一种纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米金刚石加工技术领域，尤其涉及一种纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制方法。
【背景技术】
[0002]纳米金刚石抛光液以其优异的性能广泛应用于计算机硬盘、计算机磁头、蓝宝石衬底、碳化硅晶片和光学玻璃等领域的超精密抛光。由于纳米金刚石比表面积大、比表面能高，使得纳米金刚石处于热力学不稳定状态，其颗粒间极易发生团聚，并且这种团聚很难被破坏。
[0003]在纳米金刚石抛光液的应用过程中，良好的抛光液粒径控制是获得好的加工效果的重要保障。国内外通过一系列物理化学改性的方法对纳米金刚石进行解团聚，以此来控制纳米金刚石抛光液的磨料粒径。0.Shenderova等人(0.Shenderova, 1.Petrov,J.Walsh,et al.Modificat1n of detonat1n nanodiamonds by heat treatmentin air [J].Diamond & Related Materials, 2006，15:1799-1803.)对爆轰法纳米金刚石在空气中加热进行改性。经过酸化的纳米金刚石在950°C空气中氧化，sp2的碳消失，含氧官能团显著增加，最后制得了粒径在60nm左右的纳米金刚石悬浮液。Yongwei Zhu等人(Yongwei Zhu, Xiangyang Xu, Baichun Wang, et al.Surface modificat1n anddispers1n of nanodiamond in clean oil.China Particuology, 2004, 2 (3):132-134.)使用超分散剂对纳米金刚石表面进行化学机械改性，使纳米金刚石表面的官能团由亲水基变为疏水基，在油介质中获得了粒径为53.2nm的纳米金刚石悬浮液。CN 102391789 A号中国专利采用op-10、聚乙二醇为分散剂，溶入去离子水并置于高能球磨机球磨罐中，进行湿法研磨得到浆料，并对其进行提纯处理，得到团聚粒径为10~100nm的纳米金刚石抛光液。Oliver A.Williams 等人(Oliver A.Williams, Jakob Hees，Christel Dieker, et al.Size-Dependent Reactivity of Diamond Nanoparticles.Fraunhofer Institute forSolid State Physics, 2010, 4(8):4824-4830.)通过在氢气环境中热处理纳米金刚石粉，在纳米金刚石表面引入了大量的氢原子。经改性后的纳米金刚石，在大功率超声波和离心机的共同作用下，可以制得4nm粒径的纳米金刚石悬浮液，纳米金刚石颗粒表面电位达到60mv以上。不同粒径的纳米金刚石抛光液可应用于不同的工作环境。但由于纳米金刚石抛光液中磨料粒径不易控制，对于纳米金刚石抛光液分级的技术研究很少，严重地制约了纳米金刚石的应用与发展。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制方法，可使纳米金刚石抛光液中磨料平均粒径在30?300nm之间可调，解决了目前纳米金刚石抛光液中分级过程比较复杂，分级效率低的问题。
[0005]本发明采用的技术方案为: 一种纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制方法，包括以下步骤:
(1)，对纳米金刚石解团聚，得到纳米金刚石抛光液；
首先，采用爆轰法纳米金刚石与去离子水配成浓度为0.2?2%的纳米金刚石抛光液；其次，在纳米金刚石抛光液中加入纳米金刚石化学改性剂，在气流粉碎机、球磨或者超声波细胞粉碎机作用下，对纳米金刚石进行改性；再次，使用PH调节剂调节纳米金刚石抛光液，纳米金刚石抛光液的pH值在3?11之间；最后加入分散剂和悬浮剂，控制纳米金刚石Zeta电位在50mv以上，获得平均粒径大小为30nm的纳米金刚石抛光液；
(2)，纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制；
采用步骤(I)中得到的平均粒径为30nm的纳米金刚石抛光液，在气流粉碎机或超声波细胞粉碎机的作用下，加入无机盐分散剂和分散稳定剂，得到平均粒径在30?300nm粒径之间可调的纳米金刚石抛光液。
[0006]步骤⑴中获得的纳米金刚石抛光液的按重量的配比为，纳米金刚石0.2?2份，化学改性剂0.1?5份，pH调节剂0.1?I份，分散剂0.5?10份，悬浮剂2?20份。
[0007]步骤(I)中所述的纳米金刚石为市场上爆轰法制备的纳米金刚石，初始平均粒径在1nm以下。
[0008]步骤(I)中所用超声波细胞粉碎机功率为2000?4000W，超声时间为30?300mino
[0009]步骤⑴中，所述的pH调节剂为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、盐酸、醋酸、柠檬酸、草酸、硝酸、硫酸中的一种或几种；所述化学改性剂为氢氧化钠、羟乙基磺酸钠、四甲基氯化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、羧甲基纤维素钠、碳酸氢钾、硫酸铵、乙二醇、甘油、聚乙二醇200、六偏磷酸钠、十二烷基磺酸钠、柠檬酸等中的一种或几种；所述的分散剂为月桂醇硫酸钠、木质素磺酸盐、石油磺酸盐、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800、四甲基氯化铵中的一种或几种组合；所述的悬浮剂为甘油、烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800中的一种或几种组合。
[0010]步骤(2)中，所述的无机盐分散剂用量为0.02?2份，所述的分散稳定剂用量为5?30份。
[0011]步骤(2)中所述的超声波细胞粉碎机超声功率在600?3000W，超声时间为10?20mino
[0012]步骤(2)中，所述的无机盐分散剂为NaCl、KC1、Na2C03、KHC03、Na2S04、FeC13 等中的一种或几种；所述的分散稳定剂为甘油、乙二醇、木糖醇、山梨醇、一缩二乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇600、烷基酚聚氧乙烯醚、吐温60、吐温80中的一种或几种。
[0013]本发明在纳米金刚石抛光液中添加不同的分散剂及分散稳定剂的手段来实现纳米金刚石抛光液中磨料粒径分级的目的。具有工艺简单，易于工业化生产，不需要借助其他分级设备，通过直接添加粒径控制剂即可实现粒径控制的目的，简单易行。进行粒径控制后的产品性能稳定，平均粒径可稳定在三个月以上不发生团聚，可应用于不同的抛光环境，获得不同的加工效果。
【附图说明】
[0014]图1为50nm粒径纳米金刚石抛光液粒度分布图；
图2为60nm粒径纳米金刚石抛光液粒度分布图。
【具体实施方式】
[0015]本发明一种纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制方法，包括以下步骤:
(I)，对纳米金刚石解团聚，得到纳米金刚石抛光液；
首先，采用爆轰法纳米金刚石与去离子水配成浓度为0.2?2%的纳米金刚石抛光液；其次，在纳米金刚石抛光液中加入纳米金刚石化学改性剂，在气流粉碎机、球磨或者超声波细胞粉碎机作用下，对纳米金刚石进行改性；再次，使用PH调节剂调节纳米金刚石抛光液，使纳米金刚石抛光液的pH值在3?11之间；最后加入分散剂和悬浮剂，控制纳米金刚石Zeta电位在50mv以上，获得平均粒径大小为30nm的纳米金刚石抛光液，将此作为纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制的母液。控制纳米金刚石Zeta电位在50mv以上是通过化学改性剂在纳米金刚石颗粒表面形成特性吸附，改变了纳米金刚石Zeta电位实现的。
[0016]所获得的纳米金刚石抛光液，按重量的配比为纳米金刚石0.2?2份，化学改性剂0.1?5份，pH调节剂0.1?I份，分散剂0.5?10份，悬浮剂2?20份。所述的纳米金刚石为市场上爆轰法制备的纳米金刚石，初始平均粒径在1nm以下。所用超声波细胞粉碎机功率为2000?4000W，超声时间为30?300min。所述的pH调节剂为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、盐酸、醋酸、柠檬酸、草酸、硝酸、硫酸中的一种或几种；所述化学改性剂为氢氧化钠、羟乙基磺酸钠、四甲基氯化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、羧甲基纤维素钠、碳酸氢钾、硫酸铵、乙二醇、甘油、聚乙二醇200、六偏磷酸钠、十二烷基磺酸钠、柠檬酸等中的一种或几种；所述的分散剂为月桂醇硫酸钠、木质素磺酸盐、石油磺酸盐、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800、四甲基氯化铵中的一种或几种组合；所述的悬浮剂为甘油、烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800中的一种或几种组合。
[0017](2)，纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制；
采用步骤(I)中得到的平均粒径为30nm的纳米金刚石抛光液，在气流粉碎机或超声波细胞粉碎机的作用下，加入无机盐分散剂和分散稳定剂，依次得到平均粒径在30?300nm粒径之间可调的纳米金刚石抛光液。初始纳米金刚石抛光液中纳米金刚石Zeta电位在50mv以上，加入小分子无机盐分散剂可使无机盐离子在纳米金刚石表面形成吸附，降低了纳米金刚石的Zeta电位，从而降低了纳米金刚石颗粒间的静电位阻，同时在气流粉碎机或超声波细胞粉碎机的作用下，破坏了原有形成的30nm粒径的稳定结构，使粒径趋向于重新组合，由于不同的分散稳定剂对纳米金刚石颗粒具有不同的把控能力，在分散稳定剂的协同作用下，可以获得不同团聚粒径的纳米金刚石抛光液。
[0018]所述的无机盐分散剂用量为0.02?2份，所述的分散稳定剂用量为5?30份。无机盐分散剂的加入要保证纳米金刚石颗粒间Zeta电位有所降低，同时保证纳米金刚石颗粒不发生聚沉。分散稳定剂的加入量要保证对纳米金刚石抛光液中纳米金刚石颗粒完全进行重新包覆。所述的超声波细胞粉碎机超声功率在600?3000W，超声时间为10?20min。所述的无机盐分散剂为NaCl、KC1、Na2C03、KHC03、Na2S04、FeC13等中的一种或几种；所述的分散稳定剂为甘油、乙二醇、木糖醇、山梨醇、一缩二乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇600、烷基酚聚氧乙烯醚、吐温60、吐温80中的一种或几种。
[0019]利用上述方法和步骤，对下列实施例进行阐述实施例1:
(I)首先称取Ig市售爆轰法制备的纳米金刚石和0.13g六偏磷酸钠，在机械搅拌或去离子水中超声分散制备出质量分数为1%的分散液，然后置于高能球磨机中，球磨lh，取出分散液，经过0.5um滤纸过滤去除杂质，用0.2g氨水调节pH值至8，加入十二烧基苯磺酸钠0.6g，聚乙二醇200为10g，超声60min，超声功率为3000W，获得平均粒径为30nm的纳米金刚石抛光液，作为纳米金刚石抛光液中磨料粒径控制的母液。
[0020](2)向步骤(I)中获得的平均粒径为30nm的纳米金刚石抛光液中，加入Nacl0.06g，乙二醇10g，搅拌，超声时间20min