下而上法在碳点的制备领域显现出独特的优势。如CN110422837A、 CN110155984B、CN105295910B和CN113620276A分别公开了利用棉秸秆、大豆渣、蔬菜和坚果等生物质原料制备碳点的方法。尽管取得了一系列成果，目前所得碳点的应用导向主要基于其发光性质(如发光器件、生物成像和防伪等)，应用范围亟需拓宽。更重要的是，上述生物质原料物质成分(如纤维素、脂肪酸)含有的功能基元相对较少(大多数基团在交联形成碳点过程中发生反应而被消耗)且缺乏针对性的设计，导致所制备的碳点表面含氧等极性官能团修饰度较低，为下述聚合物的力学性能增强应用带来阻碍。

最近研究表明，除了优异的发光性质以外，碳点还能作为添加剂以赋予聚合物材料特定性能。如CN107099288A和CN113120880A分别公开了一种碳点复合聚合物薄膜的制备方法；CN113198534A公开了一种碳点/聚氨酯复合材料的制备方法，发现碳点的引入能够提升相关材料的光催化性能；CN110204757B公开了聚乙烯醇缩丁醛-碳点纳米复合膜的制备方法，赋予相关材料良好的紫外线吸收特性； CN112126129A公开一种光诱导热致变色的碳点/羟丙基甲基纤维素制备方法，实现聚合物膜在太阳光诱导下可逆热致变色的功能。尽管如此，以上工作均集中在碳点/ 聚合物复合材料制备方法开发以及功能引入等方面，对聚合物本征力学特征研究较少且力学性能提升有限。这是因为上述碳点表面含有极性官能团(如羰基等)较少，难以通过多重氢键对聚合物链段形成有效物理交联，这限制了碳点作为添加剂在相关复合材料中的应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于果壳类生物质的碳点，选择这些果壳类生物质是基于其成分中含有丰富的鞣酸。鞣酸结构中含有大量的酚羟基官能团(结构见图1)，因而能够在较为温和的加工条件下得到表面具有丰富含氧极性官能团的碳点，为其作为添加剂实现聚合物力学增强打下良好基础。

本发明还提供了所述基于果壳类生物质的碳点的制备方法。

本发明还提供了所述碳点在制备力学增强的聚合物材料中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用的一种基于果壳类生物质的碳点的制备方法，包括以下步骤：

1)将1.5～3.5g果壳类生物质研磨捣碎后加入到20～30mL的极性溶剂中，充分搅拌后过滤；所述果壳类生物质采用山竹壳、石榴皮、山楂壳、柿子皮和葡萄皮中的任一种，极性溶剂采用二甲基甲酰胺、二甲基亚砜和乙腈中的任一种；

2)将滤液加入到反应釜中，加热反应后冷却，经冷冻干燥、分离、减压蒸馏浓缩并真空干燥后，得到碳点。