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以农作物秸秆为模板,制备铜纳米颗粒材料工艺技术的开发和应用

来源:冠洁 2019-09-11 10:34:47| 查看:

  1、本项目国内外科技创新发展概况和最新发展趋势
  
  国内外研究现状及发展动态分析
  
  农作物秸秆是地球上最古老、最丰富的天然高分子材料,其成分以纤维素为主,是取之不尽用之不竭的宝贵天然可再生资源。近年来,如何以高附加值的方式来利用农副产品,特别是植物秸秆为原料的农副产品的深加工技术的开发是世界各国和中国的重点扶持的方向。近年来,以植物纤维素为原材料的纳米材料制备技术被美国国家科学和技术委员会列为重点研发领域之一,并由美国能源部和农业部为主、重点资助扶持该领域的发展[1,2]。本专利技术的发明人也是在美国能源部等有关部门的支持下首创了以纯纤维素为模板制备核/壳结构纳米铜颗粒材料的技术[3]。该技术可以大批量、低成本、工业化生产高质量的金属纳米颗粒材料,在纳米材料制备工艺上开辟了一个新领域。该技术的基本工艺和应用如下图所示:
  
  1.NSTC Committee on Technology Subcommittee on Nanoscale Science, Engineering, and Technology, “National Nanotechnology Initiative Signature Initiative: Sustainable Nanomanufacturing-Creating the Industries of the Future,” July 2010.
  
  2.NSTC Committee on Technology Subcommittee on Nanoscale Science, Engineering, and Technology Nanotechnology Signature Initiative, “Nanotechnology Knowledge Infrastructure: Enabling National Leadership in Sustainable Design,” May 14, 2012.
  
  3.K. Lian, and Q. Wu, “Carbon-encased metal nano-particles and sponges, methods of synthesis and method of use,” US Patent Application Publication No US2012/0021222, 2012.
  
  2、本项目的目的、意义
  
  目的
  
  本项目是利用农作物秸秆(玉米、芦苇秸秆和木材下脚料)作为模板材料,用铜离子为原料、利用“热分解-自组装”原理来一步性制备铜/碳-核/壳纳米颗粒的工艺。项目是基于中美合资的苏州冠洁纳米抗菌涂料科技有限公司创始人连崑教授近年来创立的以纤维素材料为模板制备铜/碳-核/壳纳米颗粒的这项世界领先专利技术。所制备的纳米铜具有极好的抗菌、抗病毒,抗生、促进动物的糖代谢功能,控藻,防污,污水治理等功能,是理想的农牧渔业所需的高效、广谱、无毒、环境友好的替代抗生素和瘦肉精的抗菌/抗病毒剂,饲料铜源添加和动物糖代谢促进剂的基础原料。
  
  意义
  
  本项目将开发一个突破性的以农作物秸秆为主的农业固体废料深加工技术工艺。该技术可以将低价值甚至目前没有商品价值的农作物秸秆等用作原料来生产具有高附加值、高科技含量的金属纳米颗粒材料,为纳米材料制备方法开辟一个崭新领域。该工艺技术的产业化,将对实现植物秸秆等农业固体废料的充分利用;增加农副产品附加值;改变农副产品工业化的结构;提高农民收入;促进我国城市化建设做出积极的贡献。在促进中国农副产品综合利用技术水平和提高农民收入的同时,减少直接燃烧秸秆所导致的空气污染。为中国开发高效、广谱、无毒、环境友好的纳米铜基抗菌、防霉、防污、杀虫剂等打下材料基础。具有巨大的经济效益和重大的社会效益。
  
  3、本项目现有起点科技水平及已存在的知识产权情况
  
  除了项目申报人发明的纤维素模板制备金属纳米颗粒的专利技术外,用农作物秸秆为模板原料来大规模、产业化生产铜纳米颗粒材料在世界上还没有先例。由于农作物秸秆的成分以纤维素为主,通过本项目的研发将该技术扩展、应用到农业秸秆的深加工领域是完全可能的。申报合作单位--苏州冠洁纳米抗菌涂料科技有限公司在申报人的指导下,于2012年设计、制造、安装、调试了一条年产20吨用纯纤维素为模板制备铜纳米颗粒的生产线,并积累了许多“knowhow”的经验。实践证明,用该技术来制备铜纳米颗粒材料具有工艺简单、成本低,容易大规模工业化化生产的特点。在知识产权上,本项目申请人是用纤维素模板制备铜/碳-核/壳纳米颗粒技术的发明人,苏州冠洁纳米抗菌涂料科技有限公司拥有该工艺的使用权。
  
  4、本项目国内外竞争情况及产业化前景
  
  本项目所用的技术为世界首创。到目前为止,在世界上还没有见过类似的报道,具有世界领先地位,在短期内还没有竞争对手。
  
  本项目所用的以植物纤维为模板制备的铜/碳-核/壳纳米颗粒材料与市场上现有的铜纳米颗粒材料相比有如下的特殊性能:(1)具有特殊性能的网状碳膜形成的壳结构,它既可以保护纳米铜核免于外界环境的过度侵蚀又可以让纳米铜的特性表征出来;(2)该核/壳结构的铜纳米颗粒在日常环境中十分稳定,可以长期保持金属铜的形式;(3)在氧化环境中生成铜=氧化亚铜的纳米颗粒平衡体系,不形成氧化铜;(4)在氧化环境中生成铜=氧化亚铜的纳米颗粒遇到还远条件时又转换成金属铜,并保持原有的核/壳纳米颗粒结构;(5)所制备的材料是以纳米铜颗粒均匀地镶嵌在多孔碳黑基体中的形式存在,其物理尺寸范围可根据实际工艺需要在几百纳米到几毫米甚至分米之间变化(可以充分发挥纳米材料的优点,又可以避免纳米颗粒材料通常由于尺寸太小难以控制的缺点);(6)该铜纳米颗粒材料在pH值1-11的水溶液中长期浸泡不溶解,溶液中没有明显的铜离子渗出;(7)网状的碳壳结构保留了纤维素原有的羟基和羰基等功能团,所制备的纳米颗粒在极性溶液(如水)和非极性有机溶液(如油)中均具有良好的分散性和互溶性;(8)该铜纳米颗粒材料具有极好的抗生、抗菌、防污、防霉等功能。
  
  我们现在用纯纤维素所制备的铜纳米颗粒材料已在抗菌敷料、抗菌防污涂料、抗菌塑料和水污染治理方面引起了广泛的关注,并与上述应用领域的有关单位开展了应用合作。如果能成功地将农作物秸秆来替代纯纤维素来制备铜纳米颗粒材料,将会极大的丰富制造所需的原料来源,降低产品成本,使得这个独特的金属纳米颗粒材料制备技术更上一层楼。为发展我国以纳米铜为材料的无毒、高效、广谱和环境友好的抗菌、防霉、防虫产品,特别是这些产品在农、牧、渔等领域的应用打下良好的材料基础。
  
  5、项目已经开发成熟的应用领域
 






















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