Innenfor presisjonspolering har nanodiamanter en ekstrem Mohs-hardhet på 10, sammen med høyt spesifikt overflateareal og høy overflateaktivitet på nanoskala. Når du behandler harde og sprø materialer som silisiumkarbid og safir, er de i stand til å fjerne materiale på -atomnivå. Imidlertid har de native nanodiamantpartiklene som produseres av den for tiden mainstream-detonasjon og høy-temperatur-høy--syntesemetoder (HTHP) en tendens til å spontant agglomerere. Når det brukes til polering av arbeidsstykker, forårsaker dette lett overflateriper, groper, dårlig flathet og andre problemer, noe som direkte reduserer produktutbyttet. Det begrenser også deres anvendelse innen smørende belegg, biosensing,-komposittmaterialer av høy kvalitet og andre felt. Derfor er effektiv deagglomerering og stabil spredning av nanodiamanter nøkkelen til å utnytte deres enestående egenskaper fullt ut og låse opp avanserte applikasjonsmarkeder. Denne artikkelen starter med årsakene til agglomerering av nanodiamanter og gjennomgår de fire store deagglomereringsteknologirutene som er utbredt i industrien.
Hvorfor klynger nanodiamanter seg sammen?
Nanodiamantpartikler er ekstremt små, med diametre som varierer fra bare 2 til 50 nanometer, og har et veldig stort spesifikt overflateareal. Fysisk er de iboende i en ustabil tilstand. For å oppnå en mer stabil konfigurasjon adsorberer disse ultrafine partiklene spontant til hverandre og agglomererer-dette er grunnårsaken til deres tendens til å klynge seg sammen. Samtidig har partikkeloverflatene mange umettede aktive steder som lett adsorberer fuktighet og urenheter fra luften, noe som ytterligere forårsaker at partikler fester seg tett sammen og forverrer klumpingsproblemet, og danner konvensjonelle myke agglomerater. Vanligvis holdes slike myke agglomerater hovedsakelig sammen av fysiske krefter som van der Waals-krefter, elektrostatisk tiltrekning og kapillærkrefter, med partikler primært i punkt- eller vinkelkontakt, noe som resulterer i relativt svake bindingskrefter.
Imidlertid har nanodiamanter produsert ved detonasjonsmetoden gjenværende urenheter på overflaten, som grafittisk karbon og amorft karbon. Under høy-temperatursyntese kan tilstøtende partikler direkte danne sterke karbon-karbonbindinger. Sammen med dehydrering og herding av overflategrupper under påfølgende tørking og lagring, resulterer dette til slutt i tette, sterkt bundne harde agglomerater. Disse harde agglomeratene kan ikke brytes fra hverandre av vanlige ytre krefter alene, og utgjør en alvorlig utfordring for bruken av nanodiamanter.
Hvordan deagglomerere nanodiamanter?
Som svar på de ovennevnte agglomereringsmekanismene har industrien utviklet flere typer deagglomerasjonsteknologier for nanodiamanter, som kan klassifiseres i fire hovedkategorier: fysiske spredningsmetoder, uorganiske kjemiske metoder, metoder for høy-energifelt og kjemiske modifikasjonsmetoder på overflaten.
01 Fysiske spredningsmetoder
Fysiske spredningsmetoder er avhengige av mekaniske krefter for å overvinne interpartikkeltiltrekning og med makt bryte opp myke agglomerater. Slike fysiske spredningsmidler kan imidlertid ikke garantere langsiktig-stabilitet av suspensjonen og brukes vanligvis som hjelpespredningsteknikker. Vanlige metoder inkluderer:
(1) Høy-kulefresing: Dette er den vanligste mekaniske metoden. Den bruker den mekaniske energien som genereres av høyhastighetskollisjoner og skjæring mellom slipekuler for å knuse mikronstore agglomerater ned til nanometerskalaen. Vanligvis gir et dispersjonsmedium (f.eks. vann eller alkoholer) smøring og foreløpig stabilisering, så våt kulefresing er mer effektiv enn tørr kulefresing.
(2) Ultralyd-assistert spredning: Denne metoden utnytter kavitasjonseffekten i væsker for å deagglomere klynger. Under ultralydspredning dannes det mikrobobler i væsken. Under den periodiske komprimeringen og sjeldne ultralydfeltet vokser disse boblene til resonansstørrelse og kollapser deretter voldsomt. Den øyeblikkelige kollapsen genererer lokaliserte høye temperaturer, høyt trykk og kraftige sjokkbølger samt høyhastighets mikrojetstråler på et veldig lite rom, og forstyrrer derved van der Waals-krefter, elektrostatisk adsorpsjon og andre bindingskrefter mellom partikler, og bryter store agglomerater i mikron-til nanoskalaspredning individuelt.
02 Uorganiske kjemiske metoder
Uorganiske kjemiske metoder involverer prosesser som syrevasking, hydrogeneringsgløding og oksidasjonsgløding for å fjerne metalliske forbindelser og ikke-diamantkarbon (inkludert grafitt og amorft karbon) fra overflaten av nanodiamanter, og dermed effektivt redusere hard agglomerasjon.
(1) Syrevasking: Behandling med sterke syrer som salpetersyre eller saltsyre kan løse opp og fjerne metalliske urenheter, samtidig som det introduseres et stort antall oksygenholdige funksjonelle grupper-som karboksyl (-COOH), hydroksyl (-OH) og karbonyl (C{{3}nanomond)-overflategruppene. I vandige løsninger ioniserer disse polare gruppene, og gir en negativ overflateladning til partiklene, genererer elektrostatisk frastøtning mellom partiklene og hindrer dermed agglomerering.
(2) Oksidasjonsgløding: Oppvarming av nanodiamanter i luft eller oksygenatmosfære introduserer på samme måte oksygenholdige funksjonelle grupper på overflaten. Sammenlignet med syreoksidasjon i flytende fase, ligger fordelen i fraværet av flytende avfall under behandlingen, noe som gjør den egnet for kontinuerlig produksjon i stor skala.
(3) Hydrogeneringsgløding: I motsetning til oksidasjon involverer hydrogeneringsgløding oppvarming av nanodiamanter ved høy temperatur i en hydrogenatmosfære for å fjerne oksygenholdige overflategrupper, og danner en hydrogenterminert overflate (f.eks. -CH₂-grupper). Etter hydrogeneringsbehandling blir nanodiamantoverflaten hydrofob, noe som forbedrer dens dispergerbarhet betydelig i ikke-polare løsningsmidler.
03 Høyenergifeltmetoder
Høyenergifeltmetoder bruker ekstreme fysiske felt som lasere eller plasma for å virke direkte på de agglomererte strukturene, effektivt og rent ødelegge harde agglomerater av nanodiamanter og fremme stabil spredning i media.
(1) Plasma-assistert dispersjon: Høyenergipartikler (f.eks. ioner, elektroner) generert av plasma bombarderer nanodiamantagglomeratene, og produserer ikke bare sterke fysiske påvirkninger og mikrostråler, men bryter også direkte kovalente bindinger mellom nanodiamantpartikler og endrer deres overflatekjemiske tilstander, noe som til slutt forstyrrer hard agglomerasjon.
(2) Laserassistert spredning: Den ultrahøye energitettheten til lasere kan på den ene siden bryte kovalente bindinger mellom nanodiamantpartikler (spesielt grenseflatebindingene mellom overflaten sp²-hybridisert karbonlag og sp³ diamantkjernen) så vel som intermolekylære van der Waals-krefter. På den annen side kan laserenergien absorberes av flytende medier som vann, som utløser skredionisering og genererer plasmaplumer. Den øyeblikkelige voldsomme ekspansjonen av plasmaet skaper sterke sjokkbølger lokalt, som påvirker og bryter den fysisk bundne strukturen til nanodiamantagglomeratene, og oppnår dermed effektiv deagglomerasjon.
04 Overflate Organisk Kjemisk Modifikasjon
Agglomerasjon er en spontan prosess med lav aktiveringsenergi. Selv om agglomerater midlertidig brytes fra hverandre av ytre krefter, så lenge partikkeloverflatetilstanden ikke er fundamentalt endret, vil de nylig eksponerte overflatene raskt samle seg på nytt gjennom de nevnte kreftene. Overflateorganisk kjemisk modifikasjon er derfor et viktig middel for å opprettholde dispersjonsstabilitet etter deagglomerering ved å endre partikkeloverflatetilstanden. For tiden inkluderer hovedtilnærmingene arylering, sulfonering-diamantfunksjonalisering og fotografting.
(1) Arylering: Å introdusere aromatiske ringgrupper som fenyl eller naftyl på nanodiamantoverflaten kan okkupere hengende bindingssteder på overflaten, mens den steriske hindringen gitt av deres stive strukturer effektivt forhindrer partikkeltilnærming. I tillegg kan de introduserte aromatiske ringene tjene som forankringspunkter for ytterligere funksjonalisering.
(2) Sulfonering: Introdusere sulfonsyregrupper (-SO₃H) på nanodiamantoverflaten via sulfoneringsreaksjoner. Sulfonsyregrupper er sterkt sure og fullstendig ioniseres i vandig løsning, noe som endrer overflate-zetapotensialet til partiklene betydelig. Dette genererer sterk elektrostatisk frastøting mellom nanodiamantpartikler, som effektivt motvirker van der Waals-tiltrekning og forhindrer re-agglomerasjon, og oppnår dermed deagglomerasjon og opprettholder stabil spredning. Samtidig endrer sulfonering overflatekjemien til nanodiamanter, forbedrer overflatepolariteten og forbedrer partikkelfuktbarheten i polare løsningsmidler (f.eks. vann).
(3) Fotografering: Bruk av bestråling med ultrafiolett eller synlig lys for å eksitere nanodiamantoverflaten eller fotosensibilisatorer for å generere frie radikaler, som initierer polymerisering av olefiniske monomerer på overflaten, pode lange polymerkjeder. Vanlige podemonomerer inkluderer akrylsyre, akrylamid, metylmetakrylat, etc. Polymerkjedene antar utvidede konformasjoner i løsemidler, og danner et sterisk hindringslag med tykkelse fra flere nanometer til titalls nanometer. Den frastøtende kraften øker kraftig når avstanden mellom partikler avtar, noe som gjør dette til et av de mest effektive virkemidlene for å forhindre agglomerering. Fordelene med fotografting inkluderer milde reaksjonsbetingelser og presis kontroll av podetetthet og kjedelengde ved å justere bestrålingstid og monomerkonsentrasjon.