În domeniul lustruirii de precizie, nanodiamantele posedă o duritate Mohs extremă de 10, împreună cu o suprafață specifică mare și o activitate ridicată a suprafeței la scară nanometrică. Când se prelucrează materiale dure și fragile, cum ar fi carbura de siliciu și safirul, acestea sunt capabile să îndepărteze materialul la nivel-atomic. Cu toate acestea, particulele native de nanodiamant produse prin detonarea curentă curentă și metodele de sinteză la temperatură înaltă-presiune (HTHP) tind să se aglomera spontan. Când este utilizat la lustruirea piesei de prelucrat, acest lucru cauzează cu ușurință zgârieturi la suprafață, gropi, planeitate slabă și alte probleme, reducând direct randamentul produsului. De asemenea, limitează aplicarea lor în acoperiri lubrifiante, biosensing, materiale compozite de ultimă generație și în alte domenii. Prin urmare, dezaglomerarea eficientă și dispersia stabilă a nanodiamantelor sunt esențiale pentru a valorifica pe deplin proprietățile lor remarcabile și pentru a debloca piețele de aplicații de vârf-. Acest articol începe cu cauzele aglomerării nanodiamantelor și trece în revistă cele patru rute majore ale tehnologiei de deaglomerare predominante în industrie.
De ce se adună nanodiamantele?
Particulele de nanodiamond sunt extrem de mici, cu diametre cuprinse între 2 și 50 de nanometri și au o suprafață specifică foarte mare. Din punct de vedere fizic, ei sunt în mod inerent într-o stare instabilă. Pentru a obține o configurație mai stabilă, aceste particule ultrafine se adsorb spontan unele la altele și se aglomerează-aceasta este cauza principală a tendinței lor de a se aglomera. În același timp, suprafețele particulelor au multe locuri active nesaturate care absorb ușor umiditatea și impuritățile din aer, determinând în continuare particulele să adere strâns între ele și exacerbând problema de aglomerare, formând aglomerate moi convenționale. În mod obișnuit, astfel de aglomerate moi sunt ținute în principal împreună de forțe fizice, cum ar fi forțele van der Waals, atracția electrostatică și forțele capilare, cu particule în principal în contact punctual sau unghiular, rezultând forțe de legătură relativ slabe.
Cu toate acestea, nanodiamantele produse prin metoda detonării au impurități reziduale pe suprafața lor, cum ar fi carbonul grafitic și carbonul amorf. În timpul sintezei-la temperaturi ridicate, particulele adiacente pot forma direct legături puternice carbon-carbon. Împreună cu deshidratarea și întărirea grupurilor de suprafață în timpul uscării și depozitării ulterioare, acest lucru are ca rezultat în cele din urmă aglomerate dure dense, puternic legate. Aceste aglomerate dure nu pot fi sparte numai de forțele externe obișnuite, ceea ce reprezintă o provocare serioasă pentru aplicarea nanodiamantelor.
Cum să deaglomerați nanodiamantele?
Ca răspuns la mecanismele de aglomerare de mai sus, industria a dezvoltat mai multe tipuri de tehnologii de deaglomerare pentru nanodiamante, care pot fi clasificate în patru categorii majore: metode de dispersie fizică, metode chimice anorganice, metode de câmp de energie înaltă-și metode de modificare chimică la suprafață.
01 Metode de dispersie fizică
Metodele de dispersie fizică se bazează pe forțele mecanice pentru a depăși atracția dintre particule și a distruge forțat aglomeratele moi. Cu toate acestea, astfel de mijloace fizice de dispersie nu pot garanta stabilitatea-pe termen lung a suspensiei și sunt utilizate de obicei ca tehnici de dispersie auxiliare. Metodele comune includ:
(1) Frezare cu bile-de înaltă energie: Aceasta este cea mai comună metodă mecanică. Utilizează energia mecanică generată de coliziunile cu viteză mare-și de forfecare între bile de măcinare pentru a zdrobi aglomeratele de dimensiuni micronizate la scara nanometrică. De obicei, un mediu de dispersie (de exemplu, apă sau alcooli) asigură lubrifierea și stabilizarea preliminară, astfel încât măcinarea umedă cu bile este mai eficientă decât măcinarea uscată cu bile.
(2) Dispersie asistată cu ultrasunete: Această metodă utilizează efectul de cavitație în lichide pentru a dezaglomera clusterele. În timpul propagării cu ultrasunete, în lichid se formează microbule. Sub compresia periodică și rarefierea câmpului ultrasonic, aceste bule cresc până la dimensiunea rezonanței și apoi se prăbușesc violent. Prăbușirea instantanee generează temperaturi ridicate localizate, presiune ridicată și unde de șoc puternice, precum și microjeturi de mare viteză într-un spațiu foarte mic, perturbând astfel forțele van der Waals, adsorbția electrostatică și alte forțe de legare între particule și descompunând aglomeratele mari în particule dispersate individual la scară nanometrică.
02 Metode chimice anorganice
Metodele chimice anorganice implică procese precum spălarea cu acid, recoacere prin hidrogenare și recoacere prin oxidare pentru a îndepărta compușii metalici și carbonul non-diamant (inclusiv grafitul și carbonul amorf) de pe suprafața nanodiamantelor, reducând astfel eficient aglomerarea tare.
(1) Spalare cu acid: Tratarea cu acizi puternici, cum ar fi acidul azotic sau acidul clorhidric poate dizolva și îndepărta impuritățile metalice, introducând, de asemenea, un număr mare de grupări funcționale care conțin oxigen-cum ar fi carboxil (-COOH), hidroxil (-OH) și carbonil (C=O) la suprafața{{4}diamondului. În soluțiile apoase, aceste grupări polare ionizează, conferind particulelor o sarcină de suprafață negativă, generând repulsie electrostatică între particule și împiedicând astfel aglomerarea.
(2) Recoacere prin oxidare: Încălzirea nanodiamantelor în atmosfere de aer sau oxigen introduce în mod similar grupări funcționale care conțin oxigen pe suprafață. În comparație cu oxidarea acidă în fază lichidă, avantajul acesteia constă în absența generării de deșeuri lichide în timpul procesării, ceea ce îl face potrivit pentru producția continuă la scară largă.
(3) Recoacere prin hidrogenare: Spre deosebire de oxidare, recoacere prin hidrogenare implică încălzirea nanodiamantelor la temperatură ridicată într-o atmosferă de hidrogen pentru a îndepărta grupările de suprafață care conțin oxigen, formând o suprafață terminată cu hidrogen (de exemplu, grupele -CH₂). După tratamentul de hidrogenare, suprafața nanodiamondului devine hidrofobă, îmbunătățindu-și semnificativ dispersibilitatea în solvenți nepolari.
03 Metode de câmp cu energie ridicată
Metodele de câmp de înaltă energie utilizează câmpuri fizice extreme, cum ar fi laserele sau plasmă, pentru a acționa direct asupra structurilor aglomerate, distrugând eficient și curat aglomeratele dure de nanodiamante și promovând o dispersie stabilă în medii.
(1) Dispersie asistată de plasmă: Particulele de înaltă energie (de exemplu, ioni, electroni) generate de plasmă bombardează aglomeratele de nanodiamond, nu numai producând impacturi fizice puternice și microjet, dar și rupând direct legăturile covalente dintre particulele de nanodiamond și modificându-le stările chimice de suprafață, perturbând în cele din urmă aglomerarea dură.
(2) Dispersie asistată cu laser: Densitatea de energie ultra-înaltă a laserelor poate, pe de o parte, să rupă direct legăturile covalente dintre particulele de nanodiamond (în special legăturile interfațiale dintre stratul de carbon hibridizat cu sp² de suprafață și miezul de diamant sp³), precum și forțele intermoleculare van der Waals. Pe de altă parte, energia laserului poate fi absorbită de medii lichide, cum ar fi apa, declanșând ionizarea avalanșă și generând penaj de plasmă. Expansiunea violentă instantanee a plasmei creează unde de șoc puternice la nivel local, impactând și rupând structura legată fizic a aglomeratelor de nanodiamante, realizând astfel o deaglomerare eficientă.
04 Modificarea chimică organică la suprafață
Aglomerarea este un proces spontan cu energie de activare scăzută. Chiar dacă aglomeratele sunt rupte temporar de forțe externe, atâta timp cât starea suprafeței particulelor nu a fost schimbată fundamental, suprafețele nou expuse se vor reagrega rapid prin forțele menționate mai sus. Modificarea chimică organică de suprafață este, prin urmare, un mijloc esențial pentru a menține stabilitatea dispersiei după deaglomerare prin modificarea stării suprafeței particulelor. În prezent, principalele abordări includ arilarea, funcționalizarea sulfonării-diamant și fotogrefa.
(1) arilare: Introducerea unor grupări inelare aromatice, cum ar fi fenil sau naftil, pe suprafața nanodiamantului poate ocupa locurile de legătură care atârnă la suprafață, în timp ce obstacolul steric oferit de structurile lor rigide previne în mod eficient apropierea particulelor. În plus, inelele aromatice introduse pot servi drept puncte de ancorare pentru funcționalizarea ulterioară.
(2) Sulfonare: Introducerea grupărilor de acid sulfonic (-SO₃H) pe suprafața nanodiamantului prin reacții de sulfonare. Grupările de acid sulfonic sunt puternic acide și ionizează complet în soluție apoasă, modificând semnificativ potențialul zeta de suprafață al particulelor. Acest lucru generează o repulsie electrostatică puternică între particulele de nanodiamond, contracarând eficient atracția van der Waals și prevenind reaglomerarea, realizând astfel deaglomerarea și menținând dispersia stabilă. În același timp, sulfonarea modifică chimia de suprafață a nanodiamantelor, sporind polaritatea suprafeței și îmbunătățind semnificativ umectarea particulelor în solvenți polari (de exemplu, apă).
(3) Fotografing: Utilizarea iradierii cu lumină ultravioletă sau vizibilă pentru a excita suprafața nanodiamantului sau a fotosensibilizatorilor pentru a genera radicali liberi, care inițiază polimerizarea monomerilor olefinici la suprafață, grefând lanțuri polimerice lungi. Monomerii de grefare obișnuiți includ acid acrilic, acrilamidă, metacrilat de metil etc. Lanțurile polimerice iau conformații extinse în solvenți, formând un strat de împiedicare steric cu grosime cuprinsă între câțiva nanometri la zeci de nanometri. Forța de respingere crește brusc pe măsură ce distanța dintre particule scade, ceea ce face ca acesta să fie unul dintre cele mai eficiente mijloace de prevenire a aglomerației. Avantajele fotogrefei includ condiții de reacție blânde și control precis al densității de grefare și al lungimii lanțului prin ajustarea timpului de iradiere și a concentrației de monomer.