納米金剛石主要技術指標之研究①

張書達,張文剛

(天津市乾宇超硬科技有限公司,天津300384)

納米金剛石主要技術指標之研究
①

張書達,張文剛

(天津市乾宇超硬科技有限公司,天津300384)

簡要介紹了納米金剛石的主要技術指標、俄羅斯國家行業標準和國外幾家公司的相關技術指標,以及測量方法的特殊性。納米顆粒的粒度檢測應使用光子相關光譜法,X射線小角散射法對納米金剛石的粒度檢測是不適宜的。測量含水量時105℃對常規化工產品是適宜的,而對納米金剛石則應改為118(±2)℃。檢測環境應為:20(±5)℃,相對濕度≤80%,大氣壓力84~106k Pa。

納米金剛石;技術指標;粒度檢測;含水量;檢測環境

1 引言

納米金剛石既具有金剛石的優點,又具有納米材料的優點,因而近年來已引起世界各國的廣泛注意。欲使其推廣應用就必須對其主要參數作深入研究,所以我國從事該領域研究的人員亦越來越多。由于納米金剛石的特殊性,因而其主要技術指標和測試方法與微米級金剛石就有許多不同。本文擬就此與同仁交換意見。

該項目工作組調研分析了國內外多家納米金剛石產品和企標的狀況。收集分析了國外標準資料、樣本及檢測技術。對國內多家公司、不同批次的幾十份樣品進行了分析,將國際先進水平與我國的實際情況相結合。經多年籌備,六易其稿,終于在2009年底,將擬定的納米金剛石行標草稿上報到標委會供領導和專家審定。

2 制訂標準的指導思想和參考標準

2.1 指導思想(1)盡量完善標準體系,盡可能與先進標準一致;(2)結合我國國情盡量選擇先進的檢測方法并考慮生產單位的可操作性;

(3)有利于促進行業技術發展和產品質量的提高;

(4)便于加強國際交流和開拓國際市場;

(5)既考慮到現狀又考慮到未來發展,因而按粒度和質量分級。

2.2 參照標準

本標準的技術指標,是在測量國內外大量樣品的基礎上,著重參考和分析了以下標準:

(1)俄羅斯聯邦國家行業標準ДЕТОНАЦИОННЫЕНАНОАЛМАЗЫ

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

(2)白俄羅斯“辛達科學與制造聯合股份公司”納米碳標準

НПО“СИНТА”Беларусь,ТУ28619110.001-95。

(3)俄羅斯“金剛石中心股份有限公司”納米碳標準ЗАКРЫТНОЕ

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО“АЛМАЗНЫЙЦЕНТР”

НУТУ05121441-275-95和ТУ080-177-21-90。

(4)美國杜邦公司(Du Pont)納米金剛石標準。

另外參考了瑞士 Mypolex標準中細于0.5μm的部分。

3 主要技術指標和表述

nD-I型的指標目前我國大多數產品可達到;

n D-II是需要經過一定的努力才能達到的。

以上前三家公司所生產的納米金剛石處于國際先進水平。

如:不燃雜質%,上述標準1和2分別為≯2.0和≯3.0;此標準定為≤2.0。含水量%,上述標準1和2分別為≯4.0和≯2.0;此標準定為≤3.0。這2個指標都接近國際先進水平。具體數據見表1。

表1 納米金剛石主要技術指標對比Table 1 The comparison of main technical indexes of nano-diamond

按產品內在質量和粒度分布來分級是較適宜的。白俄羅斯辛達科學與制造聯合股份公司的產品也是按質量分級的。粒度分布中未加C的是寬范圍分布產品,其指標目前我國大多數產品可達到;而加C的窄范圍分布,是需要經過一定的努力才能達到。

粒度分布的指標主要參考了瑞士Mypolex標準。例如:標稱值100nm產品的粒度分布見表2。

d50的指標似乎比瑞士標準稍寬。這是考慮了目前我國所用的光子相關光譜儀是不同國家的多品牌多型號,以及不同實驗室不同操作者之間的誤差。

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

4 納米金剛石檢測中的特殊性

4.1 納米金剛石粒度檢測方法

GB/T 13221-2004 納米粉末粒度分布的測定X射線小角散射法。此法在國內外頗為流行,但我們對一些樣品研究后發現,此法測量數據極易出現假象。表3是某權威單位對不同制造商不同性質的產品的測量結果。

表3 X射線小角散射法對不同樣品的測量結果Table 3 The results of the small angle X-ray scattering measurements for different samples

以上樣品為不同單位不同工藝制造的不同產品,1#和2#樣品是未經提純的爆轟灰(黑粉),而3#樣是提純后的納米金剛石(灰粉),但產品的測量結果幾近相同。它們的比表面積分別為:1#為636.8m2/g;2#為598.1 m2/g;3#為249.7 m2/g。比表面積應該是d平均的直接反映。因而我們可以認為此法對納米金剛石粒度分布的測量是不適宜的。

對于納米金剛石的粒度分布檢測最適宜的方法是光子相關譜法。我們建議按照國標《GB/T 19629-2005粒度分析 光子相關光譜法》進行,制樣時參照《GB/T 20099-2006樣品制備粉末在液體中的分散方法》進行。當然離心力沉降法也是可以檢測的,但如生產中使用離心法進行粒度分級,再用此法進行檢測就不適宜了。

4.2 含水量的測量

由于納米金剛石的比表面積極大,吸水性極強,用常規的方法測量偏差太大。如國標《GB/T 6284-2006化工產品中水分測定的通用方法 干燥減量法》中規定,用105℃烘干至恒重。但實踐結果告訴我們,105℃對常規化工產品是適宜的,但它不能把納米金剛石的水分充分烘干。我們參照俄羅斯聯邦國家行業標準“ТУ3974-456-05121441-2008”,烘干溫度用118℃和105℃,并對不同樣品進行了對比測試,具體數據對比見表4。

表4 不同恒重溫度對水分測量結果的影響Table 4 The effect of different constant weight temperature on moisture measurement result

上述數據表明,二者有明顯差別。差距最大的5#樣品,118℃烘至恒重的含水量是105℃的2.03倍!為此,我們建議將烘箱的烘干溫度改為118(±2)℃。

4.3 檢測環境

因納米金剛石的表面官能團很多,其性能受周圍環境的影響較大,故應增加檢測環境。其實,檢測微米級金剛石亦應對環境有所要求,只是沒有對納米金剛石的影響大。等效采用俄羅斯聯邦國家行業標準“ТУ3974-456-05121441-2008”,建議檢測環境規定為:20(±5)℃,相對濕度≤80%,大氣壓力84~106kPa。

附:建議納米金剛石標準草案

一些同仁希望我們將納米金剛石標準的草案公開,以便大家學習和討論。為此,將該草案的主要技術部分公之于后,以饗讀者。

1 范圍

本標準規定了納米金剛石的名稱、代號、產品分類、技術要求、實驗方法、實驗規則和標志、包裝、儲存及運輸。

本標準適用于拋光劑、潤滑劑、復合材料、復合電鍍等領域用納米金剛石。

2 規范性引用文件

下列文件中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用文件,其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內容)或修訂版均不適用于本標準,然而,鼓勵根據本標準達成協議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本適用于本標準。

JB/T 3914超硬磨料 取樣方法

JB/T 7990.3人造金剛石微粉和立方氮化硼微粉 雜質檢驗方法

JB/T 3584超硬磨料 堆積密度測定方法

GB/T 19627-2005粒度分析 光子相關光譜法

3 代號

nD——n是國際單位制納米的代號nm的第一個字母,D是金剛石的代號。

d5——d50——又可稱為中位徑。

C——窄范圍粒度分布。

I型和II型是按純度和堆積密度分級的。

例如:n D5C-II是代表粒度為5納米窄范圍粒度分布的II型納米金剛石。

nD50-I是代表粒度為50納米寬范圍粒度分布的I型納米金剛石。

4 粒度及其組成

4.1 粒度標記

nD5 nD10 nD20 nD50 nD100 nD200

4.2 各粒度的尺寸范圍和粒度組成應符合表1規定

表1

5 產品分類

5.1 類別代號

n D-I n D-II

5.2 各類別的技術指標應符合表2規定

表2

6 質量檢測

6.1 取樣

每批產品均需取樣檢測,取樣方法按JB/T 3914超硬磨料取樣方法進行。

6.2 粒度檢測

按GB/T 19627-2005粒度分析 光子相關光譜法進行。制樣時參照GB/T 20099-2006樣品制備粉末在液體中的分散方法進行。

6.3 不燃雜質檢測

按JB/T 7990.3人造金剛石微粉和立方氮化硼微粉 雜質檢驗方法進行。

6.4 堆積密度檢測

按JB/T 3584超硬磨料 堆積密度測定方法進行。

7 標志、包裝、儲存及運輸

7.1 標志

7.1.1 包裝物上必須清晰的標明:商標、廠名、品種、粒度標記、重量和批號,并附有合格證和產品使用說明。

7.1.2 合格證上應注名:品種、粒度標記、批號、包裝日期、檢驗人員(蓋章)。

7.2 包裝

7.2.1 成品按50克拉、100克拉、500克拉、1000克拉、5000克拉分別包裝。1000克拉、5000克拉允許相對誤差±0.5%;50克拉、100克拉、500克拉允許相對誤差±1.0%;也可由供需雙方商定。

7.2.2 包裝要密閉,避免灑漏。包裝物要美觀大方,保證攜運方便、安全。

7.3 儲存

本品應密閉儲存,儲存環境的氣氛應與通常的大氣基本相同。

7.4 運輸

運輸過程中避免堅硬物與包裝物相碰,以防灑漏。

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

張書達(1941-),天津人,教授級高級工程師,國務院特貼專家,連續3屆標委會委員,近年來主要從事納米金剛石的研究。