专利名称：一种纳米金刚石水分散体的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米金刚石水分散体的制备方法。
背景技术：
金刚石是集优异的热、光、声、电磁、化学性能于一体的新型功能材料。它具有最高 的硬度、最快的纵波音速、最宽的透明范围、最大的杨氏模量、最高的导热率、最佳的化学稳 定性和与其它物质共存的相容性。纳米金刚石是纳米材料界的新成员，它不但具有金刚石所固有的综合优异性能， 而且还具有纳米材料的奇异特性。纳米金刚石的应用研究尚处于起步阶段，但实验证明纳 米金刚石在一些传统领域的应用已初见成效并形成了一定的生产规模。使用爆炸法人工合成的纳米金刚石作为纳米材料，由于其硬度高、粒度小、比表面 积大，可以填充到高分子材料中，用来提高其性能。而且纳米颗粒表面的高度活性以及吸附 和化学键联接的官能团，使得颗粒不仅限于刚性粒子作用，还有与基体形成化学键的作用。 但是纳米金刚石尺寸为Ι-lOOnm，属于超细粉体颗粒、具有极大的比表面积和较高的表面 能、表面缺少邻近的配位原子，导致颗粒表面存在大量的不饱和键，具有很高的表面活性， 处于热力学极不稳定状态，彼此之间极易产生自发团聚现象。再加上颗粒间的范德华力、静 电力以及悬浮液中溶剂的表面张力等因素，使其在制备和后处理过程中极易发生粒子间的 团聚，使粒径变大，形成二次颗粒，最终在使用时失去超细颗粒所具备的特有功能，从而大 大阻碍超细粉体优势的充分发挥。这是纳米金刚石和所有纳米材料的应用中存在的一个共 性的问题。在材料领域，物质的均勻尤为重要，某种元素(物质)在材料机体中分散程度决定 了材料的性能和质量。组成材料的不同物质的均勻分散程度越高，材料的性能越好。总之， 在许多领域，分散已成为提高产品(材料)质量和性能，提高工艺效率不可缺少且十分重要 的技术手段。超细粉体极易团聚，分散性能很差的超细粉体在实际使用过程中十分困难，往 往失去了超细粉体的许多优越性，使其效能不能充分发挥。纳米颗粒诸多的奇异性能否充 分发挥，在很大程度上取决于纳米颗粒能否在介质中均勻稳定地分散并保持纳米粒子的状 态。在纳米粉体的应用过程中，纳米颗粒属于热力学不稳定体系，由于比表面积大、表面原 子数增多、原子配位不足、表面能高，在粉体制备、干燥和后处理等不同阶段，粒子间容易形 成带有若干连接界面的尺寸较大团聚体。这些团聚体的存在使得颗粒不能以纳米粒级均勻 而稳定分散，而是以亚微米、甚至微米粒级的形式存在于体系中，粒度分布不均勻，容易发 生聚团沉降或相分离。这样，合成的纳米粒级粉体在应用时会失去其作为纳米粒子应有物 理性能和功能，没有达到使材料和体系的性能提高的目的。纳米金刚石作为新型的纳米材料，同样存在着团聚的问题，由于其具有高比表面 能和强表面效应，处于一种热力学不稳定状态，在合成过程及后续处理工艺中形成了牢固 的团聚体。常规的一些分散方法，如研磨，球磨，搅拌分散，超声分散，对纳米金刚石都很难达到持久的分散效果，对后续应用会产生一定影响。许多高分子材料的分子链间都是由范德华力或氢键相连，相互间作用力比较弱， 容易产生相对运动，如结晶性高分子材料中晶区之间的无定形区通常具有较低的剪切模量 和剪切强度，在外力作用下易于发生形变，形成光滑表面，因此高分子材料大都具有极低的 摩擦系数，这是一般金属材料难以比拟的，被广泛应用于制备减摩耐磨件，如滑动轴承、齿 轮、机床导轨、滑块、活塞环等。但是，表面能和表面张力低是高分子材料的缺点，与填料粒 子很难产生表面吸附，耐磨性差，磨耗较大，机械强度较低，易冷流，导热性差，易造成热膨 胀、热疲劳和热变形。为了克服和改变这些缺点，利用纤维、颗粒等填充剂对高分子基体进 行改性，以达到增强增韧的目的，有效改善高分子材料的性能。但此类改性方法或以牺牲摩 擦性能为代价提高材料的机械性能，或以牺牲机械性能为代价提高材料的摩擦性能，很难 同时兼顾材料的摩擦性能和机械性能。近年来采用纳米粒子填充改性高聚物，一方面可以 利用纳米粒子的增强增韧的特性，另一方面又可利用纳米粒子的小尺寸效应在摩擦界面形 成纳米尺寸的超硬材料薄膜，起到减摩耐磨作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服现有技术中纳米金刚石粒度分布不均勻，容易发生 聚团沉降或相分离的缺点，具有均勻稳定，分散性好、长期稳定、粒径小、粒径分布窄等优点 的纳米金刚石水分散体的制备方法。本发明的目的是这样实现的本发明提供一种纳米金刚石水分散体的制备方法，将原始纳米金刚石经纯化、酸 化，在球磨处理时加入分散剂和表面活性剂将经预经处理的纳米金刚石进行分散，利用分 散剂和表面活性剂将改性的纳米金刚石分散于水体系中获得。上述纳米金刚石的水分散体的制备方法包括对原始纳米金刚石预处理、纳米金刚 石表面处理及分散处理两大步骤，其中，原始纳米金刚石预处理有以下步骤a.将原始纳米金刚石与强氧化性酸反应，该强氧化性酸选自浓H2S04、浓HN03、 KMn04、HC104的一种或一种以上混合物，其中任一种强氧化性酸可占总量的25%-100%。处 理温度为200-300°C，优选处理温度为240-280°C。处理步骤为将待处理样品浸泡于过量酸 性氧化液中，并加热搅拌，直至溶液由黑色变为灰色后，将溶液降温至室温，用去离子水洗 涤至中性；b.经过步骤a处理后的产物，用氢氟酸在50-80°C进行处理，将处理后的溶液降温 至室温，用去离子水洗涤至中性。c.经80_100°C真空干燥，得到经预处理的纳米金刚石。经过预处理的纳米金刚石表面处理及分散处理有以下步骤d.在球磨罐中装入5-10个直径8-10mm的磨球，加入前述经预处理的纳米金刚石 0. l_5g，再加入0. l_2g分散剂于罐中，滴加适量去离子水，再加入0. 1-0. 5g表面活性剂，密 封球磨罐，将球磨罐放入球磨机中，在转速为300-400rpm的条件下球磨48小时，得到纳米 金刚石的水分散体。所述分散剂为萘酚磺酸和甲醛缩合物的混合物。所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂。以阴离子表面活性剂
4为宜，选自烷基类磺酸盐、烷基苯磺酸盐或脂肪酸甲酯-α磺酸钠的一种或一种以上的混 合物。本发明的有益效果是本发明提供的一种纳米金刚石水分散体的制备方法，可得 到均勻稳定，分散性好、粒径小、粒径分布窄的纳米金刚石水分散体系。本方法制备的纳米 金刚石的水分散体可与改性的聚丙烯聚合物共混，在轴承摩擦材料中或塑料壳材料中的应用。
具体实施例方式本发明的一种纳米金刚石的水分散体，通过以下实施例获得实施例一a.将原始纳米金刚石与浓H2SO4和浓HNO3两种的混合溶液(浓H2SO4和浓 HNO3I 1)，处理温度为20(TC，将原始纳米金刚石浸泡于过量酸性氧化液中，并加热搅拌， 直至溶液由黑色变为灰色后，将溶液降温至室温，用去离子水洗涤至中性；b.经过步骤a处理后的产物，用足量氢氟酸在50°C进行处理，将处理后的溶液降 温至室温，用去离子水洗涤至中性。c.经80°C真空干燥，得到经预处理的纳米金刚石，其微粒分布为2-20nm，主要分 布为 5-20nm。d.在IOOml尼龙罐中装入5个直径8mm的玛瑙球，加入经预处理的纳米金刚石 0. lg，再加入0. Ig萘酚磺酸和甲醛缩合物(1 1)的混合物分散剂于罐中，滴加适量去离 子水，再加入0. Ig脂肪酸甲酯-α磺酸钠，用尼龙盖密封，将尼龙罐放入球磨机中，在转速 为300rpm的条件下球磨48小时，得到纳米金刚石的水分散体。实施例二a.实施例一中的强氧化性酸为浓H2SO4和浓HNO3两种的混合溶液(浓H2SO4和浓 HNO3W比例为2 1)；处理温度为300°C，将原始纳米金刚石浸泡于过量酸性氧化液中，并 加热搅拌，直至溶液由黑色变为灰色后，将溶液降温至室温，用去离子水洗涤至中性；b.经过步骤a处理后的产物，用氢氟酸在80°C进行处理，将处理后的溶液降温至 室温，用去离子水洗涤至中性；c.经100°C真空干燥，得到经预处理的纳米金刚石，其微粒分布为2-20nm，主要分 布为 5-20nm。d.在IOOml尼龙罐中装入10个直径IOmm的氧化锆球，加入前述经预处理的纳米 金刚石5g，再加入2g萘酚磺酸和甲醛缩合物的混合物的分散剂于罐中，滴加适量去离子 水，再加入0. 5g脂肪酸甲酯-α磺酸钠，用尼龙盖密封，将尼龙罐放入球磨机中，在转速为 400rpm的条件下球磨48小时，得到纳米金刚石的水分散体，其微粒分布为2-20nm，主要分 布为 5-20nm。本发明的实施方式等不能限定本发明的保护范围，只要是依照本发明的权利要求 保护范围所作等同的变化，仍然属于本发明创造涵盖的保护范围之内。
权利要求
1.一种纳米金刚石水分散体的制备方法，其特征在于包括对原始纳米金刚石预处 理、对已处理的纳米金刚石表面处理及分散处理，其中原始纳米金刚石预处理包含以下步 骤a.将原始纳米金刚石与强氧化性酸反应，处理温度为200-30(TC，处理步骤为将待处 理样品浸泡于过量酸性氧化液中，并加热搅拌，直至溶液由黑色变为灰色后，将溶液降温至 室温，用去离子水洗涤至中性；b.经过步骤a处理后的产物，用足量氢氟酸在50-80°C进行处理，将处理后的溶液降温 至室温，用去离子水洗涤至中性；c.经80-100°C真空干燥，得到经预处理的纳米金刚石；经过预处理的纳米金刚石的表面处理及分散处理有以下步骤d.在球磨罐中装入5-10个直径8-10mm的磨球，加入前述经予处理的纳米金刚石 0. l_5g，再加入0. l_2g分散剂于罐中，滴加适量去离子水，再加入0. 1-0. 5g表面活性剂，密 封球磨罐，将球磨罐放入球磨机中，在转速为300-400rpm的条件下在水介质中进行球磨48 小时，得到纳米金刚石的水分散体。
2.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述强氧化性酸选自浓H2S04、浓HN03、 KMn04、HC104的一种或一种以上混合物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述a步骤中的处理温度为 240-280 °C。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述分散剂为萘酚磺酸和甲醛缩合物 的混合物。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述表面活性剂为阴离子表面活性剂 或非离子表面活性剂。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述表面活性剂为阴离子表面活性 剂，选自烷基类磺酸盐、烷基苯磺酸盐或脂肪酸甲酯-a磺酸钠的一种或一种以上的混合 物。
全文摘要
本发明公开了一种纳米金刚石水分散体的制备方法，本方法包括对原始纳米金刚石预处理，纳米金刚石表面处理及分散处理，将原始纳米金刚石经纯化、酸化，在球磨处理时加入分散剂和表面活性剂将经预经处理的纳米金刚石进行分散，利用分散剂和表面活性剂将改性的纳米金刚石分散于水体系中，可得到均匀稳定，分散性好、长期稳定、粒径小、粒径分布窄的纳米金刚石水分散体系。本方法制备的纳米金刚石的水分散体可用于与改性的聚丙烯聚合物共混，在轴承摩擦材料中或塑料壳体材料中的应用。
文档编号C09C3/04GK102002264SQ201010289880
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者刘文利, 王毅, 陈春燕 申请人:电子科技大学中山学院