CN110862773B - 一种核壳结构纳米磨料抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液由以下原料组成：核壳结构磨料、表面活性剂、水溶性载体、离子液体和去离子水，且所述抛光液的pH值为7.5‑9.0。本发明的抛光液，解决了现有技术中纳米磨料悬浮性能低、流动性差、易分层等问题，以及抛光工件存在的抛光效率低、表面质量差等问题，从而提高了抛光液的使用寿命和循环使用次数，且本发明的抛光液更加环保安全，具有大规模推广应用的前景。本发明还公开了一种核壳结构纳米磨料抛光液的制备方法。

Description

一种核壳结构纳米磨料抛光液及其制备方法

技术领域

本发明涉及抛光液的技术领域，特别涉及一种核壳结构纳米磨料抛光液及其制备方法。

背景技术

当前市场上的硬质脆性材料的超精密加工多采用硬质陶瓷抛光材料与水介质以及悬浮剂进行配制,其基本原理就是通过有效的分散剂将硬质抛光剂材料分散在水介质中，通过抛光剂与抛光工件表面的机械摩擦去除硬质材料表面的损伤层以达到抛光目的。

传统抛光过程采用合成高分子的悬浮剂，以硬质抛光剂在抛光过程中的悬浮性能。但是硬质抛光剂在使用过程中导致合成高分子的长链结构被破坏，在抛光液循环使用过程中，抛光剂的悬浮性能由于悬浮剂的结构破坏而不断恶化，降低抛光剂的使用效率同时导致抛光工件表面的严重划伤。

而纳米抛光剂的颗粒表面具有很高的比表面能，容易发生团聚现象，一方面降低抛光工件的抛光精度，增大纳米抛光剂与抛光表面接触的面积，加剧抛光表面的划伤情况，另一方面，颗粒易在抛光过程中脱离抛光液，导致切屑速率急速下降，脱落的颗粒易在抛光表面形成黑点缺陷，降低抛光质量。

发明内容

鉴于以上现有技术的不足之处，本发明的主要目的在于提供一种核壳结构纳米磨料抛光液及其制备方法，以解决现有技术中纳米磨料悬浮性能低、流动性差、易分层等问题，以及抛光工件存在的抛光效率低、表面质量差等问题，从而提高了抛光液的使用寿命和循环使用次数，且本发明的抛光液，更加环保安全，具有大规模推广应用的前景。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液由以下原料组成：核壳结构磨料、表面活性剂、水溶性载体、离子液体和去离子水，且所述抛光液的pH值为7.5-9.0。

优选的，所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料5-50wt%，表面活性剂0.1-10wt%，水溶性载体1-15wt%，离子液体10-50wt%和去离子水5-25wt%。

优选的，所述核壳结构磨料，其内核为二氧化硅和/或碳化硅；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

优选的，所述核壳结构磨料的粒径为100-300nm。

优选的，所述表面活性剂为非离子型有机硅表面活性剂和/或非离子型氟碳表面活性剂。

优选的，所述水溶性载体为乙二醇、丙二醇、三羟甲基丙烷、异丙醇、异丁醇中的至少一种。

优选的，所述离子液体为阳离子型离子液体；更优选的，所述离子液体为室温型有机离子液体。

优选的，所述有机离子液体的阳离子为咪唑盐、吡咯盐或季铵盐中的至少一种。

优选的，所述抛光液还包括防锈剂、氧化剂、络合剂中的至少一种。

所述防锈剂选自亚硝酸盐，焦磷酸盐，乙二胺四甲叉膦酸盐中的至少一种。

所述氧化剂选自过氧乙酸、过硫酸铵、羟基自由基中的至少一种。

所述络合剂为氮氧自由基哌啶醇。

相应的、一种如上述的核壳结构纳米磨料抛光液的制备方法，其包括以下步骤：

S1：称取1-15wt%水溶性载体和5-25wt%去离子水，加入到10-50wt%离子液体中，然后加入5-50wt%核壳结构磨料，搅拌混合均匀；

S2：再加入0.1-10wt%表面活性剂，进一步搅拌均匀，调整pH值到7.5-9，充分搅拌均匀后，得到所述核壳结构纳米磨料抛光液。

进一步地，在所述步骤S2中，再加入0.1-10wt%表面活性剂后，继续加入0.5-3wt%添加剂，再调整pH值到7-9，充分搅拌均匀，得到所述核壳结构纳米磨料抛光液。

本发明的有益效果：

本发明的抛光液，通过引入非离子型表面活性物质改性抛光工件的表面，大大提高了抛光效率，并进一步提升了抛光工件的清洁性能。

本发明的抛光液为水相体系，避免油相有机物大量使用造成的环境污染问题和操作车间人员的健康安全问题。

本发明的抛光液，通过核壳结构磨料外壳的带电性能，提升磨料在离子液体中的均匀分散，避免磨料颗粒在抛光液中团聚板结，产生橘皮现象；同时由于核壳结构磨料外壳树脂的保护作用，减少了抛光工件的表面损伤。

本发明的离子液体作为绿色溶剂，提高了抛光液的使用寿命，并延长了抛光液的循环使用次数。通过添加少量低分子有机物作为水溶性载体，和去离子水协同作为离子液体的稀释剂，调节离子液体的粘性，使抛光液中具有更好的流动性能，进而提高抛光液在抛光工件表面的抛光效率。

将本发明的磨料可均匀分散在抛光液中，不易分层，可进行长期多次循环利用，其分散稳定性能良好。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

一种核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液由以下原料组成：核壳结构磨料、表面活性剂、水溶性载体、离子液体和去离子水，且所述抛光液的pH值为7.5-9.0。

所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料5-50wt%，表面活性剂0.1-10wt%，水溶性载体1-15wt%，离子液体10-50wt%和去离子水5-25wt%。

优选的，所述核壳结构磨料，其内核为二氧化硅和/或碳化硅；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

核壳结构磨料以丙烯酸甲酯作为反应介质，按磨料占丙烯酸甲酯质量的1-20wt%加入磨料，超声辅助机械搅拌，进行均匀分散；再将单体N,N,N-三甲基甲铵丙烯酸盐及单体1,4-丁二醇二丙烯酸酯按质量比为3-12：1加入至所述反应介质中，通过溶液聚合反应的方式进行反应，得到内核为二氧化硅和/或碳化硅；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂的所述核壳结构磨料。所述单体总合占离子化丙烯酸衍生物树脂总重的3-6%。

利用N,N,N-三甲基甲铵丙烯酸盐单体参与合成的核壳结构磨料，其离子化丙烯酸衍生物树脂表面带有负电荷，通过和离子液体的静电组装和化学键的共价结合，从而提升二氧化硅和/或碳化硅磨料在离子液体中的均匀分散，避免磨料颗粒在抛光液中团聚板结，产生橘皮现象；并且使其更加易于在中性或弱碱性条件下清洗；同时由于核壳结构磨料外壳树脂的保护作用，减少了抛光工件的表面损伤，提高抛光工件的表面质量。

所述核壳结构磨料的粒径为100-300nm。

所述表面活性剂为非离子型有机硅表面活性剂和/或非离子型氟碳表面活性剂。

所述非离子型有机硅表面活性剂，其亲水基团可选用非离子型的聚氧乙烯、聚氧乙烯/氧丙烯或糖类化合物，其疏水基团为有机硅链段，可选用骨架为全甲基取代的Si-O-Si的硅氧烷或聚硅氧烷及Si- Si的聚硅烷中的一种。

所述非离子型氟碳表面活性剂可选用丙烯酸酯非离子氟碳表面活性剂或聚氧乙烯醚类非离子氟碳表面活性剂。

通过引入本发明的表面活性物质改性抛光工件的表面，大大提高了抛光效率，并进一步提升了抛光工件的清洁性能。

所述水溶性载体为乙二醇、丙二醇、三羟甲基丙烷、异丙醇、异丁醇中的至少一种。

本发明的抛光液为水相体系，避免油相有机物大量使用造成的环境污染问题和操作车间人员的健康安全问题。通过添加少量低分子有机物作为水溶性载体，和去离子水协同作为离子液体的稀释剂，调节离子液体的粘性，使抛光液中具有更好的流动性能，进而提高抛光液在抛光工件表面的抛光效率。

所述离子液体为阳离子型离子液体；更优选的，所述离子液体为室温型有机离子液体。

所述有机离子液体的阳离子为咪唑盐、吡咯盐或季铵盐中的至少一种。

本发明的离子液体作为绿色溶剂，具有不挥发，耐氧化、高耐热性和无毒等特性，降低了抛光液中低分子化合物和去离子水挥发,避免了有机化合物在抛光液中由于氧化作用使其失去了其固有的功能作用，从而提高了抛光液的使用寿命，并延长了抛光液的循环使用次数。

室温型有机离子液体使抛光液在常温工作条件下，保持离子液体的特性，且有机离子液体对有机化合物和无机化合物都有良好的溶解性能，使抛光液中各组分具有较好的相容性，分散均匀，延长了抛光液的循环使用寿命。

所述抛光液还包括防锈剂、氧化剂、络合剂中的至少一种。

所述防锈剂选自亚硝酸盐，焦磷酸盐，乙二胺四甲叉膦酸盐中的至少一种。

所述氧化剂选自过氧乙酸、过硫酸铵、羟基自由基中的至少一种。

所述络合剂为氮氧自由基哌啶醇。

通过防锈剂、氧化剂或络合剂的添加，以进一步提高抛光工件的抛光效率，提升表面质量。

相应的、一种如上述的核壳结构纳米磨料抛光液的制备方法，其包括以下步骤：

S1：称取1-15wt%水溶性载体和5-25wt%去离子水，加入到10-50wt%离子液体中，然后加入5-50wt%核壳结构磨料，搅拌混合均匀；

S2：再加入0.1-10wt%表面活性剂，进一步搅拌均匀，调整pH值到7.5-9，充分搅拌均匀后，得到所述核壳结构纳米磨料抛光液。

在所述步骤S2中，再加入0.1-10wt%表面活性剂后，继续加入0.5-3wt%添加剂，再调整pH值到7-9，充分搅拌均匀，得到所述核壳结构纳米磨料抛光液。

本发明的抛光液，流动性好，抛光效率高，抛光工件表面质量高，抛光表面易于清洁。

本发明的抛光液为水相体系，安全环保，使用寿命长，可长期循环使用。

本发明的磨料可均匀分散在抛光液中，不易分层，可进行长期多次循环利用，其分散稳定性能良好。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明， 本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

本实施例的核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液由以下原料组成：核壳结构磨料、表面活性剂、水溶性载体、离子液体和去离子水，且所述抛光液的pH值为8.0。

所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料30wt%，表面活性剂6wt%，水溶性载体9wt%，离子液体40wt%和去离子水15wt%。

所述核壳结构磨料，其内核为二氧化硅，外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

所述核壳结构磨料的粒径为200nm。

所述表面活性剂为非离子型有机硅表面活性剂。

所述非离子型有机硅表面活性剂，其亲水基团选用非离子型的聚氧乙烯/氧丙烯，其疏水基团为有机硅链段，选用骨架为全甲基取代的Si-O-Si的硅氧烷。

所述水溶性载体由质量比为3：1的乙二醇和三羟甲基丙烷组成。

所述离子液体为室温型有机离子液体。

所述有机离子液体的阳离子为季铵盐阳离子。

实施例2

本实施例的核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液由以下原料组成：核壳结构磨料、表面活性剂、水溶性载体、离子液体和去离子水，且所述抛光液的pH值为7.5。

所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料10wt%，表面活性剂8wt%，水溶性载体12wt%，离子液体45wt%和去离子水25wt%。

所述核壳结构磨料，其内核分别为二氧化硅和碳化硅，二氧化硅和碳化硅的质量比为1：1；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

所述核壳结构磨料的粒径为100nm。

所述表面活性剂为非离子型氟碳表面活性剂。

所述非离子型氟碳表面活性剂选用丙烯酸酯非离子氟碳表面活性剂。

所述水溶性载体由质量比为3：1的丙二醇、异丙醇组成。

所述离子液体为室温型有机离子液体。

所述有机离子液体的阳离子为咪唑盐阳离子。

实施例3

本实施例的核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液由以下原料组成：核壳结构磨料、表面活性剂、水溶性载体、离子液体和去离子水，且所述抛光液的pH值为9.0。

所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料50wt%，表面活性剂10wt%，水溶性载体5wt%，离子液体30wt%和去离子水5wt%。

所述核壳结构磨料，其内核分别为二氧化硅和碳化硅，二氧化硅和碳化硅的质量比为3：1；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

所述核壳结构磨料的粒径为300nm。

所述表面活性剂为非离子型有机硅表面活性剂。

所述非离子型有机硅表面活性剂，其亲水基团选用非离子型的聚氧乙烯、其疏水基团为有机硅链段，选用骨架为全甲基取代的Si-O-Si的聚硅氧烷。

所述水溶性载体由质量比为2：1的乙二醇、异丁醇组成。

所述离子液体为室温型有机离子液体。

所述有机离子液体的阳离子为吡咯盐阳离子。

实施例4

本实施例的核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液的配方基本与实施例1相似，其主要不同之处在于，所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料17.5wt%，表面活性剂10wt%，水溶性载体10wt%，离子液体37wt%，焦磷酸盐0.5wt%和去离子水25wt%。

实施例5

本实施例的核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液的配方基本与实施例1相似，其主要不同之处在于，所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料16wt%，表面活性剂10wt%，水溶性载体11wt%，离子液体36wt%，羟基自由基0.5wt%、氮氧自由基哌啶醇1.5%和去离子水25wt%。

实施例6

本实施例的核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液的配方基本与实施例1相似，其主要不同之处在于，所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料30wt%，表面活性剂6wt%，水溶性载体9wt%，离子液体39wt%、乙二胺四甲叉膦酸盐1wt%和去离子水15wt%。

实施例7

本实施例的核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液的配方基本与实施例1相似，其主要不同之处在于，所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料30wt%，表面活性剂6wt%，水溶性载体9wt%，离子液体39wt%、过硫酸铵1wt%和去离子水15wt%。

实施例8

本实施例的核壳结构纳米磨料抛光液，所述抛光液的配方基本与实施例1相似，其主要不同之处在于，所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料30wt%，表面活性剂6wt%，水溶性载体9wt%，离子液体37wt%、乙二胺四甲叉膦酸盐1wt%、过硫酸铵1wt%、氮氧自由基哌啶醇1wt%和去离子水15wt%。

将实施例1-8制备得到的抛光液，进行性能测试，其结果如表1所示：

外观观察：通过肉眼观察的方式，判断各表面外观的瑕疵情况和是否出现橘皮现象；采用光泽仪测试各工件表面的光泽度。

抛光效率测试：将所制样品在圣高单面抛光机上抛光。其测试条件如下：下压：10psi，下盘以及载盘转速80 RPM，抛光液流速：100 ml/分钟，抛光垫材料：黑色阻尼布；抛光时间30分钟。长15mm，宽7mm316L不锈钢用于抛光测试。以抛光液在金属表面的切削率来判断抛光效率。

悬浮性能测试：将实施例1-8制备得到的抛光液在相同测试条件下，分别静置２小时、12小时、24小时、72小时、168小时，观察抛光液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，其悬浮性能测试结果如表2所示：

循环性能测试：将实施例1-8制备得到的抛光液，在相同的抛光条件下进行循环使用，其抛光速率在第15次时均为1.0微米/分钟。将上述循环使用后的样品抛光液在相同测试条件下，再次分别静置２小时、12小时、24小时、72小时、168小时，观察抛光液分散体系是否从上至下分层为水层、分散层、沉淀层，记录分散层的分散情况，抛光液循环使用后的悬浮性能测试结果如表3所示：

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种核壳结构纳米磨料抛光液，其特征在于，所述抛光液由以下原料组成：核壳结构磨料、表面活性剂、水溶性载体、离子液体和去离子水，且所述抛光液的pH值为7.5-9.0；所述核壳结构磨料，其内核为二氧化硅和/或碳化硅；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂；所述离子液体为阳离子型有机离子液体；其中，所述核壳结构磨料以丙烯酸甲酯作为反应介质，按磨料占丙烯酸甲酯质量的1-20wt%加入磨料，超声辅助机械搅拌，进行均匀分散；再将单体N,N,N-三甲基甲铵丙烯酸盐及单体1,4-丁二醇二丙烯酸酯按质量比为3-12：1加入至所述反应介质中，通过溶液聚合反应的方式进行反应，得到内核为二氧化硅和/或碳化硅；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂的所述核壳结构磨料；所述单体总合占离子化丙烯酸衍生物树脂总重的3-6%。

2.如权利要求1所述的核壳结构纳米磨料抛光液，其特征在于，所述原料中各组分在抛光液中的质量百分比为：核壳结构磨料5-50wt%，表面活性剂0.1-10wt%，水溶性载体1-15wt%，离子液体10-50wt%和去离子水5-25wt%。

3.如权利要求1所述的核壳结构纳米磨料抛光液，其特征在于，所述核壳结构磨料的粒径为100-300nm。

4.如权利要求1所述的核壳结构纳米磨料抛光液，其特征在于，所述表面活性剂为非离子型有机硅表面活性剂和/或非离子型氟碳表面活性剂。

5.如权利要求1所述的核壳结构纳米磨料抛光液，其特征在于，所述水溶性载体为乙二醇、丙二醇、三羟甲基丙烷、异丙醇、异丁醇中的至少一种。

6.如权利要求1所述的核壳结构纳米磨料抛光液，其特征在于，所述有机离子液体的阳离子为咪唑盐、吡咯盐或季铵盐中的至少一种。

7.如权利要求1所述的核壳结构纳米磨料抛光液，其特征在于，所述抛光液还包括防锈剂、氧化剂、络合剂中的至少一种。

8.一种如权利要求1中所述的核壳结构纳米磨料抛光液的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

S1：称取1-15wt%水溶性载体和5-25wt%去离子水，加入到10-50wt%离子液体中，然后加入5-50wt%核壳结构磨料，搅拌混合均匀；

S2：再加入0.1-10wt%表面活性剂，进一步搅拌均匀，调整pH值到7.5-9，充分搅拌均匀后，得到所述核壳结构纳米磨料抛光液。