Dans le domaine du polissage de précision, les nanodiamants possèdent une dureté Mohs extrême de 10, ainsi qu'une surface spécifique élevée et une activité de surface élevée à l'échelle nanométrique. Lors du traitement de matériaux durs et cassants tels que le carbure de silicium et le saphir, ils sont capables d'éliminer des matériaux au niveau atomique-. Cependant, les particules de nanodiamant natif produites par les méthodes de détonation actuellement courantes et de synthèse à haute -température et haute -pression (HTHP) ont tendance à s'agglomérer spontanément. Lorsqu'il est utilisé pour le polissage de pièces, cela provoque facilement des rayures de surface, des piqûres, une mauvaise planéité et d'autres problèmes, réduisant directement le rendement du produit. Cela limite également leur application dans les revêtements lubrifiants, la biodétection, les matériaux composites haut de gamme et d'autres domaines. Par conséquent, une désagglomération efficace et une dispersion stable des nanodiamants sont essentielles pour tirer pleinement parti de leurs propriétés exceptionnelles et débloquer des marchés d'applications haut de gamme. Cet article commence par les causes de l’agglomération des nanodiamants et passe en revue les quatre principales voies technologiques de désagglomération répandues dans l’industrie.
Pourquoi les nanodiamants se regroupent-ils ?
Les particules de nanodiamant sont extrêmement petites, avec des diamètres allant de seulement 2 à 50 nanomètres, et ont une très grande surface spécifique. Physiquement, ils sont intrinsèquement dans un état instable. Pour obtenir une configuration plus stable, ces particules ultrafines s'adsorbent spontanément les unes sur les autres et s'agglomèrent-c'est la cause première de leur tendance à se regrouper. Dans le même temps, les surfaces des particules comportent de nombreux sites actifs insaturés qui adsorbent facilement l’humidité et les impuretés de l’air, provoquant ainsi une adhésion étroite des particules et exacerbant le problème d’agglutination, formant des agglomérats mous classiques. Généralement, ces agglomérats mous sont principalement maintenus ensemble par des forces physiques telles que les forces de Van der Waals, l'attraction électrostatique et les forces capillaires, les particules étant principalement en contact ponctuel ou angulaire, ce qui entraîne des forces de liaison relativement faibles.
Cependant, les nanodiamants produits par la méthode de détonation présentent des impuretés résiduelles à leur surface, telles que du carbone graphitique et du carbone amorphe. Lors de la synthèse à haute -température, les particules adjacentes peuvent former directement de fortes liaisons carbone-carbone. Associé à la déshydratation et au durcissement des groupes de surface lors du séchage et du stockage ultérieurs, cela aboutit finalement à des agglomérats durs denses et fortement liés. Ces agglomérats durs ne peuvent pas être brisés par les seules forces externes ordinaires, ce qui pose un sérieux défi à l'application des nanodiamants.
Comment désagglomérer les nanodiamants ?
En réponse aux mécanismes d'agglomération ci-dessus, l'industrie a développé plusieurs types de technologies de désagglomération pour les nanodiamants, qui peuvent être classées en quatre grandes catégories : les méthodes de dispersion physique, les méthodes chimiques inorganiques, les méthodes de champ d'énergie élevé- et les méthodes de modification chimique de surface.
01 Méthodes de dispersion physique
Les méthodes de dispersion physique reposent sur des forces mécaniques pour surmonter l’attraction interparticulaire et briser de force les agglomérats mous. Cependant, de tels moyens de dispersion physique ne peuvent pas garantir la stabilité à long terme de la suspension et sont généralement utilisés comme techniques de dispersion auxiliaires. Les méthodes courantes incluent :
(1) Broyage à billes à haute-énergie: C'est la méthode mécanique la plus courante. Il utilise l'énergie mécanique générée par les collisions à grande vitesse et le cisaillement entre les billes de broyage pour broyer des agglomérats de la taille du micron jusqu'à l'échelle nanométrique. Généralement, un milieu de dispersion (par exemple, de l'eau ou des alcools) assure la lubrification et la stabilisation préliminaire, de sorte que le broyage humide à boulets est plus efficace que le broyage sec à boulets.
(2) Dispersion assistée par ultrasons: Cette méthode utilise l'effet de cavitation dans les liquides pour désagglomérer les amas. Lors de la propagation des ultrasons, des microbulles se forment dans le liquide. Sous la compression et la raréfaction périodiques du champ ultrasonore, ces bulles grandissent jusqu’à atteindre une taille de résonance puis s’effondrent violemment. L’effondrement instantané génère des ondes de choc localisées à haute température, haute pression et puissantes ainsi que des microjets à grande vitesse dans un très petit espace, perturbant ainsi les forces de Van der Waals, l’adsorption électrostatique et d’autres forces de liaison entre les particules, et brisant les grands agglomérats en particules dispersées individuellement à l’échelle micronique ou nanométrique.
02 Méthodes chimiques inorganiques
Les méthodes chimiques inorganiques impliquent des processus tels que le lavage à l'acide, le recuit d'hydrogénation et le recuit d'oxydation pour éliminer les composés métalliques et le carbone autre que le diamant (y compris le graphite et le carbone amorphe) de la surface des nanodiamants, réduisant ainsi efficacement l'agglomération dure.
(1) Lavage acide : Le traitement avec des acides forts tels que l'acide nitrique ou l'acide chlorhydrique peut dissoudre et éliminer les impuretés métalliques, tout en introduisant un grand nombre de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène-tels que des groupes carboxyle (-COOH), hydroxyle (-OH) et carbonyle (C=O)-sur la surface du nanodiamant. Dans les solutions aqueuses, ces groupes polaires s'ionisent, conférant une charge de surface négative aux particules, générant une répulsion électrostatique entre les particules et empêchant ainsi l'agglomération.
(2) Recuit d'oxydation: Le chauffage des nanodiamants dans des atmosphères d’air ou d’oxygène introduit de la même manière des groupes fonctionnels contenant de l’oxygène à la surface. Par rapport à l’oxydation acide en phase liquide, son avantage réside dans l’absence de génération de déchets liquides pendant le traitement, ce qui le rend adapté à une production continue à grande échelle.
(3) Recuit d'hydrogénation: Contrairement à l'oxydation, le recuit d'hydrogénation consiste à chauffer des nanodiamants à haute température dans une atmosphère d'hydrogène pour éliminer les groupes de surface contenant de l'oxygène, formant ainsi une surface terminée par de l'hydrogène (par exemple, des groupes -CH₂). Après traitement d'hydrogénation, la surface du nanodiamant devient hydrophobe, améliorant considérablement sa dispersibilité dans les solvants non polaires.
03 Méthodes de champ à haute énergie
Les méthodes de champ à haute énergie utilisent des champs physiques extrêmes tels que les lasers ou le plasma pour agir directement sur les structures agglomérées, détruisant efficacement et proprement les agglomérats durs de nanodiamants et favorisant une dispersion stable dans les milieux.
(1) Dispersion assistée par plasma: Des particules de haute énergie (par exemple des ions, des électrons) générées par le plasma bombardent les agglomérats de nanodiamants, produisant non seulement de forts impacts physiques et des microjets, mais brisant également directement les liaisons covalentes entre les particules de nanodiamants et modifiant leurs états chimiques de surface, perturbant finalement l'agglomération dure.
(2) Dispersion assistée par laser: La densité d'énergie ultra-élevée des lasers peut, d'une part, rompre directement les liaisons covalentes entre les particules de nanodiamant (en particulier les liaisons interfaciales entre la couche superficielle de carbone hybride sp² et le noyau de diamant sp³) ainsi que les forces intermoléculaires de Van der Waals. D’autre part, l’énergie laser peut être absorbée par des milieux liquides tels que l’eau, déclenchant une ionisation par avalanche et générant des panaches de plasma. L'expansion violente instantanée du plasma crée localement de fortes ondes de choc, impactant et brisant la structure physiquement liée des agglomérats de nanodiamants, permettant ainsi une désagglomération efficace.
04 Modification chimique organique de surface
L'agglomération est un processus spontané avec une faible énergie d'activation. Même si les agglomérats sont temporairement brisés par des forces externes, tant que l’état de surface des particules n’a pas été fondamentalement modifié, les surfaces nouvellement exposées se réagrègent rapidement sous l’effet des forces susmentionnées. La modification chimique organique de surface est donc un moyen essentiel pour maintenir la stabilité de la dispersion après désagglomération en modifiant l’état de surface des particules. Actuellement, les principales approches incluent l’arylation, la fonctionnalisation par sulfonation et diamant et la photogreffe.
(1) Arylation: L'introduction de groupes cycliques aromatiques tels que phényle ou naphtyle sur la surface du nanodiamant peut occuper des sites de liaison pendants en surface, tandis que l'encombrement stérique fourni par leurs structures rigides empêche efficacement l'approche des particules. De plus, les cycles aromatiques introduits peuvent servir de points d’ancrage pour une fonctionnalisation ultérieure.
(2) Sulfonation: Introduction de groupes acide sulfonique (-SO₃H) sur la surface du nanodiamant via des réactions de sulfonation. Les groupes acide sulfonique sont fortement acides et s'ionisent complètement en solution aqueuse, modifiant considérablement le potentiel zêta de surface des particules. Cela génère une forte répulsion électrostatique entre les particules de nanodiamant, neutralisant efficacement l'attraction de Van der Waals et empêchant la réagglomération, réalisant ainsi une désagglomération et maintenant une dispersion stable. Dans le même temps, la sulfonation modifie la chimie de surface des nanodiamants, renforçant la polarité de la surface et améliorant considérablement la mouillabilité des particules dans les solvants polaires (par exemple l'eau).
(3) Photogreffe: Utilisation d'une irradiation par la lumière ultraviolette ou visible pour exciter la surface du nanodiamant ou de photosensibilisateurs pour générer des radicaux libres, qui initient la polymérisation des monomères oléfiniques à la surface, greffant de longues chaînes polymères. Les monomères de greffage courants comprennent l'acide acrylique, l'acrylamide, le méthacrylate de méthyle, etc. Les chaînes polymères prennent des conformations étendues dans les solvants, formant une couche d'encombrement stérique d'une épaisseur allant de plusieurs nanomètres à des dizaines de nanomètres. La force répulsive augmente fortement à mesure que la distance interparticulaire diminue, ce qui en fait l’un des moyens les plus efficaces pour empêcher l’agglomération. Les avantages du photogreffage incluent des conditions de réaction douces et un contrôle précis de la densité de greffage et de la longueur de la chaîne en ajustant le temps d'irradiation et la concentration de monomères.