[发明专利]制备负ζ纳米金刚石分散体的方法和负ζ纳米金刚石分散体

说明书

发明领域

本发明涉及制备负ζ单一数位(singledigit)羧化纳米金刚石分散体的方法和负ζ单一数位羧化纳米金刚石分散体。

背景技术

纳米金刚石(ND)，也称为超纳米结晶金刚石或超分散金刚石(UDD)，是可容易通过爆轰合成以数百千克生产的独特纳米材料。

爆轰纳米金刚石(ND)，首先在1963年由USSR的研究者利用负氧平衡通过爆炸分解高爆炸性混合物在非氧化介质中合成。典型爆炸性混合物为三硝基甲苯(TNT)和六素精(RDX)的混合物，且TNT/RDX的优选重量比为40/60。

作为爆轰合成的结果，得到含有金刚石的烟灰，也称为爆轰混合物。这种混合物包含一般具有约2至8nm平均粒径的纳米金刚石颗粒和不同种类的被金属污染的非金刚石碳及来自爆轰室的材料的金属氧化物颗粒。爆轰混合物中纳米金刚石的含量一般在30%重量和75%重量之间。

从爆轰得到的包含纳米金刚石的混合物包含同样的硬附聚物，一般具有高于1mm直径。这些附聚物难以破碎。另外，混合物的粒径分布很宽。

金刚石碳包括sp³碳，非金刚石碳主要包括sp²碳物类，例如，洋葱碳、碳富勒烯壳、无定形碳、石墨碳或其任何组合。

纯化爆轰混合物有多种方法。纯化阶段被认为是制备纳米金刚石中最复杂和昂贵的阶段。

为了分离最终含有金刚石的产物，使用指向溶解或气化材料中存在的杂质的复杂化学操作。通常，杂质有两类：非碳(金属氧化物、盐等)和非金刚石形碳(石墨，炭黑、无定形碳)。

化学纯化技术基于金刚石和非金刚石形碳对氧化剂的不同稳定性。液相氧化剂对气体或固体系统提供优势，因为它们允许在反应区域中得到较高反应剂浓度，因此，提供高反应速率。

近几年来，由于在电镀(电解和无电二者)、抛光、各种聚合物机械和热复合材料、CVD种晶、石油和润滑剂添加剂内的几种现有应用和可能的新应用(例如，冷光成像、药物递送、量子工程等)，纳米金刚石已引起越来越多的关注。

可得的纳米金刚石材料具有多种不同表面官能并因此具有附聚作用(数百纳米至数微米)这一情况实际上限制其用于工业应用。在应用附聚纳米金刚石级时，一般需要很高填料填充量，使其成本效用不可能用于今天的大多数应用。另外，纳米金刚石附聚实际上限制或阻止不同应用最终产品技术性能的优化。附聚使纳米金刚石不可能用于一些应用，其中产品光学性质必须保持；附聚引起在抛光和精细抛光应用中的擦划；附聚可对聚合物复合材料机械性能具有直接的不利作用；在电镀电解质或无电沉积化学品中附聚(由于非最佳纳米金刚石ζ电势，与电解质pH范围相关)使其完全不可能用于产生机械改良金属涂层；附聚实际阻止纳米金刚石用作药物载体材料；附聚对CVD产生的金刚石薄膜品质具有不利作用，等等。

只有纳米金刚石基本为单官能类型，并因此根据表面改性类型对不同溶剂和聚合物、金属或陶瓷材料具有最高可能的亲合性，才能实现以其粉末、悬浮体和分散体形式成本有效和技术优化地使用纳米金刚石材料。这种基本单官能化也应实现制备单一数位纳米金刚石分散体(其中纳米金刚石基本为一次颗粒，无附聚物形式的分散体)。根据表面官能化的类型，这种基本单官能化纳米金刚石具有高度正或负的ζ电势值。

ζ电势的意义是，其值可与胶体分散体的稳定性相关。ζ电势表示分散体中相邻的类似电荷颗粒之间的排斥程度。对于足够小的分子和颗粒，高ζ电势给予稳定性，即，溶液或分散体将抗聚集。在电势低时，吸引力大于排斥力，分散体将破坏和絮凝。因此，具有高ζ电势(负或正)的胶体电稳定，而具有低ζ电势的胶体倾向于凝结或絮凝。如果ζ电势为0至±5mV，则胶体经历快速凝结或絮凝。±10mV至±30mV的ζ电势值表示胶体(分散体)的初始不稳定性，±30mV至±40mV的值表示中度稳定性，±40mV至±60mV值表示良好稳定性，只有大于±60mVζ电势达到极佳稳定性。

为了在技术上可行和成本有效，纳米金刚石单一数位分散体应具有高纳米金刚石浓度。优选纳米金刚浓度应超过2%重量。如果浓度太低，则必须将太多过量溶剂加入应用过程，这对电镀中金属离子和其它添加剂浓度、涂料和油漆中聚合物树脂含量具有不利影响，因此剧烈改变固化过程，等等。

已研发用不同官能基使纳米金刚石官能化的数种方法。典型的官能化纳米金刚石为羧化纳米金刚石、羟基化纳米金刚石和氢化纳米金刚石，但仍包含一般带相反电荷的官能的混合物，和因此有普通ζ电势值，因此，不能以其溶剂分散体形式得到。