纳米金刚石主要技术指标之研究①

张书达,张文刚

(天津市乾宇超硬科技有限公司,天津300384)

纳米金刚石主要技术指标之研究
①

张书达,张文刚

(天津市乾宇超硬科技有限公司,天津300384)

简要介绍了纳米金刚石的主要技术指标、俄罗斯国家行业标准和国外几家公司的相关技术指标,以及测量方法的特殊性。纳米颗粒的粒度检测应使用光子相关光谱法,X射线小角散射法对纳米金刚石的粒度检测是不适宜的。测量含水量时105℃对常规化工产品是适宜的,而对纳米金刚石则应改为118(±2)℃。检测环境应为:20(±5)℃,相对湿度≤80%,大气压力84~106k Pa。

纳米金刚石;技术指标;粒度检测;含水量;检测环境

1 引言

纳米金刚石既具有金刚石的优点,又具有纳米材料的优点,因而近年来已引起世界各国的广泛注意。欲使其推广应用就必须对其主要参数作深入研究,所以我国从事该领域研究的人员亦越来越多。由于纳米金刚石的特殊性,因而其主要技术指标和测试方法与微米级金刚石就有许多不同。本文拟就此与同仁交换意见。

该项目工作组调研分析了国内外多家纳米金刚石产品和企标的状况。收集分析了国外标准资料、样本及检测技术。对国内多家公司、不同批次的几十份样品进行了分析,将国际先进水平与我国的实际情况相结合。经多年筹备,六易其稿,终于在2009年底,将拟定的纳米金刚石行标草稿上报到标委会供领导和专家审定。

2 制订标准的指导思想和参考标准

2.1 指导思想(1)尽量完善标准体系,尽可能与先进标准一致;(2)结合我国国情尽量选择先进的检测方法并考虑生产单位的可操作性;

(3)有利于促进行业技术发展和产品质量的提高;

(4)便于加强国际交流和开拓国际市场;

(5)既考虑到现状又考虑到未来发展,因而按粒度和质量分级。

2.2 参照标准

本标准的技术指标,是在测量国内外大量样品的基础上,着重参考和分析了以下标准:

(1)俄罗斯联邦国家行业标准ДЕТОНАЦИОННЫЕНАНОАЛМАЗЫ

Технические условия “ТУ 3974-456-05121441-2008”。

(2)白俄罗斯“辛达科学与制造联合股份公司”纳米碳标准

НПО“СИНТА”Беларусь,ТУ28619110.001-95。

(3)俄罗斯“金刚石中心股份有限公司”纳米碳标准ЗАКРЫТНОЕ

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО“АЛМАЗНЫЙЦЕНТР”

НУТУ05121441-275-95和ТУ080-177-21-90。

(4)美国杜邦公司(Du Pont)纳米金刚石标准。

另外参考了瑞士 Mypolex标准中细于0.5μm的部分。

3 主要技术指标和表述

nD-I型的指标目前我国大多数产品可达到;

n D-II是需要经过一定的努力才能达到的。

以上前三家公司所生产的纳米金刚石处于国际先进水平。

如:不燃杂质%,上述标准1和2分别为≯2.0和≯3.0;此标准定为≤2.0。含水量%,上述标准1和2分别为≯4.0和≯2.0;此标准定为≤3.0。这2个指标都接近国际先进水平。具体数据见表1。

表1 纳米金刚石主要技术指标对比Table 1 The comparison of main technical indexes of nano-diamond

按产品内在质量和粒度分布来分级是较适宜的。白俄罗斯辛达科学与制造联合股份公司的产品也是按质量分级的。粒度分布中未加C的是宽范围分布产品,其指标目前我国大多数产品可达到;而加C的窄范围分布,是需要经过一定的努力才能达到。

粒度分布的指标主要参考了瑞士Mypolex标准。例如:标称值100nm产品的粒度分布见表2。

d50的指标似乎比瑞士标准稍宽。这是考虑了目前我国所用的光子相关光谱仪是不同国家的多品牌多型号,以及不同实验室不同操作者之间的误差。

表2 100nm产品粒度分布Table 2 The particle size distribution of 100nm products

4 纳米金刚石检测中的特殊性

4.1 纳米金刚石粒度检测方法

GB/T 13221-2004 纳米粉末粒度分布的测定X射线小角散射法。此法在国内外颇为流行,但我们对一些样品研究后发现,此法测量数据极易出现假象。表3是某权威单位对不同制造商不同性质的产品的测量结果。

表3 X射线小角散射法对不同样品的测量结果Table 3 The results of the small angle X-ray scattering measurements for different samples

以上样品为不同单位不同工艺制造的不同产品,1#和2#样品是未经提纯的爆轰灰(黑粉),而3#样是提纯后的纳米金刚石(灰粉),但产品的测量结果几近相同。它们的比表面积分别为:1#为636.8m2/g;2#为598.1 m2/g;3#为249.7 m2/g。比表面积应该是d平均的直接反映。因而我们可以认为此法对纳米金刚石粒度分布的测量是不适宜的。

对于纳米金刚石的粒度分布检测最适宜的方法是光子相关谱法。我们建议按照国标《GB/T 19629-2005粒度分析 光子相关光谱法》进行,制样时参照《GB/T 20099-2006样品制备粉末在液体中的分散方法》进行。当然离心力沉降法也是可以检测的,但如生产中使用离心法进行粒度分级,再用此法进行检测就不适宜了。

4.2 含水量的测量

由于纳米金刚石的比表面积极大,吸水性极强,用常规的方法测量偏差太大。如国标《GB/T 6284-2006化工产品中水分测定的通用方法 干燥减量法》中规定,用105℃烘干至恒重。但实践结果告诉我们,105℃对常规化工产品是适宜的,但它不能把纳米金刚石的水分充分烘干。我们参照俄罗斯联邦国家行业标准“ТУ3974-456-05121441-2008”,烘干温度用118℃和105℃,并对不同样品进行了对比测试,具体数据对比见表4。

表4 不同恒重温度对水分测量结果的影响Table 4 The effect of different constant weight temperature on moisture measurement result

上述数据表明,二者有明显差别。差距最大的5#样品,118℃烘至恒重的含水量是105℃的2.03倍!为此,我们建议将烘箱的烘干温度改为118(±2)℃。

4.3 检测环境

因纳米金刚石的表面官能团很多,其性能受周围环境的影响较大,故应增加检测环境。其实,检测微米级金刚石亦应对环境有所要求,只是没有对纳米金刚石的影响大。等效采用俄罗斯联邦国家行业标准“ТУ3974-456-05121441-2008”,建议检测环境规定为:20(±5)℃,相对湿度≤80%,大气压力84~106kPa。

附:建议纳米金刚石标准草案

一些同仁希望我们将纳米金刚石标准的草案公开,以便大家学习和讨论。为此,将该草案的主要技术部分公之于后,以飨读者。

1 范围

本标准规定了纳米金刚石的名称、代号、产品分类、技术要求、实验方法、实验规则和标志、包装、储存及运输。

本标准适用于抛光剂、润滑剂、复合材料、复合电镀等领域用纳米金刚石。

2 规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。

JB/T 3914超硬磨料 取样方法

JB/T 7990.3人造金刚石微粉和立方氮化硼微粉 杂质检验方法

JB/T 3584超硬磨料 堆积密度测定方法

GB/T 19627-2005粒度分析 光子相关光谱法

3 代号

nD——n是国际单位制纳米的代号nm的第一个字母,D是金刚石的代号。

d5——d50——又可称为中位径。

C——窄范围粒度分布。

I型和II型是按纯度和堆积密度分级的。

例如:n D5C-II是代表粒度为5纳米窄范围粒度分布的II型纳米金刚石。

nD50-I是代表粒度为50纳米宽范围粒度分布的I型纳米金刚石。

4 粒度及其组成

4.1 粒度标记

nD5 nD10 nD20 nD50 nD100 nD200

4.2 各粒度的尺寸范围和粒度组成应符合表1规定

表1

5 产品分类

5.1 类别代号

n D-I n D-II

5.2 各类别的技术指标应符合表2规定

表2

6 质量检测

6.1 取样

每批产品均需取样检测,取样方法按JB/T 3914超硬磨料取样方法进行。

6.2 粒度检测

按GB/T 19627-2005粒度分析 光子相关光谱法进行。制样时参照GB/T 20099-2006样品制备粉末在液体中的分散方法进行。

6.3 不燃杂质检测

按JB/T 7990.3人造金刚石微粉和立方氮化硼微粉 杂质检验方法进行。

6.4 堆积密度检测

按JB/T 3584超硬磨料 堆积密度测定方法进行。

7 标志、包装、储存及运输

7.1 标志

7.1.1 包装物上必须清晰的标明:商标、厂名、品种、粒度标记、重量和批号,并附有合格证和产品使用说明。

7.1.2 合格证上应注名:品种、粒度标记、批号、包装日期、检验人员(盖章)。

7.2 包装

7.2.1 成品按50克拉、100克拉、500克拉、1000克拉、5000克拉分别包装。1000克拉、5000克拉允许相对误差±0.5%;50克拉、100克拉、500克拉允许相对误差±1.0%;也可由供需双方商定。

7.2.2 包装要密闭,避免洒漏。包装物要美观大方,保证携运方便、安全。

7.3 储存

本品应密闭储存,储存环境的气氛应与通常的大气基本相同。

7.4 运输

运输过程中避免坚硬物与包装物相碰,以防洒漏。

Study on the main technical indexes of nano-diamond

ZHANG Shu-da,ZHANG Wen-gang
(Tianjin Chanyu Superhard Sci-Tech Co.,Ltd.,Tianjin 300384)

The main technical indexes of the nano-diamond,Russian national industry standard,related technical indexes of several foreign companies and the particularity of measuring method have been introduced in this paper.Photon correlation spectroscopy should be used on nano-particles size measurement,but small angle X-ray scattering measurement is not available on nano-diamond.For conventional chemical products,measuring moisture at 105℃is appropriate.While for the nano-diamond,it should be increased to(118±2)℃.Testing environment should be temperature(20±5)℃,relative humidity≤80%,atmospheric pressure at 84~106k Pa.

nano-diamond;technical indexes;size measurement;moisture;testing environment

TQ164

A

1673-1433(2013)03-0043-04

2013-05-20

张书达(1941-),天津人,教授级高级工程师,国务院特贴专家,连续3届标委会委员,近年来主要从事纳米金刚石的研究。