CN107828340A - 一种复合抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合抛光液及其制备方法，按重量百分数计，该复合抛光液由以下组分组成：二氧化硅溶胶20～40％、改性纳米金刚石0.1～5％、表面活性剂0.5～10％、分散剂0.5～1％，余量为pH调节剂和水；所述改性纳米金刚石由纳米金刚石粉末采用氟化剂进行氟化改性处理而得。本发明通过氟化改性的纳米金刚石与二氧化硅溶胶复配，同时添加表面活性剂和分散剂制成复合抛光液，改性纳米金刚石与二氧化硅溶胶扩散层中的反离子结合，从而均匀且稳定地存在于扩散层中，有利于避免改性纳米金刚石聚集，提高体系稳定性的同时，显著提高该复合抛光液的硬度，从而提高抛光效率和抛光精度，并且抛光表面不易被划伤。

Description

一种复合抛光液及其制备方法

技术领域

本发明属于抛光技术领域，具体涉及一种复合抛光液及其制备方法。

背景技术

抛光处理在国民工业生产活动中是很重要的一种表面处理方法，常规的抛光液是将不同粒径的颗粒放入基液制成抛光剂，广泛用于金相抛光、高级相机的镜头抛光、高级人工晶体的表面抛光以及天然宝石抛光等。

随着高技术的飞快发展，要求晶体的表面有更高的光洁度。这就要求抛光剂中的颗粒越来越细，分布越来越窄，纳米微粒为实现这个目标提供了理论基础。目前抛光液所使用的磨料主要有金刚石粉体、二氧化硅、氧化铝、氧化铈等微纳米颗粒，这些单一磨料制备的抛光液主要存在磨料硬度不够、微纳米粉体分散困难、磨料比较锐利容易划伤被抛光材料的表面、加工效率低、加工精度不够等缺点。纳米金刚石粉体由于具有高硬度、表面基团可修饰、纳米级尺寸、优异的机械化学性能等优点，因此，由纳米金刚石粉体磨料制备的抛光液具有高的抛光效率，可降低抛光表面材料的分量，减少材料的损耗，超细尺寸的纳米金刚石能确保抛光表面粗糙度达到最小值，并且纳米金刚石具有一定的离子交换和吸附活性，表现出很强的自清洁能力，这样可减少纳米金刚石表面的离子和分子产物的活动性，即确保表面的纯净。但是，金刚石粉体材料由于硬度过大，即使是纳米级的金刚石粉体也很容易造成抛光材料表面的划伤，目前仅作为粗抛使用。二氧化硅溶胶的硬度低，粒径大小一般在10～200nm，粒径分布较窄，不易划伤抛光表面，但其最大缺点就是抛光效率低下，同时在抛光过程中容易受热凝胶，影响抛光液整体的分散稳定性，使得二氧化硅溶胶易在抛光表面胶化、风干，不利于抛光表面的后续清洗。氧化铝粉体可以制成粒径大小从10～1000nm范围内的抛光液，并且硬度适中，但氧化铝磨料在制备过程中需要经过1000℃以上的高温烧结，使得氧化铝颗粒易团聚，团聚的氧化铝颗粒易划伤抛光表面。

纳米金刚石颗粒具有很高的比表面能，处于一种热力学不稳定状态，容易发生聚集而产生絮凝和沉降，颗粒粒径越小，越容易聚集，因此，用于抛光的纳米金刚石颗粒粒径通常较大，一般为100～200nm，使得纳米金刚石与抛光表面接触的面积大，易划伤抛光表面。因此，目前采用金刚石磨料时，由于磨料粒径大，抛光精度都较低。

综上，急需提供一种抛光效率高，且不易划伤抛光表面的抛光液，而单一磨料则无法满足该需求。目前尚未有将二氧化硅溶胶与纳米金刚石粉体结合起来的复合抛光液，纳米金刚石在二氧化硅溶胶中的悬浮稳定性以及与二氧化硅溶胶的相容性是制备复合抛光液的技术难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合抛光液及其制备方法，该复合抛光液由二氧化硅溶胶和改性纳米金刚石复配而成，在保证高抛光效率的同时，还不易划伤抛光表面。

本发明采用的技术方案如下：

一种复合抛光液，按重量百分数计，复合抛光液由以下组分组成：二氧化硅溶胶20～40％、改性纳米金刚石0.1～5％、表面活性剂0.5～10％、分散剂0.5～1％，余量为pH调节剂和水；所述改性纳米金刚石由纳米金刚石粉末采用氟化剂进行氟化改性处理而得。

本发明通过氟化处理使纳米金刚石粉末的表面覆盖氟原子，氟原子的电负性最强，有7个价电子，形成C-F键后，6个多余的价电子则形成三个稳定的“孤电子对”，当相邻改性纳米金刚石相互靠近时，氟原子的“孤电子对”会以静电排斥力将二者分开，因此改性纳米金刚石不易聚集。

二氧化硅在水中均匀扩散形成二氧化硅溶胶，二氧化硅溶胶的胶核由若干个SiO₂分子聚合而成，在二氧化硅溶胶中，H₂SiO₃是一种弱电解质，在水中能部分解离为H⁺和SiO₂ ^-3，被吸附在胶核周围，形成带负电的吸附层，因而它必然会吸引存在于周围介质中的反离子，如H⁺和Na⁺等正离子，构成双电层。这些反离子在受到粒子表面离子吸引的同时，又由于离子本身的热运动而使其中部分离子离开表面而向溶液外层扩散，而靠近粒子表面的反离子浓度较大，随着与表面距离的增加，反离子的浓度减少，形成扩散层，胶体粒子表面所带负电荷与扩散层中所带正电荷总数相等，最后整个体系呈中性。

本发明使二氧化硅溶胶与改性纳米金刚石复配，同时添加表面活性剂和分散剂制成复合抛光液，改性纳米金刚石在分散剂的作用下均匀分布于抛光液中，由于氟原子中含有孤对电子，能与二氧化硅溶胶扩散层中的反离子结合，从而均匀且稳定地存在于扩散层中，进一步降低了改性纳米金刚石聚集的风险，并且二氧化硅溶胶的胶核之间由于静电斥力而在抛光液中均分分散，而胶核之间即为扩散层，也就是说，胶核之间被改性纳米金刚石填充，一方面降低二氧化硅溶胶凝胶的趋势，提高该复合抛光液的稳定性，另一方面可显著提高该复合抛光液体系的硬度，从而提高抛光效率。此外，由于改性纳米金刚石主要存在于扩散层中，与抛光表面接触的机会少，因此，可显著降低抛光表面被划伤的风险。

另外，本发明复合抛光液还可降低抛光过程中受热凝胶的趋势，提高热稳定性，使得二氧化硅溶胶不易在抛光表面凝胶、风干，有利于抛光表面后续清洗。

进一步地，二氧化硅溶胶的粒径为30～80nm。

进一步地，纳米金刚石粉末由爆轰法制备，颗粒粒径为40～60nm。

本发明通过氟化改性纳米金刚石粉末，并使改性纳米金刚石与二氧化硅溶胶扩散层中的反离子结合，使得该复合抛光液中的改性纳米金刚石不易聚集，避免产生絮凝和沉降，而二氧化硅溶胶的胶核之间被改性纳米金刚石填充，同样可降低凝胶的趋势，提高该复合抛光液的稳定性。因此，改性纳米金刚石和二氧化硅溶胶的粒径均可相对于现有技术进一步降低，本发明采用颗粒粒径为40～60nm的改性纳米金刚石磨料和粒径为30～80nm的二氧化硅磨料，可大大提高抛光精度，而且40～60nm的改性纳米金刚石磨料可进一步降低抛光表面被划伤的风险。

进一步地，氟化剂为氟气或氟气和惰性气体的混合气，氟化改性处理方法为：纳米金刚石粉末与氟化剂反应，控制反应温度为200～600℃，反应时间为2～10h。

进一步地，氟气的体积分数为10～100％。

进一步地，表面活性剂为阴离子表面活性剂。阴离子表面活性剂在本复合抛光液中产生阴离子并被二氧化硅溶胶的胶核吸附，使吸附层的负电性增强，从而使扩散层中的反离子增多，有利于增强与氟原子的结合，使改性纳米金刚石更稳定地存在于扩散层中。

进一步地，阴离子表面活性剂包括烷基磺酸钠、烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、烷基苯磺酸钠和油酸钠中的一种或多种。

进一步地，分散剂包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯毗咯酮、羟基木质纤维素钠、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯中的一种或多种。

进一步地，pH调节剂为氨水、碳酸钠和羟乙基乙二胺中的一种或多种。

进一步地，pH调节剂的用量以复合抛光液pH值达到8.5～10.0为准。

一种复合抛光液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将二氧化硅溶胶加入至水中并搅拌均匀；

(2)加入改性纳米金刚石，采用超声波均化器进行超声波分散混合；

(3)加入表面活性剂、分散剂并搅拌均匀，并用pH调节剂调节pH值即得。

进一步地，超声波分散功率为300～800W，时间为1～2h。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过氟化处理使纳米金刚石粉末的表面覆盖氟原子，并与二氧化硅溶胶复配，同时添加表面活性剂和分散剂制成复合抛光液，改性纳米金刚石与二氧化硅溶胶扩散层中的反离子结合，从而均匀且稳定地存在于扩散层中，本发明在避免改性纳米金刚石聚集的同时，显著提高了该复合抛光液的硬度，从而提高抛光效率，并且抛光表面不易被划伤；

2.本发明复合抛光液还可降低抛光过程中受热凝胶的趋势，提高热稳定性，使得二氧化硅溶胶不易在抛光表面凝胶、风干，有利于抛光表面后续清洗；

3.本发明通过氟化改性纳米金刚石粉末，并使改性纳米金刚石与二氧化硅溶胶扩散层中的反离子结合，使得改性纳米金刚石和二氧化硅溶胶复配在一起不易聚集，稳定性高，因此，改性纳米金刚石和二氧化硅溶胶的粒径均可相对于现有技术进一步降低，大大提高抛光精度，而且采用40～60nm的改性纳米金刚石磨料可进一步降低抛光表面被划伤的风险；

4.本发明采用阴离子表面活性剂，使吸附层的负电性增强，从而使扩散层中的反离子增多，有利于增强与氟原子的结合，使改性纳米金刚石更稳定地存在于扩散层中，进一步提高该复合抛光液的稳定性。

附图说明

图1为本发明二氧化硅溶胶的粒度分布图；

图2为本发明实施例2制备的改性纳米金刚石的粒度分布图；

图3为本发明实施例5制备的二氧化硅溶胶-改性纳米金刚石复合体系的粒度分布图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本发明纳米金刚石粉末为市售产品。

实施例1

将颗粒粒径为40～60nm的纳米金刚石粉末与氟气和氩气的混合气反应2h，即得改性纳米金刚石，反应温度为250℃，其中，氟气的体积分数为15％。

实施例2

将颗粒粒径为40～60nm的纳米金刚石粉末与氟气和氩气的混合气反应3h，即得改性纳米金刚石，反应温度为350℃，其中，氟气的体积分数为25％。

实施例3

将颗粒粒径为40～60nm的纳米金刚石粉末与氟气和氩气的混合气反应5h，即得改性纳米金刚石，反应温度为500℃，其中，氟气的体积分数为50％。

实施例4

一种复合抛光液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粒径为30～80nm、质量百分比为20％的二氧化硅溶胶加入至水中并搅拌均匀；

(2)加入由实施例2制备的、质量百分比为0.1％的改性纳米金刚石，采用超声波均化器进行超声波分散混合，设备功率为500W，时间为1h。

(3)加入质量百分比为3.1％的十八烷基磺酸钠、质量百分比为0.6％的聚乙烯毗咯酮并搅拌均匀，并用氨水和碳酸钠调节pH值即得，获得的复合抛光液pH值为9.2。

实施例5

一种复合抛光液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粒径为30～80nm、质量百分比为28％的二氧化硅溶胶加入至水中并搅拌均匀；

(2)加入由实施例2制备的、质量百分比为1.5％的改性纳米金刚石，采用超声波均化器进行超声波分散混合，设备功率为500W，时间为1.5h。

(3)加入质量百分比为4.8％的十二烷基硫酸钠、质量百分比为0.8％的羟基木质纤维素钠并搅拌均匀，并用氨水和碳酸钠调节pH值即得，获得的复合抛光液pH值为8.9。

实施例6

一种复合抛光液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粒径为30～80nm、质量百分比为39％的二氧化硅溶胶加入至水中并搅拌均匀；

(2)加入由实施例2制备的、质量百分比为3.8％的改性纳米金刚石，采用超声波均化器进行超声波分散混合，设备功率为500W，时间为2h。

(3)加入质量百分比为7.2％的十二烷基苯磺酸钠、质量百分比为1％的聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯并搅拌均匀，并用氨水和碳酸钠调节pH值即得，获得的复合抛光液pH值为9.4。

对比例1

二氧化硅溶胶20～40％、稳定剂0.5～1.0％、分散剂0.1～1.0％，余量为pH调节剂和水，二氧化硅溶胶的粒径为100～200nm，其中，稳定剂为山梨酸钾或亚乙基硫脲，分散剂为硅酸钠，pH调节剂为氨水和碳酸钠，抛光液的pH值为9.0。

对比例2

纳米金刚石粉体0.1～10％、表面活性剂1～5％、分散剂0.1～1.0％，余量为pH调节剂和水，纳米金刚石粉体的颗粒粒径为100～200nm，其中，表面活性剂为十二烷基磺酸钠，分散剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯，pH调节剂为氨水和碳酸钠，抛光液的pH值为8.7。

实验例1

对本发明所用二氧化硅溶胶、实施例2制备的改性纳米金刚石以及实施例5制备的二氧化硅溶胶-改性纳米金刚石复合体系采用粒度分析仪(Zetasizer3000HS)进行检测，粒度分布图见图1-图3。经对比分析可知，本发明二氧化硅溶胶-改性纳米金刚石复合体系没有出现团聚，且平均粒度进一步降低。

实验例2

由实施例4-6制备的复合抛光液以及对比例1-2制备的抛光液分别对蓝宝石进行抛光测试，抛光仪器为Nanopoli-100型单面抛光机(杭州智邦纳米技术有限公司)，抛光条件为：压力9.5g/cm²、抛光盘转速60rpm、抛光头转速50rpm、室温、抛光液流速20L/min，测试结果见表1。

表1抛光测试结果

	抛光速率(mg/min)	粗糙度RMS(nm)	表观指标
				对比例1	0.014	20.25	无划伤
对比例2	0.125	12.02	有划伤
				实施例4	0.108	0.38	无划伤
实施例5	0.119	0.15	无划伤
				实施例6	0.093	0.26	无划伤

如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合抛光液，其特征在于，按重量百分数计，所述复合抛光液由以下组分组成：二氧化硅溶胶20～40％、改性纳米金刚石0.1～5％、表面活性剂0.5～10％、分散剂0.5～1％，余量为pH调节剂和水；所述改性纳米金刚石由纳米金刚石粉末采用氟化剂进行氟化改性处理而得。

2.根据权利要求1所述的一种复合抛光液，其特征在于，所述二氧化硅溶胶的粒径为30～80nm。

3.根据权利要求1所述的一种复合抛光液，其特征在于，所述纳米金刚石粉末由爆轰法制备，颗粒粒径为40～60nm。

4.根据权利要求1所述的一种复合抛光液，其特征在于，所述氟化剂为氟气或氟气和惰性气体的混合气，氟化改性处理方法为：纳米金刚石粉末与氟化剂反应，控制反应温度为200～600℃，反应时间为2～10h。

5.根据权利要求1所述的一种复合抛光液，其特征在于，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂。

6.根据权利要求5所述的一种复合抛光液，其特征在于，所述阴离子表面活性剂包括烷基磺酸钠、烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、烷基苯磺酸钠和油酸钠中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种复合抛光液，其特征在于，所述分散剂包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯毗咯酮、羟基木质纤维素钠、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的一种复合抛光液，其特征在于，所述pH调节剂为氨水、碳酸钠和羟乙基乙二胺中的一种或多种。

9.根据权利要求1或8所述的一种复合抛光液，其特征在于，所述pH调节剂的用量以复合抛光液pH值达到8.5～10.0为准。

10.一种如权利要求1-9中任意一项所述复合抛光液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将二氧化硅溶胶加入至水中并搅拌均匀；

(2)加入改性纳米金刚石，采用超声波均化器进行超声波分散混合；

(3)加入表面活性剂、分散剂并搅拌均匀，并用pH调节剂调节pH值即得。