本發(fā)明涉及一種研磨、拋光加工用的研磨液，具體涉及一種新型納米碳晶研磨液及其制備方法。

背景技術(shù)：

盡管研磨液已普遍用于研拋行業(yè)，但現(xiàn)有的研磨液長時(shí)間靜置會(huì)出現(xiàn)分水、沉淀等現(xiàn)象。油性研磨液具有潤滑性好、磨削速度快、速率穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，并具有降溫冷卻作用，但油性研磨液易沉淀、拋光效率低，具有腐蝕性且不易清洗，不符合環(huán)保的要求等缺點(diǎn)。水性研磨液具有環(huán)保、無腐蝕性、成本較低和拋光效率高的優(yōu)點(diǎn)，但在研磨的過程中容易導(dǎo)致工件出現(xiàn)大劃痕，懸浮穩(wěn)定性較差，影響拋光質(zhì)量和效率。公開號為CN 101186804A的公開專利中所用的微粉粒徑為10nm-100um，粒徑分布較寬，當(dāng)粒度在3-100um之間時(shí)，隨著粒度的不同，研磨液會(huì)呈現(xiàn)不同程度的沉淀和上清液現(xiàn)象，粒度越大，沉淀和上清液越明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好懸浮性的新型納米碳晶研磨液及其制備方法。

基于上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種新型納米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制備而成：納米碳晶0.01-20%、分散劑0-8%、抗菌劑0.5-10%、增稠劑0.1-5%、潤濕劑0.5-10%，余量為水。

所述納米碳晶的制備參考專利CN2015107503345，制備出的納米碳晶為類球形形貌，C含量為99-100%，晶格間距為0.21nm；該納米碳晶表面的C原子與內(nèi)層金剛石相的C原子構(gòu)成C原子的二聚體結(jié)構(gòu)，C原子的二聚體結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)碳原子為非對稱分布；平均粒徑為R，0＜R≤10nm。

進(jìn)一步地，所述納米碳晶經(jīng)表面功能化處理，處理過程為：將納米碳晶置于質(zhì)量比為1﹕（2-5）的濃HNO₃/濃H₂SO₄的混合液中，加熱回流24h后離心沉淀；取沉淀物用去離子水洗滌至洗滌液pH為5.0-6.0，用0.1-0.5mol·L^-1Na₂SiO₃?9H₂O水溶液洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，然后用0.1-0.5mol·L^-1HCL洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，最后用去離子水洗滌后烘干。對納米碳晶進(jìn)行表面功能化處理，可以納米碳晶顆粒完全分散開，不存在團(tuán)聚現(xiàn)象，可以均勻穩(wěn)定的分散在體系中，不會(huì)在工件表面產(chǎn)生劃痕，提高拋光質(zhì)量和表面平整度。

優(yōu)選地，所述分散劑為聚乙二醇（PEG)。

優(yōu)選地，所述增稠劑的為黏土和羧甲基淀粉鈉的混合物。

優(yōu)選地，所述潤濕劑為壬基酚聚氧乙烯醚；潤濕劑潤濕可以使納米粒子更好的分散，同時(shí)還可以起到抗靜電劑和表面活性劑的作用。

優(yōu)選地，所述抗菌劑為大蒜提取液，將去皮大蒜研磨成漿糊狀，加水過濾，所得濾液為。大蒜提取液。大蒜中的抑菌活性成分主要是含硫化合物等揮發(fā)性物質(zhì)和大蒜素等，對多種致病菌如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和致病性腸道細(xì)菌都有較強(qiáng)的抑制或殺滅作用。

進(jìn)一步地，采用NaOH或HCl調(diào)節(jié) pH值為7-9，使研磨液在最穩(wěn)定的pH值范圍內(nèi)穩(wěn)定分散，又可針對不同工件的要求選取相應(yīng)的pH值，以提高研磨效率和拋光效果，所選pH值調(diào)節(jié)劑不影響工件的其它性能。

上述新型納米碳晶研磨液的制備方法，包括以下步驟：

（1）將納米碳晶加入潤濕劑中，混合15-30min得被潤濕的納米碳晶；

（2）將抗菌劑與水混勻后，添加被潤濕的納米碳晶并超聲攪拌混勻；

（3）調(diào)節(jié)pH值后加入增稠劑，超聲攪拌混勻即得新型納米碳晶研磨液。

進(jìn)一步地，對所述納米碳晶進(jìn)行表面功能化處理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）本發(fā)明采用納米碳晶為原料，納米碳晶兼具納米顆粒與碳晶的雙重性質(zhì)，具有超硬及高耐磨的特性。納米碳晶為球形顆粒，用于研磨不會(huì)劃傷被研磨體，被拋表面磨損小；其顆粒細(xì)小，粒徑在20nm以下且粒度均勻，這保證了研磨體系的穩(wěn)定性，并且使被研磨拋光表面粗糙度減小。

（2）由于納米碳晶比表面積大、比表面能高，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，在介質(zhì)中分散穩(wěn)定性差，容易發(fā)生團(tuán)聚，但是易于對納米碳晶進(jìn)行表面功能化處理。納米碳晶比表面積大，吸附能力強(qiáng)，而PEG是一種非離子型分散劑，通過空間位阻穩(wěn)定機(jī)制實(shí)現(xiàn)分散作用，分散劑被吸附到納米碳晶表面形成水化膜，水化膜起到空間位阻穩(wěn)定作用。但PEG的加入量對研磨液的性能影響較大，PEG加入量少時(shí)，PEG與納米碳晶之間吸附不足，高分子鏈與顆粒之間發(fā)生橋聯(lián)作用而使顆粒相互聚集；PEG加入量大時(shí)，伸向溶液中的高分子長鏈相互纏繞，也會(huì)使顆粒團(tuán)聚。因此要選擇適當(dāng)?shù)姆稚┑募尤肓?。另外，由于納米碳晶具有吸附性，從拋光表面打磨下的離子和分子產(chǎn)物可附著于納米碳晶顆粒表面，隨著納米碳晶離開被拋表面，保證被拋表面的清潔。

（3）納米碳晶是一種無污染的新型碳材料，無毒無害、耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

綜上所述，本發(fā)明提供的研磨液可大大提高研磨拋光效率，分散懸浮性能好，可長期保持均勻穩(wěn)定狀態(tài)（不會(huì)產(chǎn)生任何沉淀、分層和失效現(xiàn)象），用其拋光后產(chǎn)品光潔度高，拋光效果好并且不含對人體有害成分，易于清洗，有利于環(huán)保。

附圖說明

圖1是不同納米碳晶用量下研磨液的沉降速率；

圖2是不同黏土用量下研磨液的沉降速率；

圖3是不同羧甲基淀粉鈉用量下研磨液的沉降速率；

圖4是不同聚乙二醇用量下研磨液的沉降速率；

圖5是不同pH值下研磨液的沉降速率。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1 考察納米碳晶用量對研磨液懸浮性的影響

一種新型納米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制備而成：納米碳晶、壬基酚聚氧乙烯醚，聚乙二醇、大蒜提取液、羧甲基淀粉鈉、黏土制得。各物質(zhì)的重量百分比為聚乙二醇4%、大蒜提取液5%羧甲基淀粉鈉重量百分比為0.3%；黏土的重量百分比分別為3%；可根據(jù)溫度和研磨液中細(xì)菌的含量，在0.5-10%范圍內(nèi)調(diào)整大蒜提取液的用量；納米碳晶的重量百分比為：0.01%、5%、10%、15%、20%，以把納米碳晶完全潤濕為準(zhǔn)，壬基酚聚氧乙烯醚依次對照為0.5%、2.5%、5%、7.5%、10%。采用NaOH或HCl調(diào)節(jié) pH值為8。制得的產(chǎn)品依次記為a1、a2、a3、a4、a5。

上述新型納米碳晶研磨液的制備方法，步驟為：

（1）納米碳晶經(jīng)表面功能化處理，處理過程為：將納米碳晶置于質(zhì)量比為1﹕3的濃HNO₃/濃H₂SO₄的混合液中，加熱回流24h后離心沉淀；取沉淀物用去離子水洗滌至洗滌液pH為5.0-6.0，用0.3mol·L^-1Na₂SiO₃?9H₂O水溶液洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，然后用0.3mol·L^-1HCL洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，最后用去離子水洗滌后烘干。

（2）將納米碳晶加入潤濕劑中，混合30min得被潤濕的納米碳晶；

（3）將抗菌劑與水混勻后，添加被潤濕的納米碳晶并超聲攪拌混勻；

（4）調(diào)節(jié)pH值至8后加入增稠劑，超聲攪拌混勻即得新型納米碳晶研磨液。

沉降率測定方法：在室溫條件下于10ml量筒中靜置7天，用沉降法測定各組懸浮液的懸浮性，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)顆粒的沉降高度來表征研磨液的懸浮效果。顆粒沉降高度越小，表明顆粒沉降速度越慢，懸浮效果越好。反之，則說明顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，懸浮效果差。

測定a1、a2、a3、a4、a5號產(chǎn)品的沉降速率，最終結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，隨著納米碳晶含量的增加,其沉降速率在逐漸增大,因?yàn)?納米碳晶顆粒細(xì)小，粒徑在20nm以下且粒度均勻,當(dāng)含量低時(shí),顆粒與顆粒之間的距離相對較大,所以能穩(wěn)定地懸浮在溶液中,隨著納米含量的增加,,顆粒與顆粒之間的距離減小或互相碰撞的幾率增大，由于其具有吸附性，納米顆粒就可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，使納米碳晶的顆粒變大，沉降速率也就會(huì)隨之增大。

實(shí)施例2 考察黏土用量對研磨液懸浮性的影響

一種新型納米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制備而成：納米碳晶5%、聚乙二醇4%、大蒜提取液5%、壬基酚聚氧乙烯醚5%，采用NaOH或HCl調(diào)節(jié) pH值為8，羧甲基淀粉鈉重量百分比為0.3%；黏土的重量百分比分別為0.001%、1%、2%、3%、4%、4.7%，余量為水，制得的產(chǎn)品依次記為b1、b2、b3、b4、b5、b6。

上述新型納米碳晶研磨液的制備方法，步驟為：

（1）納米碳晶經(jīng)表面功能化處理，處理過程為：將納米碳晶置于質(zhì)量比為1﹕3的濃HNO₃/濃H₂SO₄的混合液中，加熱回流24h后離心沉淀；取沉淀物用去離子水洗滌至洗滌液pH為5.0-6.0，用0.3mol·L^-1Na₂SiO₃?9H₂O水溶液洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，然后用0.3mol·L^-1HCL洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，最后用去離子水洗滌后烘干。

（2）將納米碳晶加入潤濕劑中，混合30min得被潤濕的納米碳晶；

（3）將抗菌劑與水混勻后，添加被潤濕的納米碳晶并超聲攪拌混勻；

（4）調(diào)節(jié)pH值至8后加入增稠劑，超聲攪拌混勻即得新型納米碳晶研磨液。

測定b1、b2、b3、b4、b5、b6號產(chǎn)品的沉降速率，最終結(jié)果見圖2。

從圖2可看出，隨著黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，研磨液懸浮性和粘稠性呈上升趨勢，當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí)，懸浮性提高并不明顯。由于黏土顆?？膳c適量的水溶脹產(chǎn)生凝膠，在水中釋放出帶電微粒，增大體系的粘度，而帶電微粒則包裹住研磨液中的納米碳晶顆粒，阻止顆粒沉降，提高了體系的懸浮性。隨著黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，膠凝化作用增加，懸浮性的粘度增大，納米碳晶顆粒的沉降速度迅速減小，沉降高度減小，懸浮性提高。質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí)，納米碳晶顆粒周圍被帶電微粒包圍，無法吸附更多的帶電微粒，顆粒沉降速度減小的趨勢變緩，懸浮性趨于穩(wěn)定。

實(shí)施例3 考察羧甲基淀粉鈉用量對研磨液懸浮性的影響

一種新型納米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制備而成：納米碳晶5%、聚乙二醇4%、大蒜提取液5%、壬基酚聚氧乙烯醚5%，采用NaOH或HCl調(diào)節(jié) pH值為8，黏土的重量百分比為3%，羧甲基淀粉鈉重量百分比分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；余量為水。制得的產(chǎn)品依次記為c1、c2、c3、c4、c5、c6。

上述新型納米碳晶研磨液的制備方法，步驟為：

（1）納米碳晶經(jīng)表面功能化處理，處理過程為：將納米碳晶置于質(zhì)量比為1﹕5的濃HNO₃/濃H₂SO₄的混合液中，加熱回流24h后離心沉淀；取沉淀物用去離子水洗滌至洗滌液pH為5.0-6.0，用0.5mol·L^-1Na₂SiO₃?9H₂O水溶液洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，然后用0.5mol·L^-1HCL洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，最后用去離子水洗滌后烘干。

（2）將納米碳晶加入潤濕劑中，混合20min得被潤濕的納米碳晶；

（3）將抗菌劑與水混勻后，添加被潤濕的納米碳晶并超聲攪拌混勻；

（4）調(diào)節(jié)pH值至8后加入增稠劑，超聲攪拌混勻即得新型納米碳晶研磨液。

測定c1、c2、c3、c4、c5、c6號產(chǎn)品的沉降速率，最終結(jié)果見圖3。

從圖3的結(jié)果可知，加入羧甲基淀粉鈉可明顯提高研磨液的懸浮性，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)幾乎沒有沉降，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.3%時(shí)，研磨液的懸浮性又明顯下降。這是由于黏土是層狀結(jié)構(gòu)，溶脹后層間所帶的負(fù)電荷可吸附羧甲基淀粉鈉電離出的極性基團(tuán)，極性基團(tuán)的一段插入層間，形成黏土-有機(jī)復(fù)合物，從而相互交聯(lián)，形成網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，提高研磨液的懸浮性。隨著體系中羧甲基淀粉鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，在0.3%時(shí)吸附達(dá)到飽和，顆粒懸浮性好，羧甲基淀粉鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，其電離出的離子越來越多，壓縮了黏土粒子表面的雙電層，減小了顆粒間排斥力，反而降低了體系的懸浮性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定納米碳晶研磨液中羧甲基淀粉鈉的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。

實(shí)施例4聚乙二醇（PEG）對研磨液懸浮性的影響

一種新型納米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制備而成：納米碳晶5%、大蒜提取液5%、壬基酚聚氧乙烯醚5%，黏土的重量百分比為3%，羧甲基淀粉鈉重量百分比為0.3%；采用NaOH或HCl調(diào)節(jié) pH值為8，聚乙二醇分別為0、2%、4%、6%、8%，余量為水。制得的產(chǎn)品依次記為d1、d2、d3、d4、d5。

上述新型納米碳晶研磨液的制備方法，步驟為：

（1）納米碳晶經(jīng)表面功能化處理，處理過程為：將納米碳晶置于質(zhì)量比為1﹕3的濃HNO₃/濃H₂SO₄的混合液中，加熱回流24h后離心沉淀；取沉淀物用去離子水洗滌至洗滌液pH為5.0-6.0，用0.3mol·L^-1Na₂SiO₃?9H₂O水溶液洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，然后用0.3mol·L^-1HCL洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，最后用去離子水洗滌后烘干。

（2）將納米碳晶加入潤濕劑中，混合30min，得被潤濕的納米碳晶；

（3）將抗菌劑與水混勻后，添加被潤濕的納米碳晶并超聲攪拌混勻；

（4）調(diào)節(jié)pH值后加入增稠劑，超聲攪拌混勻即得新型納米碳晶研磨液。

測定d1、d2、d3、d4、d5號產(chǎn)品的沉降速率，最終結(jié)果見圖4。

PEG是一種非離子型分散劑，通過空間位阻穩(wěn)定機(jī)制實(shí)現(xiàn)分散作用。PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)少時(shí)，它與顆粒之間吸附不足，高分子鏈與顆粒之間發(fā)生橋聯(lián)作用而使顆粒相互聚集；相反PEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大時(shí)，伸向溶液中的高分子長鏈相互纏繞，也使顆粒團(tuán)聚。從圖4可以看出，PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于4%或大于6%，懸浮液懸浮性都下降，而在4%-6%范圍內(nèi)，PEG吸附在顆粒表面形成水化膜起到空間位阻穩(wěn)定作用。

實(shí)施例5考察pH值對研磨液懸浮性的影響

一種新型納米碳晶研磨液，主要由下述重量百分比的原料制備而成：納米碳晶5%、聚乙二醇4%、大蒜提取液5%、壬基酚聚氧乙烯醚5%，黏土的重量百分比為3%，羧甲基淀粉鈉重量百分比為0.3%；采用NaOH或HCl分別調(diào)節(jié) pH值為2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12，余量為水。制得的產(chǎn)品依次記為e1、e2、e3、e4、e5、e6、e5、e6、e7、e8、e9、e10、e11。

上述新型納米碳晶研磨液的制備方法，步驟為：

（1）納米碳晶經(jīng)表面功能化處理，處理過程為：將納米碳晶置于質(zhì)量比為1﹕2的濃HNO₃/濃H₂SO₄的混合液中，加熱回流24h后離心沉淀；取沉淀物用去離子水洗滌至洗滌液pH為5.0-6.0，用0.1mol·L^-1Na₂SiO₃?9H₂O水溶液洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，然后用0.1mol·L^-1HCL洗滌沉淀物的同時(shí)超聲分散1-2h，最后用去離子水洗滌后烘干。

（2）將納米碳晶加入潤濕劑中，混合15min得被潤濕的納米碳晶；

（3）將抗菌劑與水混勻后，添加被潤濕的納米碳晶并超聲攪拌混勻；

（4）調(diào)節(jié)pH值后加入增稠劑，超聲攪拌混勻即得新型納米碳晶研磨液。

測定e1、e2、e3、e4、e5、e6、e5、e6、e7、e8、e9、e10、e11號產(chǎn)品的沉降速率，最終結(jié)果見圖5。

從圖5可看出，研磨液的懸浮性隨pH值的增大而逐漸提高，但pH值超過8后，懸浮性下降。因?yàn)樵谒嵝原h(huán)境下，黏土顆粒帶大量的正電荷與羧甲基淀粉鈉電離出的負(fù)電荷相中和，顆粒間的排斥力減小，整個(gè)懸浮體系的懸浮性降低。隨著pH值逐漸增大到堿性，羧甲基淀粉鈉電離出的負(fù)電荷吸附于黏土和納米碳晶上，表明增加了顆粒的電荷量，靜電排斥力增加，空間位阻效應(yīng)增加，懸浮體系穩(wěn)定性逐漸提高，但pH值大于8時(shí)，懸浮體系中的電荷數(shù)逐漸增多，壓縮了顆粒表面的粒子雙電層，導(dǎo)致靜電排斥力下降，體系的懸浮性又降低。

性能測試實(shí)驗(yàn)

選用實(shí)施例2中制備的b4號產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用市售的普通金剛石研磨液為對比對象。

1、研磨液特征測試

研磨液的特征參數(shù)見表1。

由表1可知，本發(fā)明提供的研磨液的分散性和懸浮穩(wěn)定性都比較好，主要因?yàn)樽鳛槟チ系募{米碳晶顆粒是球形顆粒且粒徑較小在20nm以下。

2、表面粗糙度值Ra檢測方法

使用SJ-210型粗糙度儀測量鉆石基片表面粗糙度值Ra，分別在其中心位置和離中心2cm圓周位置選取3點(diǎn)，共計(jì)測量3次，然后取其平均值作為該鉆石表面粗糙度值Ra。表2為兩種研磨液在相同的研磨條件下，得出的鉆石表面粗糙度值Ra。

由表2可知：使用本發(fā)明提供的研磨液加工鉆石后，鉆石表面粗糙度值Ra比對比例低。因?yàn)閷Ρ壤心チ项w粒粒徑大，且分布寬，大顆粒磨粒會(huì)相應(yīng)增大工件表面粗糙度值，且對比例2中的磨料出現(xiàn)局部團(tuán)聚現(xiàn)象，會(huì)大大增加工件表面粗糙度值。本發(fā)明提供的研磨液所使用的磨料為球形納米碳晶顆粒，粒徑在20nm以下且分散均勻，粗糙度Ra值比對比例小的多，本發(fā)明提供的研磨液加工后對工件表面的磨損很小。