Inom området precisionspolering har nanodiamanter en extrem Mohs hårdhet på 10, tillsammans med hög specifik yta och hög ytaktivitet på nanoskala. Vid bearbetning av hårda och spröda material som kiselkarbid och safir kan de ta bort material på atomär -nivå. Emellertid tenderar de naturliga nanodiamantpartiklarna som produceras av den för närvarande vanliga detonationen och hög-temperatur-hög-syntesmetoderna (HTHP) att spontant agglomerera. När det används vid polering av arbetsstycken orsakar detta lätt ytrepor, gropar, dålig planhet och andra problem, vilket direkt minskar produktutbytet. Det begränsar också deras användning inom smörjande beläggningar, biosensorer, avancerade-kompositmaterial och andra områden. Därför är effektiv deagglomerering och stabil spridning av nanodiamanter nyckeln till att fullt ut utnyttja deras enastående egenskaper och låsa upp avancerade applikationsmarknader. Den här artikeln börjar med orsakerna till agglomerering av nanodiamanter och går igenom de fyra stora deagglomereringsteknikvägarna som är vanliga i branschen.
Varför klungar nanodiamanter ihop?
Nanodiamantpartiklar är extremt små, med diametrar som sträcker sig från endast 2 till 50 nanometer, och har en mycket stor specifik yta. Fysiskt är de i sig i ett instabilt tillstånd. För att uppnå en mer stabil konfiguration adsorberar dessa ultrafina partiklar spontant till varandra och agglomererar-detta är grundorsaken till deras tendens att klunga ihop sig. Samtidigt har partikelytorna många omättade aktiva platser som lätt adsorberar fukt och föroreningar från luften, vilket ytterligare får partiklar att fästa tätt ihop och förvärrar klumpningsproblemet och bildar konventionella mjuka agglomerat. Typiskt hålls sådana mjuka agglomerat huvudsakligen samman av fysiska krafter såsom van der Waals-krafter, elektrostatisk attraktion och kapillärkrafter, med partiklar i första hand i punkt- eller vinkelkontakt, vilket resulterar i relativt svaga bindningskrafter.
Men nanodiamanter som produceras med detonationsmetoden har kvarvarande föroreningar på sina ytor, såsom grafitkol och amorft kol. Under hög-temperatursyntes kan intilliggande partiklar direkt bilda starka kol-kolbindningar. Tillsammans med uttorkning och härdning av ytgrupper under efterföljande torkning och lagring, resulterar detta i slutändan i täta, starkt bundna hårda agglomerat. Dessa hårda agglomerat kan inte brytas isär av vanliga yttre krafter enbart, vilket utgör en allvarlig utmaning för tillämpningen av nanodiamanter.
Hur deagglomererar man nanodiamanter?
Som svar på ovanstående agglomereringsmekanismer har industrin utvecklat flera typer av deagglomereringstekniker för nanodiamanter, som kan klassificeras i fyra huvudkategorier: fysikaliska spridningsmetoder, oorganiska kemiska metoder, metoder för hög-energifält och metoder för ytkemisk modifiering.
01 Fysikaliska spridningsmetoder
Fysiska spridningsmetoder förlitar sig på mekaniska krafter för att övervinna attraktion mellan partiklar och tvångsbryta upp mjuka agglomerat. Sådana fysiska dispergeringsmedel kan dock inte garantera långtidsstabilitet- av suspensionen och används vanligtvis som hjälpspridningstekniker. Vanliga metoder inkluderar:
(1) Hög-kulfräsning: Detta är den vanligaste mekaniska metoden. Den använder den mekaniska energin som genereras av höghastighetskollisioner och skjuvning mellan slipkulor för att krossa agglomerat av mikronstorlek ner till nanometerskalan. Vanligtvis ger ett dispersionsmedium (t.ex. vatten eller alkoholer) smörjning och preliminär stabilisering, så våtkulfräsning är effektivare än torrkulfräsning.
(2) Ultraljudsassisterad spridning: Denna metod använder kavitationseffekten i vätskor för att deagglomera kluster. Under ultraljudsförökning bildas mikrobubblor i vätskan. Under den periodiska komprimeringen och sällsyntheten av ultraljudsfältet växer dessa bubblor till resonansstorlek och kollapsar sedan våldsamt. Den momentana kollapsen genererar lokaliserade höga temperaturer, högt tryck och kraftfulla chockvågor samt höghastighetsmikrojetstrålar i ett mycket litet utrymme, och stör därigenom van der Waals-krafter, elektrostatisk adsorption och andra bindande krafter mellan partiklar och bryter stora agglomerat till mikron-till nanoskala individuellt.
02 Oorganiska kemiska metoder
Oorganiska kemiska metoder involverar processer som syratvättning, hydreringsglödgning och oxidationsglödgning för att avlägsna metallföreningar och icke-diamantkol (inklusive grafit och amorft kol) från ytan på nanodiamanter, vilket effektivt minskar hård agglomeration.
(1) Syratvätt: Behandling med starka syror som salpetersyra eller saltsyra kan lösa upp och ta bort metalliska föroreningar, samtidigt som ett stort antal syrehaltiga funktionella grupper-tillförs, såsom karboxyl- (-COOH), hydroxyl- (-OH) och karbonyl- (C{=O-diametern)-ytgrupper. I vattenlösningar joniseras dessa polära grupper, vilket ger en negativ ytladdning till partiklarna, genererar elektrostatisk repulsion mellan partiklar och hindrar därmed agglomerering.
(2) Oxidationsglödgning: Uppvärmning av nanodiamanter i luft eller syreatmosfär introducerar på liknande sätt syrehaltiga funktionella grupper på ytan. Jämfört med syraoxidation i flytande fas ligger dess fördel i frånvaron av flytande avfall under bearbetningen, vilket gör den lämplig för storskalig kontinuerlig produktion.
(3) Hydrogeneringsglödgning: I motsats till oxidation involverar hydreringsglödgning uppvärmning av nanodiamanter vid hög temperatur i en väteatmosfär för att avlägsna syrehaltiga ytgrupper, vilket bildar en väteterminerad yta (t.ex. -CH₂-grupper). Efter hydreringsbehandling blir nanodiamantytan hydrofob, vilket avsevärt förbättrar dess dispergerbarhet i opolära lösningsmedel.
03 Högenergifältsmetoder
Högenergifältmetoder använder extrema fysiska fält som laser eller plasma för att verka direkt på de agglomererade strukturerna, effektivt och rent förstör hårda agglomerat av nanodiamanter och främjar stabil spridning i media.
(1) Plasma-assisterad dispersion: Högenergipartiklar (t.ex. joner, elektroner) som genereras av plasma bombarderar nanodiamantagglomeraten, och producerar inte bara starka fysiska effekter och mikrostrålar, utan bryter också direkt kovalenta bindningar mellan nanodiamantpartiklar och ändrar deras ytkemiska tillstånd, vilket i slutändan stör hård agglomeration.
(2) Laserassisterad spridning: Lasrars ultrahöga energitäthet kan å ena sidan direkt bryta kovalenta bindningar mellan nanodiamantpartiklar (särskilt gränsytbindningarna mellan ytskiktet sp²‑hybridiserat kol och sp³ diamantkärnan) såväl som intermolekylära van der Waals-krafter. Å andra sidan kan laserenergin absorberas av flytande media som vatten, vilket utlöser lavinjonisering och genererar plasmaplymer. Den momentana våldsamma expansionen av plasmat skapar starka chockvågor lokalt, som påverkar och bryter den fysiskt bundna strukturen hos nanodiamantagglomerat, och därigenom uppnår effektiv deagglomerering.
04 Organisk kemisk ytmodifiering
Agglomerering är en spontan process med låg aktiveringsenergi. Även om agglomerat tillfälligt bryts isär av yttre krafter, så länge som partikelyttillståndet inte har förändrats i grunden, kommer de nyligen exponerade ytorna snabbt att återaggregera genom de tidigare nämnda krafterna. Organisk kemisk ytmodifiering är därför ett väsentligt sätt att bibehålla dispersionsstabilitet efter deagglomerering genom att ändra partikelyttillståndet. För närvarande inkluderar de huvudsakliga metoderna arylering, sulfonering-diamantfunktionalisering och fotografting.
(1) Arylering: Införande av aromatiska ringgrupper såsom fenyl eller naftyl på nanodiamantytan kan ockupera ytan dinglande bindningsställen, medan det steriska hindret som tillhandahålls av deras stela strukturer effektivt förhindrar partikeltillträde. Dessutom kan de införda aromatiska ringarna tjäna som förankringspunkter för ytterligare funktionalisering.
(2) Sulfonering: Införande av sulfonsyragrupper (-SO₃H) på nanodiamantytan via sulfoneringsreaktioner. Sulfonsyragrupper är starkt sura och joniseras fullständigt i vattenlösning, vilket avsevärt förändrar partiklarnas zetapotential på ytan. Detta genererar stark elektrostatisk repulsion mellan nanodiamantpartiklar, vilket effektivt motverkar van der Waals attraktion och förhindrar återagglomerering, vilket uppnår deagglomerering och bibehåller stabil spridning. Samtidigt förändrar sulfonering ytkemin hos nanodiamanter, vilket förbättrar ytpolariteten och markant förbättrar partikelvätbarheten i polära lösningsmedel (t.ex. vatten).
(3) Fotografering: Användning av ultraviolett eller synligt ljus för att excitera nanodiamantytan eller fotosensibilisatorer för att generera fria radikaler, som initierar polymerisation av olefiniska monomerer på ytan och ympar långa polymerkedjor. Vanliga ympmonomerer inkluderar akrylsyra, akrylamid, metylmetakrylat, etc. Polymerkedjorna antar förlängda konformationer i lösningsmedel och bildar ett steriskt hinderskikt med en tjocklek som sträcker sig från flera nanometer till tiotals nanometer. Den frånstötande kraften ökar kraftigt när avståndet mellan partiklarna minskar, vilket gör detta till ett av de mest effektiva sätten att förhindra agglomeration. Fördelarna med fotografting inkluderar milda reaktionsförhållanden och exakt kontroll av ympdensitet och kedjelängd genom att justera bestrålningstid och monomerkoncentration.