DE60120161T2

DE60120161T2 - Funktionalisierter diamant verfahren zu seiner herstellung, verbundschleifmittel und funktionalisierte diamanten enthaltende schleifwerkzeuge

Info

Publication number: DE60120161T2
Application number: DE60120161T
Authority: DE
Inventors: Philip Mark Niskayuna D'EVELYN; Michael James Worthington MICHALE
Original assignee: Diamond Innovations Inc
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: WO2001068521A2; TW526125B; EP1296802A2; CN1220573C; KR20020092381A; EP1296802B1; IL151664A; JP4916077B2; KR100757704B1; IL151664A0; WO2001068521A3; JP2003527285A; AU2001241902A1; DE60120161D1; CN1429144A; US6372002B1

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldung 60/188,874, die am 13. März 2000 von den Erfindern D'Evelyn und McHale angemeldet wurde.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich auf funktionalisierte Diamanten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf funktionalisierte Diamanten mit erweiterter Harzrückhaltung (siehe zum Beispiel IKEDA Y ET AL.: „ORGANIC ROUTES TO CHLORINATION AND SUBSEQUENT BUTYLATION OF DIAMONDSURFACES", ELECTROCHEMICAL SOCIETY PROCEEDINGS, ELECTROCHEMICAL SOCIETY, PENNINGTON, NJ, USA, Bd. 97–32, 1997, Seiten 390–398, XP001023806, ISSN: 0161-6374, Seite 393–Seite 395).
Diamanten, zum Beispiel Netzkristalle und Feinstpulver können in vielen Anwendungen als Schleifstoffe verwendet werden. Zum Beispiel werden Diamanten in Schleifwerkzeugen, Maschinenanlagen, Schneidegeräten, Mahlwerkzeugen und anderen Arten ähnlicher Schleifeinrichtungen verwendet. Die Attraktivität von Diamanten in Schleifanwendungen beruht, zumindest teilweise, auf ihrer Härte. Während Diamanten, die als härtester Naturstoff bekannt sind, nützliche Schleifcharakteristiken besitzen, kann ihre Anwendung in verschiedenen Einrichtungen und Umgebungen beschränkt sein. Zum Beispiel können Diamantanwendungen durch die Diamantrückhaltung an der Einrichtung beschränkt sein. Oft sind die Leistung und die Haltbarkeit der Einrichtung durch die Diamantrückhaltung beschränkt.
Der Diamant wird typischerweise für Schleifzwecke in einer Matrix bereitgestellt, wobei die Matrix ein Harz beinhalten kann. Die Schleifeinrichtung umfasst typischerweise ein Substrat, das mit der diamantbeladenen Matrix versehen ist. Die Bindungsfestigkeit zwischen den Partikeln und der Matrix ist die bestimmende Festigkeit der Schleifeinrichtung. Verbesserte Bindungsfestigkeit zwischen Diamanten und einer zugehörigen Matrix sollte die Rückhaltung zwischen ihnen erhöhen. Dementsprechend sollten sich Leistung und Haltbarkeit des Schleifeinrichtungswerkzeugs, das mit der diamantbeladenen Matrix versehen ist, erhöhen.
Es wurde vorgeschlagen, die Diamantoberflächen zu ändern, um die Bindungsfestigkeit zwischen den Diamanten und der zugehörigen Matrix zu verbessern. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, die Diamantoberflächen zu funktionalisieren, um die Bindungsfestigkeit zwischen den Diamanten und der Matrix zu verbessern. Mit dieser Funktionalisierung wurde versucht, die Benetzbarkeit des Diamanten hinsichtlich verschiedener polymere Harzpräkursoren abzuändern. Mit der Abänderung wurde versucht, eine Bindungsfestigkeit für physikalische Wechselwirkung zwischen Diamanten und einer zugehörigen Matrix zu erhöhen. Die physikalischen Wechselwirkungskräfte zwischen einem Diamanten und einer zugehörigen Matrix sind jedoch schwächer als diejenigen, die durch chemische Bindungen gebildet sind. Ferner ist es nicht bekannt, dass funktionalisierende Diamanten mit Anteilen, die fähig sind, starke kovalente Bindungen mit einem zugehörigen Harz zu bilden, für Schleifanwendungen erforscht worden sind.
Deshalb besteht zur Verwendung in Schleifanwendungen Bedarf an abschleifenden Verbundstoffen, funktionalisierten Diamanten und Kunstharzbindungsmatrizen. Ferner besteht Bedarf an einem Verfahren zum Bereitstellen dieser funktionalisierten Diamanten und Kunstharzbindungsmatrizen mit Bindungen mit verbesserter Festigkeit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt einen Diamanten gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Funktionalisieren eines Diamanten gemäß Anspruch 8 bereit. Die beigelegten Ansprüche beschreiben weitere Ausführungsformen der Erfindung.
Diese und andere Aspekte, Vorteile und hervorstechende Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung offenbart, wobei in allen Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Referenzzeichen bezeichnet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Satz von Spektren, der durch Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie (DRIFTS) an funktionalisierten Diamanten, durch die Erfindung ausgeführt, in einer Kaliumbromid(KBr)-Matrix erhalten wurde; und
2 ist ein Satz von Infrarot-Spektren auf reinem (unvermischtem) Diamantpulver, das in einem Infrarot-Mikroskop in dem Reflexionsmodus aufgenommen ist, um sie gegenüber Wasserunreinheiten in der KBr-Matrix zu unterscheiden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Funktionalisierte Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, beinhalten Diamanten, deren Oberflächen mit organischen Gruppen (hierin auch als „organischer funktionalisierender Anteil" oder „organischer Anteil" bezeichnet) funktionalisiert sind, um die chemische Bindungsfestigkeit mit Kunstharzbindungsmatrizen zu verbessern. Diese organischen Gruppen können mit einer Kunstharzbindungsmatrix copolymerisieren. Somit stellt das Funktionalisieren, wie durch die Erfindung ausgeführt, eine Diamantoberfläche mit einer verbesserten Bindungsfestigkeit bereit, die zum Beispiel durch kovalente Bindungen in einer Kunstharzbindungsmatrix gebildet ist. Zum Beispiel können die kovalenten Bindungen mindestens eine aus C-C, C-O, C-N, C-Si, Si-O und Si-N-Bindungen beinhalten, sind aber nicht auf sie beschränkt.
Ferner legt die Erfindung einen abschleifenden Verbundstoff und ein Schleifwerkzeug mit verbessertem Haftvermögen zwischen Diamanten mit funktionalisierten Oberflächen (nachstehend ebenfalls als „funktionalisierte Diamanten" bezeichnet) und einer Kunstharzbindungsmatrix dar. Somit beinhaltet der abschleifende Verbundstoff, wie durch die Erfindung ausgeführt, die funktionalisierten Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, und eine Kunstharzbindungsmatrix. Das Schleifwerkzeug, wie durch die Erfindung ausgeführt, beinhaltet ebenfalls funktionalisierte Diamanten und eine Kunstharzbindungsmatrix für Schleifanwendungen.
Der Begriff „Kunstharzbindungsmatrix", wie hierin verwendet, beinhaltet eine Matrix aus harzigem Stoff, in dem mindestens ein funktionalisierter Diamant mit darin verbesserter Diamantrückhaltung eingeschlossen werden kann. Ferner umfasst der Begriff „Diamant" in der Natur vorkommende Diamanten und künstliche Diamanten, ist aber nicht auf sie beschränkt. Der Begriff „Diamant" beinhaltet außerdem mindestens eins aus Diamantkristallen, Diamantpartikeln und Diamant-Feinstpulverpartikeln.
Die Bindungen, wie oben behandelt, die in einem abschleifenden Verbundstoff zwischen den funktionalisierten Diamanten und den Kunstharzbindungsmatrizen gebildet werden, beinhalten typischerweise kovalente Bindungen. Die kovalenten Bindungen können durch Copolymerisierungsvorgänge, wie hiernach erörtert, erzeugt werden. Die funktionalisierten Diamanten zur Verwendung in Schleifanwendungen, zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf abschleifende Verbundstoffe, beinhalten Diamanten, deren Oberflächen durch das Abdecken mit Molekülen, die darauf angeordnet sind, funktionalisiert sind. Die Moleküle sind zur Copolymerisierung mit Kunstharzbindungen in einer Matrix fähig.
Die funktionalisierten Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, können Phenolgruppen beinhalten. Die Phenolgruppen sind durch Bindungen, wie etwa die oben beschriebenen, an die Oberfläche eines Diamanten gebunden. Diese Phenolgruppen können mit Phenol-Formaldehydharzen copolymerisieren.
Alternativ dazu können die funktionalisierten Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, Vinylgruppen beinhalten. Die Vinylgruppen können durch Bindungen, wie etwa die oben beschriebenen, an eine Diamantoberfläche gebunden sein. Diese Vinylgruppen können während der Copolymerisierung Kondensation mit Vinylharzen ausgesetzt sein.
Eine weitere Alternative funktionalisierter Diamanten, innerhalb des Bereichs der Erfindung, beinhaltet Alkohol- oder Hydroxylgruppen auf Oberflächen von Diamanten. Die Alkoholgruppen sind durch Bindungen, wie etwa die oben beschriebenen, an eine Diamantoberfläche gebunden und können Polymerisierung mit linearen und verzweigten mehrwertigen Säuren und mehrwertigen Alkoholen erfahren, um Polyesterharze zu bilden.
Eine weitere Alternative funktionalisierter Diamanten kann Amidgruppen beinhalten, die durch Bindungen, wie etwa die oben beschriebenen, an eine Diamantoberfläche gebunden sind. Die Amidgruppen können Polymerisierung mit Formaldehyd und mindestens einem aus Harnstoff und einem Polyamid erfahren.
Eine weitere Alternative funktionalisierter Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, kann auf Oberflächen der Diamanten Aldehydgruppen beinhalten. Diese Aldehydgruppen können mit Phenolharzen copolymerisieren.
Eine weitere Alternative funktionalisierter Diamanten, innerhalb des Bereichs der Erfindung, beinhaltet Epoxidgruppen auf Oberflächen der Diamanten. Diese Epoxidgruppen können mit Epoxid- und Polyetherharzen copolymerisieren.
Diese funktionellen Gruppen sind aufgrund eines hohen Grads an sterischer Hinderung, die typischerweise nahe Diamantoberflächen vorkommt, durch Kohlenwasserstoffketten variabler Länge an eine Diamantoberfläche gebunden. Diese sterische Hinderung kann unerwünschterweise die Anzahl an Bindungen, die mit Kunstharzbindungsmatrixmolekülen gebildet werden können, verringern.
Ein funktionalisierter Diamant, wie durch die Erfindung ausgeführt, beinhaltet somit einen organischen Anteil, der durch Bindungen, wie etwa die oben beschriebenen, kovalent an die Diamantoberfläche gebunden ist. Der organische funktionalisierte Anteil ist ausgewählt aus: Vinyl-, Amid-, Alkohol-, Phenol-, Hydroxyl-, Aldehyd- und Epoxidgruppen und Kombinationen daraus.
Die Herstellung der funktionalisierten Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, kann durch verschiedene Vorgänge vorgenommen werden. Ein beispielhafter funktionalisierter Diamantherstellungsvorgang, wie durch die Erfindung ausgeführt, beinhaltet das Bereitstellen funktionalisierter Diamantpartikel mit nahezu der Konzentration einer einlagigen Schicht an Carboxylgruppen (-COOH) auf ihrer Oberfläche oder mit einer Konzentration innerhalb einer Spanne von etwa 0,1 × 10¹⁵ cm^–2 bis etwa 3 × 10¹⁵ cm^–2. Diese funktionalisierten Diamanten können durch Sieden der Diamanten in einer stark oxidierenden Säure (wobei der Begriff „stark" charakteristisch für Säuren ist, wie in dem Beispiel unten dargelegt) hergestellt werden. Zum Beispiel kann die oxidierende Säure mindestens eins aus konzentriertem HClO₄ oder 1-%- bis 20-%-Salpetersäure (HNO₃) in konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) beinhalten, ohne dass die Erfindung in irgendeiner Weise beschränkt würde. Dieser Vorgang kann funktionalisierte Diamantpartikel erzeugen, die hydrophil sind.
Die funktionalisierten Diamantpartikel können eine nahezu volle einlagige Schicht von Säuregruppen auf dem Diamanten beinhalten, das heißt mit einer Oberflächenkonzentration innerhalb einer Spanne von etwa 0,1 × 10¹⁵ cm^–2 bis etwa 3 × 10¹⁵ cm^–2. Diese Charakteristiken funktionalisierter Diamanten können durch geeignete analytische Verfahren bestimmt werden, wie etwa durch mindestens eins aus Infrarot-Spektroskopie und basischer Titration.
Der obige Vorgang bildet anschließend kovalente (chemische) Bindungen zwischen der sauren Diamantoberfläche und einem copolymerisierbaren Molekül, auch bekannt als funktionalisierender Anteil. Diese kovalenten Bindungen können durch säurekatalysierte Veresterung oder basenkatalysierte Amidierung gebildet werden. Die Gleichungen (1) bis (5) legen die Nomenklatur für beispielhafte Reaktionen, die kovalente Bindungen bilden, wie durch die Erfindung ausgeführt, dar.
Diamant-COOH + HO(CH₂)_xCH=CH₂ → Diamant-COO(CH₂)_xCH=CH₂ (2) Diamant-COOH + HOCH₂(CH₂)_xOH → Diamant-COOCH₂(CH₂)_xOH (3) Diamant-COOH + HO(CH₂)_xCONH₂ → Diamant-COO(CH₂)_xCONH₂ (4) Diamant-COOH + HO(CH₂)_xCOH → Diamant-COO(CH₂)_xCOH (5)
Alternativ dazu können die kovalenten Bindungen durch andere Reaktionen erzeugt werden. Die Gleichungen (6) bis (10) stellen die Nomenklatur für weitere beispielhafte Reaktionen, die kovalente Bindungen bilden, wie durch die Erfindung ausgeführt, dar.
Diamant-COOH + H₂N(CH₂)_xCH=CH₂ → Diamant-CONH(CH₂)_xCH=CH₂ (7) Diamant-COOH + H₂NCH₂(CH₂)_xOH → Diamant-CONHCH₂(CH₂)_xOH (8) Diamant-COOH + H₂N(CH₂)_xCONH₂ → Diamant-CONH(CH₂)_xCONH₂ (9) Diamant-COOH + H₂N(CH₂)_xCOH → Diamant-CONH(CH₂)_xCOH (10)
Bei jeder der Reaktionen in den Gleichungen (1–10) ist x eine ganze Zahl zwischen 0 und ungefähr 20. Dieser x-Wert sollte unterschiedliche Abstände zwischen der Diamantoberfläche und der polymerisierbaren funktionellen Gruppe, zum Beispiel einer aus Phenol-, Vinyl-, Hydroxyl-, Amid- oder Aldehydgruppen ausgewählten polymerisierbaren funktionellen Gruppe, einkalkulieren. Die in den Gleichungen (1–10) dargelegten Reaktionen stellen verbesserte Bindungsfestigkeit in Kunstharzbindungsmatrizen bereit.
Die Erfindung berücksichtigt ebenfalls funktionalisierte Diamanten mit verbesserter Beständigkeit in wässrigen Säure- oder Basenumgebungen. Einige herkömmliche chemische Umgebungen können verursachen, dass die kovalenten Bindungen, zum Beispiel, kovalente Bindungen in Form von Ester- und Amidverkopplungen, aber nicht darauf beschränkt, instabil sind. Diese chemischen Umgebungen treten bei Diamantherstellungsschritten auf, wie etwa beim Erhitzen der funktionalisierten Diamanten in wässrigen Säure- oder Basenumgebungen, aber nicht darauf beschränkt. Für funktionalisierte Diamanten mit verbesserter Beständigkeit in wässrigen Säure- oder Basenumgebungen werden die funktionellen Gruppen durch Kohlenstoff-Kohlenstoff-, jede Art von Kohlenstoff-Sauerstoff- oder sekundäre aminartige Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungsverkopplungen an Diamantoberflächen befestigt. Diese funktionellen Gruppen können durch folgenden beispielhaften Vorgang synthetisiert werden.
Alternativ dazu kann der Chlorierungsschritt durch fotochemische Reaktion, die das Diamantpulver in einer chlorenthaltenden Umgebung ultravioletter Strahlung aussetzt, durchgeführt werden. Zum Beispiel kann die ultraviolette Strahlung durch eine Quecksilberdampf-Hochdrucklampe bereitgestellt werden, ohne dass die Erfindung in irgendeiner Weise beschränkt wird.
Eingangs sind die Diamantoberflächen hydriert. Der Hydrierungsschritt kann das Erhitzen der Diamanten auf eine Temperatur innerhalb einer Spanne von etwa 700°C bis etwa 1200°C in einer wasserstoffenthaltenden Umgebung beinhalten. Die hydrierten Diamantoberflächen können dann chloriert werden. Der Chlorierungsschritt kann das Erhitzen des hydrierten Diamanten auf eine Temperatur innerhalb einer Spanne von etwa 100°C bis etwa 500°C in einer Cl₂-enthaltenden Umgebung beinhalten.
Die hydrierenden und chlorierenden Reaktionen werden in den Gleichungen (11) beziehungsweise (12) schematisch angezeigt. Diamant-(gemischte Oxide) + H₂ → Diamant-H + H₂O + CO + CO₂ (11) Diamant-H + Cl₂ → Diamant-Cl + HCl (12)
Der chlorierte Diamant kann mit wasserstoffenthaltenden Molekülen reagieren, um Moleküle zu erzeugen, die an Diamant und HCl gebunden sind, besonders wenn das/die Wasserstoffatom(e) reaktionsbereiter ist/sind als die in aliphatischen Kohlenwasserstoffen. Die Aussetzung chlorierter Diamanten gegenüber Wasserdampf bei Raumtemperatur kann OH-Gruppen erzeugen, die an die Diamantoberfläche gebunden sind.
Oberflächen-Vinylgruppen können funktionalisierte Diamanten erzeugen. Die Vinylgruppen für funktionalisierte Diamanten können durch das Reagieren von chlorierten Diamanten mit Propylen bei einer Temperatur innerhalb einer Spanne zwischen etwa 100°C und etwa 600°C erzeugt werden. Allyl-C-H-Bindungen sind reaktionsbereiter als normale aliphatische C-H-Bindungen, weshalb eine Reaktion wie in Gleichung (13) auftreten kann: Diamant-Cl + C₃H₆ → Diamant-CH₂CH=CH₂ + HCl (13)
Alternativ dazu kann eine Reaktion des chlorierten Diamanten mit Propylen durch fotochemische Reaktion, wobei das Diamantpulver in einer propylenenthaltenden Umgebung ultravioletter Strahlung ausgesetzt wird, durchgeführt werden.
In ähnlicher Weise können Oberflächen-Phenolgruppen zum Bilden funktionalisierter Diamanten auf Diamanten erzeugt werden, wie durch die Erfindung ausgeführt. Die Oberflächen-Phenolgruppen auf funktionalisierten Diamanten können durch das Reagieren chlorierter Diamanten mit p-Kresol bei einer Temperatur innerhalb einer Spanne zwischen etwa 100°C und etwa 600°C erzeugt werden. Diese Reaktion tritt auf, da Methyl-C-H-Bindungen in Toluol im Allgemeinen schwächer sind als aromatische C-H-Bindungen, und somit kann eine Reaktion, wie in Gleichung (14) dargestellt, auftreten:
Alternativ dazu kann eine Reaktion des chlorierten Diamanten mit Kresol durch fotochemische Reaktion, wobei das Diamantpulver in einer kresolenthaltenden Umgebung ultravioletter Strahlung ausgesetzt wird, durchgeführt werden.
Ein chlorierter Diamant reagiert leichter mit O-H- und N-H-Bindungen als mit C-H-Bindungen, und die Vinyl-, Phenol-, Alkohol-, Amid-, Aldehyd-, und Epoxidanteile der vorliegenden Erfindung können durch Reaktionen mit geeigneten Alkoholen oder Aminen gebildet werden.
Vinyl-, Alkohol-, Amid-, Aldehyd-, Phenol-, und Epoxidgruppen können durch Reagieren des chlorierten Diamanten mit polyfunktionellen Alkoholen bei einer Temperatur zwischen etwa 0°C und etwa 600°C, wie jeweils in den Gleichungen (15) bis (20) angezeigt, auf der Diamantoberfläche gebildet werden: Diamant-Cl + HO(CH₂)_xCH=CH₂ → Diamant-O(CH₂)_xCH=CH₂ + HCl (15) Diamant-Cl + HOCH₂(CH₂)_xOH → Diamant-OCH₂(CH₂)_xOH + HCl (16) Diamant-Cl + HO(CH₂)_xCONH₂ → Diamant-O(CH₂)_xCONH₂ + HCl (17) Diamant-Cl + HO(CH₂)_xCOH → Diamant-O(CH₂)_xCOH + HCl (18)
Alternativ dazu können Vinyl-, Alkohol-, Amid-, Aldehyd-, Phenol- und Epoxidgruppen durch Reagieren des chlorierten Diamanten mit polyfunktionellen Aminen bei einer Temperatur zwischen etwa 0°C und etwa 600°C, wie jeweils in den Gleichungen (21) bis (26) angezeigt, auf der Diamantoberfläche gebildet werden: Diamant-Cl + H₂N(CH₂)_xCH=CH₂ → Diamant-NH(CH₂)_xCH=CH₂ + HCl (21) Diamant-Cl + H₂NCH₂(CH₂)_xOH → Diamant-NHCH₂(CH₂)_xOH + HCl (22) Diamant-Cl + H₂N(CH₂)_xCONH₂ → Diamant-NH(CH₂)_xCONH₂ + HCl (23) Diamant-Cl + H₂N(CH₂)_xCOH → Diamant-NH(CH₂)_xCOH + HCl (24)
Die funktionalisierten Diamantoberflächen, die auf der rechten Seite der Gleichungen (1)–(10) und (13)–(26) beschrieben sind, können mit Präkursoren reagieren, die aus den Gruppen, die Phenolharze, Vinylharze, Polyesterharze, Epoxidharze und Duroplastharze beinhalten, ausgewählt sind. Die Reaktion kann auf chemische Eigenschaften des Harzpräkursors zurückgeführt werden. Deshalb wird der Diamant, wenn chemische kovalente Bindungen durch Copolymerisierung zwischen funktionellen Gruppen und dem Harz gebildet werden, wie durch die Erfindung ausgeführt, an die Kunstharzbindungsmatrix gebunden werden.
Die in den Gleichungen (1)–(10), (13)–(26) dargestellten Reaktionen sind für Polymerisierung tauglich, um Harz chemisch an Diamantoberflächen zu binden, um unter Verwendung analoger Chemie abschleifende Verbundstoffe zu bilden. Kombinationen der oben beschriebenen Reaktionen in den Gleichungen (1)–(10), (13)–(26) können innerhalb des Bereichs der Erfindung eingesetzt werden.
Die funktionalisierten Diamanten und die Kunstharzbindungsmatrizen, die mit den funktionalisierten Diamanten abschleifende Verbundstoffe bilden, wie durch die Erfindung ausgeführt, können in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Die funktionalisierten Diamanten und die Kunstharzbindungsmatrizen mit den funktionalisierten Diamanten können bei der Fertigung von kunstharzgebundenen Schleifanwendungen, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, Mahlwerkzeuge, verwendet werden. Diese Werkzeuge sollten verbesserte Haltbarkeit und Leistung aufweisen. Ein abschleifender Verbundstoff, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, ein Kunstharzbindungssystem, beinhaltet funktionalisierte Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, Füllstoffe, wie etwa Siliziumkarbid (SiC) und Kupfer(Cu)-Pulver und Harzstoffe.
Ein beispielhafter Vorgang zum Bilden der funktionalisierten Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, wird nun beschrieben. Die unten dargestellten Werte sind ungefähre Werte, und Begriffe in der Beschreibung der Erfindung werden in ihrer Bedeutung hierin so verwendet, dass sie von einem durchschnittlichen Fachmann verstanden werden. Dieser beispielhafte Vorgang sollte nicht als erfindungsbeschränkend ausgelegt werden und ist ausschließlich für beispielhafte Zwecke gedacht.
Ein Ausgangsstoff beinhaltete ein Diamantpulver mit einer Partikelgröße von 0,75–1,25 μm. 100 g dieses Diamanten wurde für 1 Std. in einem siedenden Gemisch aus 1000 ml konzentriertem H₂SO₄ und 100 ml von 70%-HNO₃ zum Reagieren gebracht, um die Diamantoberfläche mit Karbonsäuregruppen zu funktionalisieren. Als das Gemisch abgekühlt war, setzte sich das Diamantpulver aus der Suspension ab, und die Säure wurde abgegossen. Der Diamant wurde dann durch Suspendieren in 2000 ml entionisiertem H₂O gespült. Nach dem Absetzenlassen für 12–24 Stunden wurde das Spülwasser abgegossen. Dieser Spülvorgang wurde wiederholt bis der pH-Wert des Gemischs nahe 7 war. Eine letzte Spülung wurde dann mit 1000 ml Aceton vorgenommen. Als sich der Diamant abgesetzt hatte, wurde das Aceton abgegossen, und dem verbleibenden Diamant-/Acetonschlamm wurde gewährt, unter Umgebungsbedingungen zu trocknen, um das funktionalisierte Karbonsäureerzeugnis zu ergeben.
Um die Oberfläche mit Vinylgruppen zu funktionalisieren, wurden 10 g des oben erwähnten funktionalisierten Karbonsäurerzeugnisses in einem 100-ml-Rundkolben platziert. 50 ml Aceton und 10 ml 5-Hexen-1-ol wurden in den Kolben gegossen. Ein Rücklaufkondensator wurde am oberen Ende des Kolbens angebracht, und das Gemisch wurde in einem Wasserbad erhitzt. Als die Temperatur 50°C erreichte, wurden 5 ml konzentrierter Chlorwasserstoffsäure durch den Rücklaufkondensator hinzugefügt. Das Erhitzen wurde fortgesetzt, bis das Gemisch bei 75°C zu sieden begann. Der Kolben wurde gelegentlich geschwenkt, um den Diamanten nach Bedarf zu suspendieren. Nach 30-minütigem Rücklaufen bei 75°C wurde das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt, und die Reaktionsflüssigkeit wurde von dem abgesetzten Diamanten abgegossen. Das Diamanterzeugnis wurde dann durch Suspendieren in 75-ml-Mengen Aceton 5 mal gewaschen, wobei dem Diamanten Zeit zum Absetzen gewährt wurde und das Aceton abgegossen wurde. Nach der fünften Spülung wurde dem Diamant-/Acetonschlamm gewährt, unter Umgebungsbedingungen zu trocknen, wobei sich das vinylbehandelte Erzeugnis ergab.
Um die Funktionalisierung des Diamanten, wie durch die Erfindung ausgeführt, zu verifizieren, wurde an den Proben ein Diffuser-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie-Test (DRIFTS-Test) durchgeführt. Für verbesserte Empfindlichkeit wurden die Diamanten mit Kaliumbromid(KBr)-Pulver gemischt, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Die spektralen Ergebnisse sind in 1 gezeigt. Weitere Spektren reiner (unvermischter) Diamantpulverproben wurden in einem Infrarot-Mikroskop in dem Reflexionsmodus aufgenommen, um sie von Wasserunreinheiten in der KBr-Matrix zu unterscheiden. Diese weiteren Spektren sind in 2 gezeigt.
Der Test zeigte an, dass bei unbehandeltem Diamantpulver ein großer spektraler Höchstwert bei 1760 cm^–1 auftritt und einem Ausdehnungsmodus von >C=O-Oberflächengruppen zugewiesen werden kann, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Zusätzliche spektrale Höchstwerte treten bei Frequenzen in einer Spanne von etwa 1500 cm^–1 und etwa 1000 cm^–1 in unbehandelten Pulvern auf, und diese können einer Kombination von C-O-Modi, die C-O-C-Äthergruppen und C-OH-Hydroxylgruppen zugehörig sind, zugewiesen werden, wie ebenfalls bekannt. Ein breiter Spektrumshöchstwert in einer Spanne von etwa 3000 cm^–1 bis etwa 3700 cm^–1 (1) beruht vermutlich hauptsächlich auf physisorbiertem Wasser in der KBr-Matrix. Dieser Höchstwert war in Reflexionsspektren des unvermischten Diamantpulvers (2) verkleinert. Schließlich beruhen die Spektrumshöchstwerte, die sich in einer Spanne von etwa 1900 cm^–1 bis etwa 2400 cm^–1 befinden, eher auf Volumenabsorption im Diamantpulver als auf Oberflächenspezies.
Das Spektrum des Pulvers nach Behandlung in HNO₃/H₂SO₄ ist dem oben erörterten qualitativ ähnlich, es veranschaulicht jedoch Unterschiede, die einen Anstieg der Konzentration von -COOH-Oberflächengruppen anzeigen. Die >C=O-Ausdehnungsmodusintensität ist angestiegen und hat sich auf etwa 1788 cm^–1 verschoben, was konsistent mit einem Anstieg des Grades von Oberflächenoxidation ist. Ein breiter Höchstwert in einer Spanne von etwa 3000 cm^–1 bis etwa 3700 cm^–1 ist größer (1) und auch markant in Reflexionsspektren des unvermischten Diamantpulvers (2) und ist Indikativ für COO-H-Oberflächenausdehnungsmodi. Die Konzentration von -COOH-Oberflächengruppen ist vermutlich etwa eine einlagige Schicht oder liegt vermutlich in einer Spanne von etwa 1,5–2,0 × 10¹⁵ cm^–2.
Nach Behandlung des säurebehandelten Diamanten mit 5-Hexen-1-ol unter säurekatalysierten Veresterungsbedingungen ist ein Niederfrequenzspektrumsabschnitt weitgehend unverändert, aber neue Höchstwerte, die auf C-H-Ausdehnungsmodi beruhen, können jedoch in einer Spanne von etwa 2800 cm^–1 bis etwa 3100 cm^–1 auftreten. Diese Höchstwerte dazwischen beruhen vermutlich auf sp³-hybridisierten CH₂-Gruppen in chemisorbierten -(CH₂)₄CH=CH₂-Spezies, während der Höchstwert bei 3080 cm^–1 auf den sp²-hybridisierten CH=CH₂-Gruppen in derselben Spezies beruht. Die Intensität von Vinyl-CH- und alpathischen CH₂-Höchstwerten ist etwa 0,045, in allgemeiner Übereinstimmung mit einem entsprechenden Verhältnis (0,17), das in -CH₂-CH=CH-CH₂-, chemisorbiert auf dem Diamanten (100) nach Korrektur für die relative Anzahl von Wasserstoffatomen, beobachtet wurde. Die Orientierung der C=C-Bindungen ist in den beiden Fällen unterschiedlich, und ein Modus der Spektroskopie ist unterschiedlich (diffuse Reflexion im Vergleich zu interner Totalreflexion). Somit wird keine präzise Übereinstimmung bei dem Infrarot-Intensitätsverhältnis erwartet. Kein neuer C-OH-Modus erscheint in dem Spektrum, was anzeigt, dass CH-Modi eher auf chemisorbierten Spezies beruhen als auf restlicher 5-Hexen-1-ol-Unreinheit in dem Diamantpulver.
Des Weiteren ist ein COO-H-Höchstwert in der Intensität erheblich reduziert, wie im Reflexionsspektrum (2) gezeigt. Zusammengefasst zeigen diese spektralen Beobachtungen (1 und 2) an, dass -COOH-Gruppen auf einer Diamantoberfläche nach der Säurebehandlung mit dem 5-Hexen-1-ol reagiert haben, um -COO(CH₂)₄CH=CH₂ zu bilden, wie durch die Erfindung ausgeführt. Die Reduktion um einen Faktor in einer Spanne von etwa 2 bis etwa 3 in der COO-H-Intensität deutet die Bildung von etwa ½ bis 2/3 einer einlagigen Schicht von Oberflächenvinylgruppen und alternativ dazu eine Oberflächenkonzentration in einer Spanne von etwa 0,8 bis etwa 1,3 × 10¹⁵ cm^–2 an.

Claims

Ein Diamant, der einen organischen Anteil beinhaltet, wobei der organische Anteil aus mindestens einem der Folgenden ausgewählt ist: Vinyl-, Amid-, Alkohol-, Phenol-, Aldehyd- und Epoxidgruppen und Kombinationen daraus.
Diamant gemäß Anspruch 1, wobei der Diamant durch einen organischen Anteil mittels einer Reaktion funktionalisiert ist, wobei x eine ganze Zahl zwischen 0 und ungefähr 20 ist:
Diamant gemäß Anspruch 1, wobei der Diamant durch einen organischen Anteil mittels einer folgenden Reaktion funktionalisiert ist, wobei x eine ganze Zahl zwischen 0 und ungefähr 20 ist, die aus einer der Folgenden ausgewählt ist: Diamant-COOH + HO(CH₂)_xCH-CH₂ → Diamant-COO(CH₂)_xCH=CH₂; Diamant-COOH + HOCH₂(CH₂)_xOH → Diamant-COOCH₂(CH₂)_xOH; Diamant-COOH + HO(CH₂)_xCONH₂ → Diamant-COO(CH₂)_xCONH₂; Diamant-COOH + HO(CH₂)_xCOH → Diamant-COO(CH₂)_xCOH;
Diamant-COOH + H₂N(CH₂)_xCH=CH₂ → Diamant-CONH(CH₂)_xCH=CH₂; Diamant-COOH + H₂NCH₂(CH₂)_xOH → Diamant-CONHCH₂(CH₂)_xOH; Diamant-COOH + H₂N(CH₂)_xCONH₂ → Diamant-CONH(CH₂)_xCONH₂;und Diamant-COOH + H₂N(CH₂)_xCOH → Diamant-CONH(CH₂)_xCOH; Diamant-Cl + C₃H₆ → Diamant-CH₂ + HCl;
Diamant-Cl + HO(CH₂)_xCH=CH₂ → Diamant-O(CH₂)_xCH=CH₂ + HCl; Diamant-Cl + HOCH₂(CH₂)_xOH → Diamant-OCH₂(CH₂)_xOH + HCl; Diamant-Cl + HO(CH₂)_xCONH₂ → Diamant-O(CH₂)_xCONH₂ + HCl; Diamant-Cl + HO(CH₂)_xCOH → Diamant-O(CH₂)_xCOH + HCl;
Diamant-Cl + H₂N(CH₂)_xCH=CH₂ → Diamant-NH(CH₂)_xCH=CH₂ + HCl; Diamant-Cl + H₂NCH₂(CH₂)_xOH → Diamant-NHCH₂(CH₂)_xOH + HCl; Diamant-Cl + H₂N(CH₂)_xCONH₂ → Diamant-NH(CH₂)_xCONH₂ + HCl; Diamant-Cl + H₂N(CH₂)_xCOH → Diamant-NH(CH₂)_xCOH + HCl;und
Ein abschleifender Verbundstoff, der den Diamanten aus einem der Ansprüche 1 bis 3 beinhaltet.
Abschleifender Verbundstoff gemäß Anspruch 4, der ferner eine Kunstharzbindungsmatrix beinhaltet.
Ein Werkzeug, das den Diamanten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Kunstharzbindungsmatrix beinhaltet.
Werkzeug gemäß Anspruch 6, das ferner einen Füllstoff beinhaltet, der aus mindestens einem von Siliziumkarbid (SiC) und Kupfer (Cu) ausgewählt ist.
Ein Verfahren zur Funktionalisierung eines Diamanten, das das Bereitstellen eines organischen Anteils auf einer Oberfläche eines Diamanten beinhaltet, wobei der organische Anteil aus den Folgenden ausgewählt ist: Vinyl-, Amid-, Alkohol-, Phenol-, Aldehyd- und Epoxidgruppen und Kombinationen daraus.