爆轰纳米金刚石在水中稳定分散研究

论文摘要

爆轰纳米金刚石具有超硬特性和良好的化学稳定性、生物兼容性,具有很广阔的应用前景,但是由于团聚问题没有得到解决,始终制约其应用进展。因此,推动爆轰纳米金刚石应用研究和产业发展必须对爆轰纳米金刚石进行解团聚处理。本文选用爆轰纳米金刚石黑粉（DND-B）;高纯度爆轰纳米金刚石灰粉（UFDND-A）;爆轰纳米金刚灰粉（DND-A）。采用酸处理氧化、气相热处理氧化对DND-B进行表面改性,机械化学改性对DND-A和UFDND-A进行表面改性调节其表面官能团构成来实现在不同溶剂中稳定分散。采用红外光谱、激光粒度仪、透射电镜对改性后的纳米金刚石（MDND-A、MUFDND-A）的官能团、粒度分布和形貌进行评估。对MDND-A和一定比例的表面活性剂、助表面活性剂、油相、蒸馏水制成的微乳液的形成机理、机械改性加入的表面活性剂的表面吸附机理进行研究和归纳。氧化性酸氧化处理DND-B,实验表明：颗粒表面的烃类等基团被氧化成羧酸官能团,离解使得颗粒负电性最强。红外光谱表明：高温热处理可以氧化DND-B和UFDND-A表面的含碳官能团变成羧酸官能团,具有明显的解团聚作用,使颗粒减小,再加上表面含氧官能团羧基的增多,有利于DND-B和UFDND-A在水中实现较好的分散。X射线衍射分析表明空气中热处理对DND-B和UFDND-A表面的非金刚石相具有氧化作用,同时还可以对金刚石晶形貌有所改善。对UFDND-A进行机械化学改性,激光粒度仪表明：所得到的MUFDND-A粒度分布为评判标准,得到最佳的研磨改性工艺条件为：研磨介质氧化锆为250g,分散介质水为100g,吐温为分散剂,UFDND-A与吐温质量比q为1左右,研磨转速为2000n/min,研磨时间为1.5h。DND-A经过油相机械化学改性后的,油相非极性官能团C-H在DND-A表面发生了很好的吸附,油相的基团和DND-A表面的亲水基团-OH、-COOH发生了键合,使得MDND-A表面羟基-OH,羧基-COOH较DND-A有所减少。机械化学改性后的（MDND-A）,形成的MDND-A O/W微乳液体系稳定,微乳液静置期间,DND-A纳米粒子存在逐渐长大的现象,但是粒子长大的速度很慢,七周后粒子平均粒径由原来的13.04nm增大到26.14nm,仅仅长大13.1nm。在静置过程期间,未发生沉淀和分层现象。MDND-A表面的非极性官能团C-H增加,极性官能团-OH、-COOH的减少对MDND-A形成稳定的MDND-A O/W微乳液有很重要的意义。DND-A经过吐温机械化学改性后,DND-A表面吸附了大量亲油性官能团烃基。tween-80在DND-A表面吸附,形成了很好的覆盖层,DND-A表面官能团几乎为tween-80的官能团。通过本文研究,可以工程化的解决纳米金刚石硬团聚问题,实现纳米金刚石在水中的稳定分散,有利于推动这种优良性能的纳米材料的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料、研究意义、性质及其研究现状
• 1.1.1 纳米材料及其研究意义
• 1.1.2 纳米材料的性质
• 1.1.3 纳米材料研究现状
• 1.2 纳米金刚石合成技术及应用
• 1.2.1 纳米金刚石合成技术
• 1.2.2 纳米金刚石应用现状
• 1.3 纳米金刚石分散研究
• 1.3.1 纳米金刚石表面性能研究
• 1.3.2 纳米金刚石分散意义
• 1.3.3 纳米金刚石形态和团聚机理
• 1.3.4 纳米金刚石分散方法
• 1.3.5 纳米金刚石化学改性方法及改性剂
• 1.3.6 纳米金刚石在溶液介质中分散理论
• 1.3.7 纳米金刚石改性结果测量
• 1.4 本文研究目的、意义及主要研究内容
• 1.4.1 纳米金刚石研究存在的问题
• 1.4.2 本文研究的目的及意义
• 1.4.3 本文选DND-B、UFDND-A、DND-A研究的目的及意义
• 1.4.4 本文研究工作
• 2 爆轰纳米金刚石合成、纯化及表征
• 2.1 爆轰纳米金刚石合成
• 2.1.1 爆轰纳米金刚石合成机理
• 2.1.2 爆轰纳米金刚石提纯方法
• 2.2 爆轰纳米金刚石表征
• 2.2.1 爆轰纳米金刚石表征及性质
• 2.2.2 爆轰纳米金刚石性质及碳原子个数
• 2.3 本章小结
• 3 氧化改性对爆轰纳米金刚石表面官能团的影响
• 3.1 引言
• 3.2 酸处理机理及其对DND-B表面性能的影响
• 3.2.1 酸处理机理
• 3.2.2 DND-B酸处理氧化
• 3.3 热处理对DND-B和UFDND-A表面性能的影响
• 3.3.1 热处理对DND-B和UFDND-A表面官能团的影响
• 3.3.2 UFDND-A空气热处理后粒度分布
• 3.3.3 DND-B和UFDND-A在空气中氧化过程及机理
• 3.4 本章小结
• 4 爆轰纳米金刚石机械化学改性和研磨因素分析
• 4.1 机械化学改性原理
• 4.2 研磨机工作原理
• 4.3 研磨因素分析
• 4.3.1 研磨介质对研磨影响
• 4.3.2 料球水比例对研磨影响
• 4.3.3 研磨机转速对研磨影响
• 4.3.4 研磨时间对研磨影响
• 4.3.5 电解质、表面活性剂种类及量对研磨影响
• 4.4 本章小结
• 5 水介质中纳米金刚石表面改性及稳定分散研究
• 5.1 引言
• 5.2 UFDND-A超声改性及分散
• 5.3 机械研磨加油改性后MDND-AO/W微乳液制备及分散
• 5.3.1 MDND-A O/W微乳液制备及官能团分析
• 5.3.2 MDND-A形成MDND-A O/W微乳液机理
• 5.3.3 MDND-A O/W微乳液粒度分析
• 5.3.4 MDND-A O/W微乳液制备讨论
• 5.4 机械研磨加tween-80改性后MDND-AO/W微乳液制备及分散
• 5.4.1 MDND-A形成微乳液粒度分析
• 5.4.2 DND-A和MDND-A红外光谱分析
• 5.5 机械研磨加tween-80改性后MDND-A悬浮液制备及分散
• 5.5.1 MDND-A表面官能团分析和吸附情况
• 5.5.2 MDND-A悬浮液粒度分析
• 5.5.3 MDND-A悬浮液性能
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢