[发明专利]一种甲基纤维素－纳米金刚石衍生物及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种衍生物，特别是涉及一种甲基纤维素-纳米金刚石衍生物，以及该种衍生物的制备方法和用途，属于天然高分子领域，也属于纳米材料领域。

背景技术

纳米金刚石由于兼具金刚石本身的高硬度、耐磨性，纳米材料的表面效应、量子尺寸效应，以及形貌规则、比表面积大、德拜温度低、化学活性强等特性，因此在润滑、超精抛光、表面工程等领域极具应用价值(邹芹，王明智，王艳辉，金刚石与磨料磨具工程，2，54，2003；A.M.Stawer，N.V.Gubareva，Fizika Goreniiai Vzryva，20(5)，100，1984；陈鹏万，恽寿榕，黄风雷，等，超硬材料与工程，3，1-5，1997；徐康，薛群基，化学进展，9(2)，201-208，1997)。如润滑油中添加适量的超分散金刚石微粒，可使摩擦系数减小10-50％，磨损量减小1/3-1/4(张书达，季德钢，宋兰庭，工程机械，6，31，2005)。但是，纳米金刚石比表面大，比表面能高，处于热力学不稳定状态，因此容易团聚为微米级，最终形成较大的块状聚集体而从润滑介质中沉淀下来，从而丧失其作为纳米粒子所具有的独特功能。这是纳米金刚石诞生二十多年来一直未能大量应用的重要原因。因此，如何有效改善纳米金刚石在介质中的分散性，并增强其分散稳定性是一个急待解决的关键性问题。

为了从根本上改善纳米金刚石在介质中的分散效果，得到具有水/有机可溶性、分散性好、长期稳定、粒径小、粒径分布窄的纳米粒子，必须采取化学改性的方法，在分子水平上对纳米金刚石进行修饰，合成出结构新颖的纳米金刚石衍生物，从而削弱纳米粒子的表面吸附作用，使纳米粒子间的排斥作用能显著增强，有效阻止纳米粒子的重新聚集，突现纳米金刚石在介质中的溶解和稳定分散。日本的Nakamura T.等采用光化学等方法得到了氟化的纳米金刚石，发现其摩擦系数降低到0.1，表面活化能减小(T.Nakamura，T.Ohana，M Hasegawa，et al，New Diamond and Frontier Carbon Technology，15(6)，313-324，2005；T.Nakamura，M.Hasegawa，K.Tsugawa，et al，Diamond and Related Materials，15(4-8)，678-681，2006)。美国Rice大学的Liu Y.等利用氟化的纳米金刚石(含氟量为8.6at.％)进一步与烷基锂、二元胺、氨基酸等化合物的亲核取代反应，合成了一系列纳米金刚石的共价衍生物，这些衍生物具有良好的有机溶剂溶解性，因而纳米金刚石的团聚减少(Y.Liu，Z.N.Gu，J.L.Margrave，et al，Chemistry of Materials，16(20)，3924-3930，2004)。但上述对纳米金刚石进行的化学改性存在如下弊端：其一，小分子有机化合物，如氨基酸等的分子链较短，立体结构较简单，因此在纳米金刚石表面所产生的空间位阻效应有限；其二，制备条件较为苛刻，如纳米金刚石的氟化过程需要使用Monel高强度耐腐蚀铜镍合金反应容器，同时需采用成本昂贵的氦气和氟气，且氟气使用不当容易发生危险，因而限制了这类改性方法的规模化应用。另外，由于一些化合物，如含苯环的有机物具有较强毒性，因而采用这类化合物修饰纳米金刚石，其共价衍生物的毒性将导致环境问题。因此，选择合适的物质，及新颖的化学改性方法对纳米金刚石进行表面修饰显得尤为紧迫和重要。

作为非离子型纤维素醚的典型代表，甲基纤维素于1912年首次研制成功，并于1923年开始工业规模生产，目前全球年产量约7万吨，是最早研究和生产的纤维素醚衍生物之一(高洁，汤烈贵.纤维素科学.北京：科学出版社，1996)。甲基纤维素是纤维素的吡喃葡萄糖环中的羟基部分或全部被甲氧基取代的衍生物，属无毒、生物相容、生物可降解、环境友好、价格低廉、用之不竭的天然可再生高分子材料(许冬生.纤维素衍生物.北京：化学工业出版社，2001)。随取代度增加，甲基纤维素可依次溶于稀碱溶液、水、醇及烃等有机溶剂，目前已广泛应用于高性能膜材料、医药、涂料、胶粘剂等领域。