液相机械化学胺化纳米金刚石表面及胺化试剂电子效应影响

来源 :华中师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:werr2000
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爆轰法合成的纳米金刚石(ND)直径为4-10 nm,具有高硬度、化学惰性、导热性和生物相容性等优异的特性,已在许多领域得到应用。高表面能和爆轰纳米金刚石(DND)表面上的各种官能团(例如羟基、羧基、酸酐、酯或酮基)会导致粒子团聚,也导致其难以分散到各种溶剂中,从而阻碍了其广泛应用。纳米金刚石的表面改性可以解决这些问题,并且表面改性后的DNDs能应用于生物医学、摩擦学、纳米复合材料和环境工程等一系列领域中。已经报道了许多修饰NDs表面以进一步官能化的方法,包括羟基化、氢化、羧化、胺化、氟化、氯化等。在这些官能化方法中,具有氨基的NDs可以作为连接较大分子(例如药物、蛋白质、基因、分子化合物等)的平台。此外,氨基官能化的ND被广泛应用于增强环氧树脂的机械性能,使得这些环氧树脂能用于航空航天、航海、防腐等各种领域。本文采用液相机械化学改性这种绿色高效的方法制备表面胺化改性的纳米金刚石,通过对研磨时间、胺化试剂比、研磨介质直径、研磨转速四个因素的变化设计了正交实验,得到了最佳改性条件的实验方案,最佳实验方案为:研磨时间设置为4 h,胺化试剂比为1:20,研磨介质直径为1.5 mm,研磨转速为540 rpm,由最佳方案得到的纳米金刚石表面羧基含量为1160.35 μmol/g,比纯化纳米金刚石减少了 223.8 μmol/g,平均粒径减小到50 nm以下,且胺化纳米金刚石的分散率达到90%以上。在液相机械化学改性过程中,以氨水作为改性试剂对纳米金刚石进行表面功能化处理,并且对机械化学改性过程中的研磨时间、研磨转速、胺化试剂比以及纳米金刚石的羧基含量等因素进行了分析。发现在每个因素的最优条件下胺化纳米金刚石能稳定分散在水中,分散率能达到80%以上,并且平均粒径能达到50nm左右。设计两种含有供电子取代基的胺化试剂甲胺和水合肼和两种含有吸电子取代基的胺化试剂甲酰胺和尿素分别改性纳米金刚石。通过红外光谱分析(FTIR)、羧基滴定和X-射线光电子能谱(XPS)表征胺化改性前后ND的表面基团变化,ND分散液的稳定性通过激光光散射仪(DLS)测出的平均粒径和Zeta电位来分析,形貌分析通过透射电镜(TEM)表征分析。结果表明具有供电子基胺化试剂可以促进氨基与纳米金刚石上的羧基发生酰胺化反应。虽然甲酰胺和尿素改性纳米金刚石能改善纳米金刚石的分散稳定性,但纳米金刚石表面氨基含量增加较少,改性效果弱于具有供电子基的胺化试剂。
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