纳米金刚石在水性介质中的分散研究

第１２００　７攀２年　月　　ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＺＨＯＮＧＹ中原ＵＡＮ工学ＵＮ院学ＩＶＥＲ报ＳＩＴＹＯＦＴ’Ｉ里ＥＩＣＨＮＨ　ＬｏＬｏ　ＧＹ　ＶｏＦ１ｅ．ｂ１．８　ＮＯ，２００７．　７　文章编号：１６７１—６９０６（２００７　Ｊ０１－－００５５－－０５　纳米金刚石在水性介质中的分散研究　田立朋　，朱　贺　（１．中原工学院；２．河南工业大学，郑州４５０００７）　摘要：　对纳米金刚石在水介质中的分散进行了探讨，并对表面改性过程进行了机理分析．利用机械力和化学力共同　作用，对纳米金刚石表面进行改性，从而实现纳米金刚石在水介质中的分散和稳定；采用不同的处理工艺，使体系在酸性　和碱性介质条件下均保持良好的分散．　关键词：　纳米金刚石；表面改性；分散；化学机械处理　中图分类号：ＴＱ１６４　文献标识码：Ａ　抛光是金刚石应用的传统领域，抛光包括超精磨，　纳米金刚石的分散稳定性．悬浮液中的纳米金刚石颗　是仪表和机械制造工艺过程中最重要的一个环节．目　粒浓度从上而下呈逐渐增大的弥散分布，沉淀量少，测　前常用的磨料尺寸均大于１　ｍ，而纳米金刚石不仅硬　得的悬浮时间较长则说明其分散效果好；相反，悬浮液　度高，颗粒尺寸比最好的磨料要小一个量级，而且碳表　浓度很小或很快澄清，沉淀量很大，测得的悬浮时间较　面极易受化学改变性的影响，能和任何极性介质兼容，　小，则说明其分散效果及分散稳定性较差．若将一定量　这种特点使纳米金刚石颗粒有可能在载体中均匀分　（比如２５０　ｍ１）分散溶液放置在量筒中，静止一段时　布．因此，纳米金刚石颗粒被视为超精抛光的新一代理　间，再用比重计测量其比重．溶液比重大，则悬浮纳米　想磨料　’　．　金刚石颗粒多，分散效果好；反之，悬浮颗粒少，分散效　对纳米粉体进行分散，最有效的方法是对其表面　果差．　进行改性处理，经适当改性处理的粉体其分散性会大　大提高．为了使纳米金刚石在水介质中的稳定分散，拟　１　实　验　采用机械力化学方法对纳米金刚石进行表面改性，同　时，加入无机电解质、表面活性剂等物质来调控介质和　１．１试剂和仪器　粒子表面特性，调整粒子表面电位和亲水层，增大粒子　１．１．１　药　品　的电垒和空间位阻，使得纳米金刚石粒子间互相排斥，　水溶性纳米金刚石和油溶性纳米金刚石（样品）、　从而可以稳定分散存在于液体中．　聚氧乙烯烷基酚醚、碳酸钠、六偏磷酸钠、乙醇、白油、　基于以上机理，胡志孟［３　等采用机械研磨＋物理　液体石蜡、平平加、明胶、十二烷基苯磺酸钠、ＯＰ一１０　分散（超声分散＋机械搅拌）＋化学分散的方法，成功　分散剂、盐酸、氨水．这里乙醇、白油、液体石蜡作为溶　地将纳米金刚石分散于水相及油相中．本文在此基础　剂，平平加、ｏＰ一１０是表面活性剂，改变粒子表面属　上，进一步研究不同的分散剂、分散剂使用量、水相的　性，盐酸、氨水调节溶液ｐＨ值．　ｐＨ值高低和是否使用超声波对纳米金刚石分散的影　１．１．２仪　器　响，并探讨在不同的环境下使得纳米金刚石保持良好　搅拌器、温度计、烧杯、ｐＨ值试纸、试管、研钵、电　分散的工艺条件．以未加入纳米金刚石的分散溶液作　炉、秒表、天平、磁力搅拌器、比重计、１０１—２ＡＢＳ电热　为基准液来测量分散后悬浮液的悬浮时间，从而表征　鼓风干燥、坩埚、胶头滴管、量筒、玻璃棒、红外烘箱、红　收稿日期：２ｏ０６—１Ｏ一２３　作者简介：田立朋（１９７２一），女，天津人．　维普资讯 http://www.cqvip.com

・５６・　中原工学院学报　２００７年第１８卷　外吸收光谱仪、Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ￥３０００激光粒度分析仪．　１０的量分别为０．１　ｇ、０．２　ｇ，０．３　ｇ，０．４　ｇ．然后使用磁　１．２　实验过程　力搅拌器进行搅拌，以打散纳米金刚石的软团聚，使其　１．２．１　纳米金刚石粉末的制备　充分分散后，按照同样的原理，选出分散效果最好的，　纳米粒子其合成原理是：负氧平衡炸药爆轰时，初　确定其剂量．　始冲击波压缩炸药，使其分子吸收能量，导致温度升高，　１．２．４　ｐＨ值和超声波对于纳米金刚石分散的影响　原子振动加剧，在原子间的键发生断裂后形成各种活泼　再用４个烧杯加入去离子水，调ｐＨ值为４、６、８、　的自由基．气体分子的形成可以很快进行，而类气态碳　１０的溶液，分别称取０．２　ｇ的纳米金刚石和０．２　ｇ的　自由基则形成小的液珠，并在热密气体分子流里通过多　分散剂，同样使用磁力搅拌器进行搅拌以打散纳米金　次碰撞而长大，长大后的碳液滴在反应区内或反应区后　刚石的软团聚，充分分散．同理可得到分散效果好时的　结晶为纳米粒子．纳米金刚石的制备过程如下：混合炸　ｐＨ值．若将分散液置于超声仪中，可以检测超声波对　药在充ＣＯ。、Ｎ。等保护气体或者在药柱外包裹有保压　于分散效果的影响．　和吸热作用的水、冰和热分解盐类的密闭容器中爆炸．　爆炸后收集到的致密相回收物先过筛除去杂物，然后用　２　结果与讨论　高氯酸和硝酸的混合物进行净化，除去石墨和碳黑；倾　倒去酸液，如需要除去硅杂质还要经过碱或氢氟酸的处　２．１　分散剂的品种和ｐＨ值对纳米金刚石分散性的　理；再经过多次反复洗涤，最后通过离心机分离、烘干得　影响　到纯度可达８０　的浅灰色纳米金刚石粉末［４　］．　在水性介质中，不同分散剂在不同浓度下，对纳米　１．２．２　不同分散荆对于纳米金刚石分散的影响　金刚石微粉悬浮液的分散影响有所不同．分散剂能极　将０．２　ｇ纳米金刚石粉末分别加入到４个２００　ｍｌ　大地增强颗粒间的排斥作用，主要通过以下３种方式　的烧杯中，加入离子水，分别标记为一号，二号，三号和　增强排斥作用：　四号．其中，一号：水２００　ｇ，纳米金刚石０．２　ｇ，六偏磷　（１）增大颗粒表面电位的绝对值以提高粒间静电　酸钠０．６　ｇ（前后分别加入），碳酸钠０．２　ｇ；二号：水　排斥作用；　２００　ｇ，纳米金刚石０．２　ｇ，六偏磷酸钠０．６　ｇ（前后分别　（２）通过高分子分散剂在颗粒表面形成的吸附　加入），酒精３滴；三号：水２００　ｇ，纳米金刚石０．２　ｇ，十　层，产生并强化空间位阻效应，使颗粒间产生强位阻斥　二烷基苯磺酸钠０．６　ｇ（前后分别加入），聚氧乙烯　力；　０．２　ｇ；四号：水２００　ｇ，纳米金刚石０．２　ｇ，十二烷基苯　（３）增强颗粒表面的亲水性，以提高界面水的结　磺酸钠０．６　ｇ（前后分别加入），碳酸钠０．２　ｇ．然后使用　构化，加大水化膜的强度及厚度，使颗粒间的溶剂化排　磁力搅拌器进行搅拌，以打散纳米金刚石的软团聚，使　斥作用显著提高．　其充分分散后，置于２５０　ｍｌ的量筒中，静止一段时间　表１是实验步骤２中不同分散剂使用后，纳米金　再观察沉淀时间．由于纳米金刚石粒子很容易团聚而　刚石在量筒中沉淀时间的３次试验数据．可以看出二　沉淀下来，粒子在溶液中的分布得越多，说明团聚得越　号烧杯中的分散剂六偏磷酸钠（ＬＰＬ）和三号烧杯中的　少，溶液中的粒子越小，故沉淀时间最长的就说明分散　十二烷基苯磺酸钠对纳米金刚石微粉的分散规律几乎　效果最好．如果二个样品很难分析出来的话，就用比重　相近，在加分散剂为０．２　ｇ时，其分散效果均到最佳，　计测得它们的比重，比重大的就说明分散效果好，据此　但是比较而言，十二烷基苯磺酸钠对其作用最为强烈，　选出分散效果最好的，确定其剂量．　分散效果更好．　１．２．３　分散荆使用量对于纳米金刚石分散的影响　各取纳米金刚石０．２　ｇ，再分别加入分散剂ｏＰ一　哀１不同分散剂对金刚石分散效果的影响（沉淀时间）　ｓ　步骤３的实验，加入同一种分散剂０Ｐ一１０，其结　是最大的，即分散效果最好，或悬浮效果最好．因此，分　果如图１所示．可见，加０．３　ｇ分散剂ｏＰ一１Ｏ的比重　散剂加的量对纳米金刚石抛光液的性能有一定的影　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　田立朋等：纳米金刚石在水性介质中的分散研究　响．而当分散剂与纳米金刚石质量比约为１：１时，体　系中颗粒平均粒度最小，这表明分散剂的用量并不是　越多越好，适量分散剂的引入，可以使得纳米金刚石在　白油体系中的分散性显著改善，但是，聚合物分散剂过　量时，分散效果没有继续优化，颗粒平均粒度反而变粗　（由观察所得出现明显的颗粒沉淀的时间不同得出）．　圈１　０Ｐ＿一１Ｏ添加比例对分散效果的影响　步骤４的实验结果如图２所示，可以看出ｐＨ值　对抛光液有一定的影响，在ｐＨ一６时分散效果最差．　因此，一般ｐＨ值在中性酸碱环境下的抛光过程，实际　上并不有利于纳米金刚石的分散．　圈２乳化剂在不同ｐＨ僵下对分散效果的影响　２．２红外光谱分析　图３和图４分别是苯磺酸钠的红外光谱图和金刚　石的红外光谱图．红外光谱分析表明，在抛光液体系　中，含烃链以及羰基等官能团的聚合物分散剂在纳米　金刚石表面产生强烈的吸附作用，而且机械力作用越　强，对这种吸附的活化作用也越强，使得颗粒间距离保　持稳定．稳定分散的机理可能是由于分散剂的吸附和　长溶剂化链作用下的空间位阻排斥导致［６］．其溶剂化　链长，这种亲油烃链伸向白油介质中，在颗粒间起到了　一种空间位阻（熵排斥）的作用，使粒子间发生聚集的　势垒增大，颗粒相互排斥而保持稳定．　２．３粒度分析　在配置溶液希望借助超声分散，改变纳米粒子表　面属性，以减少聚合几率和粒度大小．图５和图６在弱　酸性情况下分别经超声处理和未经超声处理的粒度分　圈３苯磺酸钠的红外光谱田　圈４金刚石的红外光谱圈　析结果．理想状况应是单峰左右分布，出现双峰且跨度　大说明粒度的分散不均匀．加Ｐ一０１分散剂的纳米金　刚石的抛光液，在未超声分散的情况下，ｐＨ：５．５，经　过Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ　Ｓ３　０００激光粒度分析仪的分析结果，粒　度尺寸的范围在２６．１６～０．０５１　ｍ之间，但是　９８．７２　的粒度尺寸的范围在０．０５１～９．２５０　ｍ之　间．在图上出现２个峰值，相差较大，说明分散不均匀．　加Ｐ一０１分散剂的纳米金刚石的抛光液，在超声　分散仪分散的（将样品烧杯放到分散仪内，周围加入适　量清水，打开发声器，超声作用５　ｍｉｎ后取出）情况下，　ｐＨ＝５．５，经过粒度分析的结果，粒度尺寸的范围在　０．０６１～７４．００　ｔｔｍ之间，但是有９８．６２　的粒度尺寸　范围在０．０６１～１５．５６　ｔｔｍ之间．在图上出现２个峰　维普资讯 http://www.cqvip.com

中原工学院学报　２００７年第１８卷　值，但相差较小．　可见，纳米金刚石在弱酸性的情况下，经过超声分　散后团聚的现象很严重，粒度尺寸出现的最大值　７４．ｏ０　弧而在未超声分散的情况下的最大粒度为２６．　１６　ｍ．　图５　Ｐ—Ｏ１。ｐＨ＝５．５。经超声处理的粒度分析结果　圈６　Ｐ—Ｏｌ未经超声处理的粒度分析结果　图７和图８则是在碱性条件下分别经过超声分散　与没有超声分散的粒度分析图示．对比图７和图８，可以　看出纳米金刚石在碱性条件下，在未进行超声分散的情　况下出现２个峰值，而在分散的情况下出现了单峰，这　就说明纳米金刚石在弱碱性和超声分散的情况下，其分　散效果比在弱酸性中的效果要好得多，同时经过粒度分　析的结果可以看出粒度的尺寸也偏小，９９．８５　的粒度　尺寸在１　ｍ以下，可见碱性条件更有利于分散．　３　结　语　根据纳米金刚石原料的粒度分布情况和表面特　图７　ｐＨ＝８．５时Ｐ—Ｏ１经超声分散的粒度分析图　图８　ｐＨ＝８．５时Ｐ—Ｏ１未超声分散的粒度分析图　性，利用机械力和化学力共同作用对纳米金刚石一水　介质体系进行处理，可以得到纳米金刚石水介质稳定　分散体系．在分散前，水介质体系中纳米金刚石粒子平　均粒径达到２　ｍ左右．经过处理得到的体系稳定性　好，粒子粒径基本均在１　ｍ以下．　在化学机械处理过程中，在机械力和表面活性剂、　无机电解质等物质的作用下，纳米金刚石的表面官能　团组成发生明显的变化，从而导致颗粒表面电性发生　改变，颗粒间斥力增大，颗粒更加亲水，从而使得颗粒　可以在体系中保持稳定分散．亲水官能团如羧基、羟基　等在此过程中所起的作用明显．超声分散受ｐＨ值的　影响，不是所有的分散液都适合用超声分散方法，采用　不同的活性剂在酸、碱环境中起到的分散效果有所不　同，有的甚至对分散起阻碍的作用．　（下转第７１页ｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　杨华：基于Ｂ／Ｓ的网络辅助教学平台设计　・　７１　・　独立运行，性能稳定．除了网上交流模块需要在客户端　４　结　语　工作站安装独立的子程序外，其它模块均已进行整合．　今后要对网上交流模块进行进一步的开发，使整个教　目前，系统各个模块的开发已经完成．各模块能够　学辅助系统更加便于使用．　参考文献：　［－１－］　辜良瑶，潘迪夫．构建基于网络技术的实验教学系统［Ｊ］．现代电子技术，２００６，（４）：３６．　［２３　刘　淳，章　强，武齐阳，等．交互武网络教学平台的研究与实现［Ｊ］．南京大学学报（自然科学），２００６，（１）：３０．　［３３　刘　军，阳小华，杨　星．教学信息发布与管理系统的设计与实现一基于－ＮＥＴ．组件技术［Ｊ］．计算机工程与应用，２００６，（２）：　１００．　［４３王晓帆，姚全珠．基于Ｊａｖａ的远程考试系统［Ｊ］．计算机工程与设计，２００５，（４）：６４１．　［５３徐成杰．基于ＸＷＳ体系的网络课程实时评卷系统［Ｊ］．计算机工程与设计，２００５，（６）：１６３０．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ－ａｉｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｂ／Ｓ　Ｍｏｄｅ　ＹＡＮＧ　Ｈｕａ　（Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｒｉｔｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ＮＥＴ，ＳＱＬ　ＳＥＲＶＥＲ　ａｎｄ　Ｂ／Ｓ　ｍｏｄｅ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ－ａｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ；ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ，ｉｔ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ｂｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　Ｂ／Ｓ；ｏｎｌｉｎｅ　ｔｅｓｔｉｍｇ；ｃａｍｐｕｓ　ＬＡＮ；ｃｏｕｒｓｅｗａｒｅ　ｉｓｓｕｉｎｇ　（上接第５８页）　参考文献：　［１］　雒建斌，温诗铸，高　峰，等．纳米金刚石用作磁头抛光材料的研究［Ｊ］．材料保护，２００１，２４（１２）：１１—１３．　［２３朱永伟，王柏春，陈立舫，等．纳米金刚石的应用现状及发展前景［Ｊ］．材料导报，２００２，１６（１２）：２７—３０．　［３３　胡志孟，雒建斌，李同生，等．纳米金刚石计算机磁头抛光液的研制及应用［Ｊ］．材料科学与工程学报，２００４，２２（３）：２３—２７．　［４３　高宏刚，王建明．应用纳米级金刚石抛光亚纳米级光滑表面［Ｊ］．光学精密工程，１９９９，７（５）：８０—８４．　［５］李瑞勇，李晓杰，赵－峥，等．爆轰法合成纳米金刚石技术回顾与展望［Ｊ］．金属材料研究，２００５，４（１）：２７—３０．　［６］　许向阳，余志明，朱永伟，等．非水介质中纳米金刚石的改性、分散与应用［Ｊ］．材料导报，２００４，２２（３）：２３—２７．　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ　ｉｎ　Ａｑｕｅｏｕｓ　Ｍｅｄｉｕｍ　ＴＩＡＮ　Ｌｉ—ｐｅｎｇ，ＺＨＵ　Ｈｅ　（１．Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；２．Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｕｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００７。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ　ｉｎ　ａｑｕｅｏｕｓ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｎ—　ｂｉｎｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｆｏｒｃｅｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔＯ　ｍｏｄｉｆｙ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｉｍ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ．Ｗｈｅｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ａｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ａｃｉｄｉｃ　ａｎｄ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ａｑｕｅｏｕｓ　ｍｅｄｉｕｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ　ｉＳ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｎａｎｏｄｉａｍｏｎｄ；ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ；ｅｈｅｍｉｅａｌ－ｍｅｅｈａｎｉｅａｌ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ