在精密抛光领域，纳米金刚石具有莫氏硬度达到10的极高硬度，以及纳米尺度下的高比表面积、高表面活性，在碳化硅、蓝宝石等硬脆材料时，能胜任原子级别的材料去除。不过，目前行业主流的爆轰法、高温高压法制备工艺，产出的原生纳米金刚石颗粒，大多会自发团聚，用在工件抛光上，极易造成表面划痕、麻点、平整度差等问题，直接拉低产品良品率。同时也限制了它在润滑涂层、生物传感、高端复合材料等领域的使用。因此，做好解团聚，实现纳米金刚石稳定分散，是充分发挥它优异性能、打通高端应用市场的关键。本文将从纳米金刚石的团聚原因出发，盘点行业主流的四大解团聚技术路线。

纳米金刚石为什么会抱团？

纳米金刚石颗粒极小，粒径只有2-50纳米，比表面积非常大，从物理特性上来说，本身就处于不稳定的状态。为了让自身状态更稳定，这些超细颗粒会自发地相互吸附、团聚，这是其容易团聚的根本原因。同时，颗粒表面有很多未饱和的活性位点，很容易吸附空气中的水汽、杂质，进一步让颗粒紧紧贴在一起，加重结块问题，形成常规的软团聚。通常，这种软团聚主要由范德华力、静电引力以及毛细管力等物理作用力，颗粒间多为点接触或角接触，结合作用力相对较弱。

然而，爆轰法生产的纳米金刚石，表面会残留石墨碳、无定形碳等杂质，高温生产过程中，相邻的颗粒会直接形成牢固的碳键连接。再加上后期干燥、储存时表面基团脱水固化，最终形成质地致密、结合力极强的硬团聚，而这种硬团聚仅靠普通外力根本打不散，成了纳米金刚石应用的严峻挑战。

纳米金刚石如何解团聚？

面对上述团聚机制，目前行业内已发展出多类针对纳米金刚石的解团聚技术，可分为物理分散法、无机化学法、高能量场法和表面化学改性法四大类。

1、物理分散法

物理分散法是依靠机械力克服颗粒间的吸引力，将软团聚强制解聚，不过这种物理分散手段无法保证悬浮液的长期稳定性，通常作为辅助分散手段。常见的方法包括：

（1）高能球磨：为机械法中最常见的一种方法，该方法利用磨球之间高速碰撞和剪切产生的机械能，将微米级团聚体粉碎至纳米级。通常，分散介质（如水、醇类）可起润滑和初步稳定作用，因此湿法球磨效率高于干法球磨。

（2）超声辅助分散：该方法是利用液体中空化效应对团聚体实现解聚。超声波传播时，液体中形成微气泡，气泡在超声场周期性的压缩和膨胀作用下生长至共振尺寸后剧烈崩溃，而气泡崩溃的瞬间会在极小的空间内产生局部高温、高压，并释放出强大的冲击波和高速微射流，从而破坏颗粒间的范德华力、静电吸附等结合力，将大颗粒团聚体粉碎为微纳米级的单分散颗粒。

超声空化效应

2、无机化学法

无机化学法是利用酸洗、氢化退火、氧化退火等工艺步骤去除纳米金刚石表面的金属化合物和非金刚石碳，包括石墨和无定形碳，从而有效减少硬团聚。

（1）酸洗：用硝酸、盐酸等强酸酸洗可溶解除去金属杂质，同时也可在纳米金刚石表面引入了大量羧基（-COOH）、羟基（-OH）和羰基（C=O）等含氧官能团。这些极性基团在水溶液中发生电离，使颗粒表面带上负电荷，颗粒间产生静电排斥力，从而阻碍团聚。

纳米金刚石颗粒在Fe²⁺作用下连接单个颗粒形成的桥接引起团聚

（2）氧化退火：通过在空气或氧气气氛中对纳米金刚石进行加热处理，同样可在表面引入含氧官能团。与液相酸氧化相比，其优势在于处理过程无液体废料产生，适合大规模连续化生产。

（3）氢化退火：与氧化处理相反，氢化退火是在氢气气氛中高温加热纳米金刚石，脱除表面含氧基团，形成氢终端表面（如-CH₂等基团）。氢化处理后的纳米金刚石表面呈现疏水性，在非极性溶剂中分散性显著改善。

3、高能量场法

高能量场法利用激光、等离子体等极端物理场直接作用于团聚结构，能够高效、无污染地破坏纳米金刚石的硬团聚体，并促进其在介质中的稳定分散。

（1）等离子体辅助分散：等离子体产生的高能粒子（如离子、电子）对纳米金刚石团聚体进行轰击，不仅能够产生强烈的物理冲击和微射流，还能够直接破坏纳米金刚石颗粒间的共价键，并改变其表面化学状态，最终破坏颗粒间的硬团聚。

（2）激光辅助分散：激光具备的超高能量密度，一方面可直接断裂纳米金刚石颗粒间共价键（尤以表层sp²杂化碳层与sp³金刚石芯体的界面键为主）及分子间范德华力；另一方面则可被水等液相介质吸收，触发雪崩电离并生成等离子体羽。等离子体瞬时剧烈膨胀，于局部形成强冲击波，冲击破除纳米金刚石团聚体的物理结合结构，最终达成高效解团聚。

4、 表面有机化学改性

团聚是一个自发进行的过程，其活化能较低。即便通过外力将团聚体暂时拆散，只要颗粒表面状态未发生根本改变，新暴露的表面仍会迅速通过上述作用力重新聚集。表面有机化学改性就是通过改变颗粒表面状态，实现颗粒在解团聚后仍能保持分散稳定性的必要手段。目前主要有芳基化、磺基化-金刚石、光接枝化等。

（1）芳基化：在纳米金刚石表面引入苯基、萘基等芳香环基团可占据表面悬挂键位，同时其刚性结构形成的空间位阻可有效阻止颗粒靠近。此外，引入的芳香环还可作为进一步功能化的锚点。

（2）磺基化： 通过磺化反应在纳米金刚石表面引入磺酸基（-SO₃H）。磺酸基是强酸性基团，在水溶液中完全电离，显著改变颗粒的表面电位（Zeta电位），因此可使得纳米金刚石颗粒间产生强烈的静电排斥力，有效抵消颗粒间的范德华吸引力，从而阻止颗粒重新聚集，实现解团聚并维持稳定分散。同时，磺基化也改变了纳米金刚石表面的化学状态，使其表面极性增强，显著改善了颗粒在极性溶剂（如水）中的润湿性。

苯基（a）及磺化（b）纳米金刚石的合成

（3）光接枝化： 利用紫外光或可见光照射，激发纳米金刚石表面或光敏剂产生自由基，引发烯烃类单体在表面聚合，接枝上高分子长链。常见接枝单体包括丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯等。高分子链在溶剂中呈伸展构象，形成厚度达数纳米至数十纳米的空间位阻层，其排斥力随颗粒间距减小而急剧增大，是阻止团聚最有效的手段之一。光接枝化的优势在于反应条件温和、接枝密度和链长可通过光照时间和单体浓度精确调控。

光接枝化制备分散纳米金刚石

小结

物理分散、无机化学处理、高能量场作用和表面改性这四条纳米金刚石解团聚的技术路线，各有侧重：前两者擅长应对软团聚和表面杂质，高能量场法直击硬团聚中的共价键，而表面改性则是保障长期稳定分散的关键。然而，在实际应用中，单一手段往往难以面面俱到，将两种或多种方法组合使用，已成为行业提升分散效果的普遍选择。

参考文献：

赵轩,廖燕玲,黄耀杰,汤宏群,伍尚华,张凤林.纳米金刚石分散方法研究进展[J].粉末冶金技术.

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