CN106118596A

CN106118596A - 一种新型纳米碳晶研磨液及其制备方法

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Publication number: CN106118596A
Application number: CN201610426968.XA
Authority: CN
Inventors: 郭留希; 武艳强; 赵清国; 刘永奇; 杨晋中; 张建华; 邵静茹; 穆小娜
Original assignee: Zhengzhou Synthetic Diamond and Products Engineering Technology Research Center Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Synthetic Diamond and Products Engineering Technology Research Center Co Ltd
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2016-11-16

Abstract

本发明公开了一种具有良好悬浮性的新型纳米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制备而成：纳米碳晶0.01‑20%、分散剂0‑8%、抗菌剂0.5‑10%、增稠剂0.1‑5%、润湿剂0.5‑10%，余量为水。本发明还公开了该新型纳米碳晶研磨液的制备方法。本发明提供的研磨液可大大提高研磨抛光效率，分散悬浮性能好，可长期保持均匀稳定状态（不会产生任何沉淀、分层和失效现象），用其抛光后产品光洁度高，抛光效果好并且不含对人体有害成分，易于清洗，有利于环保。

Description

一种新型纳米碳晶研磨液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种研磨、抛光加工用的研磨液，具体涉及一种新型纳米碳晶研磨液及其制备方法。

背景技术

尽管研磨液已普遍用于研抛行业，但现有的研磨液长时间静置会出现分水、沉淀等现象。油性研磨液具有润滑性好、磨削速度快、速率稳定的优点，并具有降温冷却作用，但油性研磨液易沉淀、抛光效率低，具有腐蚀性且不易清洗，不符合环保的要求等缺点。水性研磨液具有环保、无腐蚀性、成本较低和抛光效率高的优点，但在研磨的过程中容易导致工件出现大划痕，悬浮稳定性较差，影响抛光质量和效率。公开号为CN 101186804A的公开专利中所用的微粉粒径为10nm-100um，粒径分布较宽，当粒度在3-100um之间时，随着粒度的不同，研磨液会呈现不同程度的沉淀和上清液现象，粒度越大，沉淀和上清液越明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好悬浮性的新型纳米碳晶研磨液及其制备方法。

基于上述目的，本发明采用以下技术方案：一种新型纳米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制备而成：纳米碳晶0.01-20%、分散剂0-8%、抗菌剂0.5-10%、增稠剂0.1-5%、润湿剂0.5-10%，余量为水。

所述纳米碳晶的制备参考专利CN2015107503345，制备出的纳米碳晶为类球形形貌，C含量为99-100%，晶格间距为0.21nm；该纳米碳晶表面的C原子与内层金刚石相的C原子构成C原子的二聚体结构，C原子的二聚体结构中的两个碳原子为非对称分布；平均粒径为R，0＜R≤10nm。

进一步地，所述纳米碳晶经表面功能化处理，处理过程为：将纳米碳晶置于质量比为1﹕（2-5）的浓HNO₃/浓H₂SO₄的混合液中，加热回流24h后离心沉淀；取沉淀物用去离子水洗涤至洗涤液pH为5.0-6.0，用0.1-0.5mol·L^-1Na₂SiO₃•9H₂O水溶液洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，然后用0.1-0.5mol·L^-1HCL洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，最后用去离子水洗涤后烘干。对纳米碳晶进行表面功能化处理，可以纳米碳晶颗粒完全分散开，不存在团聚现象，可以均匀稳定的分散在体系中，不会在工件表面产生划痕，提高抛光质量和表面平整度。

优选地，所述分散剂为聚乙二醇（PEG)。

优选地，所述增稠剂的为黏土和羧甲基淀粉钠的混合物。

优选地，所述润湿剂为壬基酚聚氧乙烯醚；润湿剂润湿可以使纳米粒子更好的分散，同时还可以起到抗静电剂和表面活性剂的作用。

优选地，所述抗菌剂为大蒜提取液，将去皮大蒜研磨成浆糊状，加水过滤，所得滤液为。大蒜提取液。大蒜中的抑菌活性成分主要是含硫化合物等挥发性物质和大蒜素等，对多种致病菌如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和致病性肠道细菌都有较强的抑制或杀灭作用。

进一步地，采用NaOH或HCl调节 pH值为7-9，使研磨液在最稳定的pH值范围内稳定分散，又可针对不同工件的要求选取相应的pH值，以提高研磨效率和抛光效果，所选pH值调节剂不影响工件的其它性能。

上述新型纳米碳晶研磨液的制备方法，包括以下步骤：

（1）将纳米碳晶加入润湿剂中，混合15-30min得被润湿的纳米碳晶；

（2）将抗菌剂与水混匀后，添加被润湿的纳米碳晶并超声搅拌混匀；

（3）调节pH值后加入增稠剂，超声搅拌混匀即得新型纳米碳晶研磨液。

进一步地，对所述纳米碳晶进行表面功能化处理。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明采用纳米碳晶为原料，纳米碳晶兼具纳米颗粒与碳晶的双重性质，具有超硬及高耐磨的特性。纳米碳晶为球形颗粒，用于研磨不会划伤被研磨体，被抛表面磨损小；其颗粒细小，粒径在20nm以下且粒度均匀，这保证了研磨体系的稳定性，并且使被研磨抛光表面粗糙度减小。

（2）由于纳米碳晶比表面积大、比表面能高，处于热力学不稳定状态，在介质中分散稳定性差，容易发生团聚，但是易于对纳米碳晶进行表面功能化处理。纳米碳晶比表面积大，吸附能力强，而PEG是一种非离子型分散剂，通过空间位阻稳定机制实现分散作用，分散剂被吸附到纳米碳晶表面形成水化膜，水化膜起到空间位阻稳定作用。但PEG的加入量对研磨液的性能影响较大，PEG加入量少时，PEG与纳米碳晶之间吸附不足，高分子链与颗粒之间发生桥联作用而使颗粒相互聚集；PEG加入量大时，伸向溶液中的高分子长链相互缠绕，也会使颗粒团聚。因此要选择适当的分散剂的加入量。另外，由于纳米碳晶具有吸附性，从抛光表面打磨下的离子和分子产物可附着于纳米碳晶颗粒表面，随着纳米碳晶离开被抛表面，保证被抛表面的清洁。

（3）纳米碳晶是一种无污染的新型碳材料，无毒无害、耐高温、化学性质稳定。

综上所述，本发明提供的研磨液可大大提高研磨抛光效率，分散悬浮性能好，可长期保持均匀稳定状态（不会产生任何沉淀、分层和失效现象），用其抛光后产品光洁度高，抛光效果好并且不含对人体有害成分，易于清洗，有利于环保。

附图说明

图1是不同纳米碳晶用量下研磨液的沉降速率；

图2是不同黏土用量下研磨液的沉降速率；

图3是不同羧甲基淀粉钠用量下研磨液的沉降速率；

图4是不同聚乙二醇用量下研磨液的沉降速率；

图5是不同pH值下研磨液的沉降速率。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例1 考察纳米碳晶用量对研磨液悬浮性的影响

一种新型纳米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制备而成：纳米碳晶、壬基酚聚氧乙烯醚，聚乙二醇、大蒜提取液、羧甲基淀粉钠、黏土制得。各物质的重量百分比为聚乙二醇4%、大蒜提取液5%羧甲基淀粉钠重量百分比为0.3%；黏土的重量百分比分别为3%；可根据温度和研磨液中细菌的含量，在0.5-10%范围内调整大蒜提取液的用量；纳米碳晶的重量百分比为：0.01%、5%、10%、15%、20%，以把纳米碳晶完全润湿为准，壬基酚聚氧乙烯醚依次对照为0.5%、2.5%、5%、7.5%、10%。采用NaOH或HCl调节 pH值为8。制得的产品依次记为a1、a2、a3、a4、a5。

上述新型纳米碳晶研磨液的制备方法，步骤为：

（1）纳米碳晶经表面功能化处理，处理过程为：将纳米碳晶置于质量比为1﹕3的浓HNO₃/浓H₂SO₄的混合液中，加热回流24h后离心沉淀；取沉淀物用去离子水洗涤至洗涤液pH为5.0-6.0，用0.3mol·L^-1Na₂SiO₃•9H₂O水溶液洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，然后用0.3mol·L^-1HCL洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，最后用去离子水洗涤后烘干。

（2）将纳米碳晶加入润湿剂中，混合30min得被润湿的纳米碳晶；

（3）将抗菌剂与水混匀后，添加被润湿的纳米碳晶并超声搅拌混匀；

（4）调节pH值至8后加入增稠剂，超声搅拌混匀即得新型纳米碳晶研磨液。

沉降率测定方法：在室温条件下于10ml量筒中静置7天，用沉降法测定各组悬浮液的悬浮性，根据一定时间内颗粒的沉降高度来表征研磨液的悬浮效果。颗粒沉降高度越小，表明颗粒沉降速度越慢，悬浮效果越好。反之，则说明颗粒团聚严重，悬浮效果差。

测定a1、a2、a3、a4、a5号产品的沉降速率，最终结果见图1。

从图1可以看出，随着纳米碳晶含量的增加,其沉降速率在逐渐增大,因为,纳米碳晶颗粒细小，粒径在20nm以下且粒度均匀,当含量低时,颗粒与颗粒之间的距离相对较大,所以能稳定地悬浮在溶液中,随着纳米含量的增加,,颗粒与颗粒之间的距离减小或互相碰撞的几率增大，由于其具有吸附性，纳米颗粒就可能会发生团聚，使纳米碳晶的颗粒变大，沉降速率也就会随之增大。

实施例2 考察黏土用量对研磨液悬浮性的影响

一种新型纳米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制备而成：纳米碳晶5%、聚乙二醇4%、大蒜提取液5%、壬基酚聚氧乙烯醚5%，采用NaOH或HCl调节 pH值为8，羧甲基淀粉钠重量百分比为0.3%；黏土的重量百分比分别为0.001%、1%、2%、3%、4%、4.7%，余量为水，制得的产品依次记为b1、b2、b3、b4、b5、b6。

上述新型纳米碳晶研磨液的制备方法，步骤为：

测定b1、b2、b3、b4、b5、b6号产品的沉降速率，最终结果见图2。

从图2可看出，随着黏土质量分数的增大，研磨液悬浮性和粘稠性呈上升趋势，当黏土质量分数超过3%时，悬浮性提高并不明显。由于黏土颗粒可与适量的水溶胀产生凝胶，在水中释放出带电微粒，增大体系的粘度，而带电微粒则包裹住研磨液中的纳米碳晶颗粒，阻止颗粒沉降，提高了体系的悬浮性。随着黏土质量分数的增加，胶凝化作用增加，悬浮性的粘度增大，纳米碳晶颗粒的沉降速度迅速减小，沉降高度减小，悬浮性提高。质量分数超过3%时，纳米碳晶颗粒周围被带电微粒包围，无法吸附更多的带电微粒，颗粒沉降速度减小的趋势变缓，悬浮性趋于稳定。

实施例3 考察羧甲基淀粉钠用量对研磨液悬浮性的影响

一种新型纳米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制备而成：纳米碳晶5%、聚乙二醇4%、大蒜提取液5%、壬基酚聚氧乙烯醚5%，采用NaOH或HCl调节 pH值为8，黏土的重量百分比为3%，羧甲基淀粉钠重量百分比分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；余量为水。制得的产品依次记为c1、c2、c3、c4、c5、c6。

上述新型纳米碳晶研磨液的制备方法，步骤为：

（1）纳米碳晶经表面功能化处理，处理过程为：将纳米碳晶置于质量比为1﹕5的浓HNO₃/浓H₂SO₄的混合液中，加热回流24h后离心沉淀；取沉淀物用去离子水洗涤至洗涤液pH为5.0-6.0，用0.5mol·L^-1Na₂SiO₃•9H₂O水溶液洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，然后用0.5mol·L^-1HCL洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，最后用去离子水洗涤后烘干。

（2）将纳米碳晶加入润湿剂中，混合20min得被润湿的纳米碳晶；

测定c1、c2、c3、c4、c5、c6号产品的沉降速率，最终结果见图3。

从图3的结果可知，加入羧甲基淀粉钠可明显提高研磨液的悬浮性，在质量分数为0.3%时几乎没有沉降，质量分数大于0.3%时，研磨液的悬浮性又明显下降。这是由于黏土是层状结构，溶胀后层间所带的负电荷可吸附羧甲基淀粉钠电离出的极性基团，极性基团的一段插入层间，形成黏土-有机复合物，从而相互交联，形成网状立体结构，提高研磨液的悬浮性。随着体系中羧甲基淀粉钠的质量分数的增加，在0.3%时吸附达到饱和，颗粒悬浮性好，羧甲基淀粉钠的质量分数继续增加，其电离出的离子越来越多，压缩了黏土粒子表面的双电层，减小了颗粒间排斥力，反而降低了体系的悬浮性。根据实验结果确定纳米碳晶研磨液中羧甲基淀粉钠的最佳质量分数为0.3%。

实施例4聚乙二醇（PEG）对研磨液悬浮性的影响

一种新型纳米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制备而成：纳米碳晶5%、大蒜提取液5%、壬基酚聚氧乙烯醚5%，黏土的重量百分比为3%，羧甲基淀粉钠重量百分比为0.3%；采用NaOH或HCl调节 pH值为8，聚乙二醇分别为0、2%、4%、6%、8%，余量为水。制得的产品依次记为d1、d2、d3、d4、d5。

上述新型纳米碳晶研磨液的制备方法，步骤为：

（2）将纳米碳晶加入润湿剂中，混合30min，得被润湿的纳米碳晶；

（4）调节pH值后加入增稠剂，超声搅拌混匀即得新型纳米碳晶研磨液。

测定d1、d2、d3、d4、d5号产品的沉降速率，最终结果见图4。

PEG是一种非离子型分散剂，通过空间位阻稳定机制实现分散作用。PEG质量分数少时，它与颗粒之间吸附不足，高分子链与颗粒之间发生桥联作用而使颗粒相互聚集；相反PEG的质量分数大时，伸向溶液中的高分子长链相互缠绕，也使颗粒团聚。从图4可以看出，PEG质量分数少于4%或大于6%，悬浮液悬浮性都下降，而在4%-6%范围内，PEG吸附在颗粒表面形成水化膜起到空间位阻稳定作用。

实施例5考察pH值对研磨液悬浮性的影响

一种新型纳米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制备而成：纳米碳晶5%、聚乙二醇4%、大蒜提取液5%、壬基酚聚氧乙烯醚5%，黏土的重量百分比为3%，羧甲基淀粉钠重量百分比为0.3%；采用NaOH或HCl分别调节 pH值为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，余量为水。制得的产品依次记为e1、e2、e3、e4、e5、e6、e5、e6、e7、e8、e9、e10、e11。

上述新型纳米碳晶研磨液的制备方法，步骤为：

（1）纳米碳晶经表面功能化处理，处理过程为：将纳米碳晶置于质量比为1﹕2的浓HNO₃/浓H₂SO₄的混合液中，加热回流24h后离心沉淀；取沉淀物用去离子水洗涤至洗涤液pH为5.0-6.0，用0.1mol·L^-1Na₂SiO₃•9H₂O水溶液洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，然后用0.1mol·L^-1HCL洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，最后用去离子水洗涤后烘干。

（2）将纳米碳晶加入润湿剂中，混合15min得被润湿的纳米碳晶；

测定e1、e2、e3、e4、e5、e6、e5、e6、e7、e8、e9、e10、e11号产品的沉降速率，最终结果见图5。

从图5可看出，研磨液的悬浮性随pH值的增大而逐渐提高，但pH值超过8后，悬浮性下降。因为在酸性环境下，黏土颗粒带大量的正电荷与羧甲基淀粉钠电离出的负电荷相中和，颗粒间的排斥力减小，整个悬浮体系的悬浮性降低。随着pH值逐渐增大到碱性，羧甲基淀粉钠电离出的负电荷吸附于黏土和纳米碳晶上，表明增加了颗粒的电荷量，静电排斥力增加，空间位阻效应增加，悬浮体系稳定性逐渐提高，但pH值大于8时，悬浮体系中的电荷数逐渐增多，压缩了颗粒表面的粒子双电层，导致静电排斥力下降，体系的悬浮性又降低。

性能测试实验

选用实施例2中制备的b4号产品进行实验，采用市售的普通金刚石研磨液为对比对象。

1、研磨液特征测试

研磨液的特征参数见表1。

由表1可知，本发明提供的研磨液的分散性和悬浮稳定性都比较好，主要因为作为磨料的纳米碳晶颗粒是球形颗粒且粒径较小在20nm以下。

2、表面粗糙度值Ra检测方法

使用SJ-210型粗糙度仪测量钻石基片表面粗糙度值Ra，分别在其中心位置和离中心2cm圆周位置选取3点，共计测量3次，然后取其平均值作为该钻石表面粗糙度值Ra。表2为两种研磨液在相同的研磨条件下，得出的钻石表面粗糙度值Ra。

由表2可知：使用本发明提供的研磨液加工钻石后，钻石表面粗糙度值Ra比对比例低。因为对比例中磨料颗粒粒径大，且分布宽，大颗粒磨粒会相应增大工件表面粗糙度值，且对比例2中的磨料出现局部团聚现象，会大大增加工件表面粗糙度值。本发明提供的研磨液所使用的磨料为球形纳米碳晶颗粒，粒径在20nm以下且分散均匀，粗糙度Ra值比对比例小的多，本发明提供的研磨液加工后对工件表面的磨损很小。

Claims

1.一种新型纳米碳晶研磨液，其特征在于，主要由下述重量百分比的原料制备而成：纳米碳晶0.01-20%、分散剂0-8%、抗菌剂0.5-10%、增稠剂0.1-5%、润湿剂0.5-10%，余量为水。

2.根据权利要求1所述的新型纳米碳晶研磨液，其特征在于，所述纳米碳晶经表面功能化处理，处理过程为：将纳米碳晶置于质量比为1﹕（2-5）的浓HNO₃/浓H₂SO₄的混合液中，加热回流24h后离心沉淀；取沉淀物用去离子水洗涤至洗涤液pH为5.0-6.0，用0.1-0.5mol·L^- ¹Na₂SiO₃•9H₂O水溶液洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，然后用0.1-0.5mol·L^-1HCL洗涤沉淀物的同时超声分散1-2h，最后用去离子水洗涤后烘干。

3.根据权利要求2所述的新型纳米碳晶研磨液，其特征在于，所述分散剂为聚乙二醇。

4.根据权利要求2所述的新型纳米碳晶研磨液，其特征在于，所述增稠剂的为黏土和羧甲基淀粉钠的混合物。

5.根据权利要求2所述的新型纳米碳晶研磨液，其特征在于，所述润湿剂为壬基酚聚氧乙烯醚。

6.根据权利要求2所述的新型纳米碳晶研磨液，其特征在于，所述抗菌剂为大蒜提取液。

7.根据权利要求1-6任一所述的新型纳米碳晶研磨液，其特征在于，pH值为7-9。

8.根据权利要求1-6任一所述的新型纳米碳晶研磨液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的新型纳米碳晶研磨液的制备方法，其特征在于，对所述纳米碳晶进行表面功能化处理。