JP2005097375A - Nano-diamond nonaqueous dispersion and its preparing method - Google Patents
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Description
本発明は、自動車や金属工作機械の精密加工剤(研磨剤)、エンジンオイルの添加剤、塗料、爪ペイント、印刷インクの添加剤、等として有用なナノダイヤモンド非水分散液およびその調製方法に関する。 The present invention relates to a nano-diamond non-aqueous dispersion useful as a precision processing agent (abrasive) for automobiles and metal machine tools, an additive for engine oil, a paint, a nail paint, an additive for printing ink, and the like, and a method for preparing the same. .
トリニトロトルエン(TNT)、ヘキソ−ゲン等の酸素欠乏型爆薬を爆発させて得られた炭素質煤を回収し、異物を分離し、硝酸や硫酸、過マンガン酸カリウム等での化学的酸化処理し、精製を行うことにより粒子径が50〜7500ナノメ−トル(nm)の二次、三次凝集ダイヤモンド凝集体(いわゆるクラスタ−ダイヤモンド)が製造されることは公知である。このクラスタ−ダイヤモンドは、一次粒子径が3〜20nm、好ましくは、3〜5nmのナノダイヤモンド微粒子表面の黒鉛質皮膜が融着・二次あるいは三次凝集したものである(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、非特許文献1参照。)。
Collect carbonaceous soot obtained by exploding oxygen-deficient explosives such as trinitrotoluene (TNT) and hexogen, separate foreign matter, and perform chemical oxidation treatment with nitric acid, sulfuric acid, potassium permanganate, etc. It is known that secondary and tertiary agglomerated diamond aggregates (so-called cluster diamond) having a particle diameter of 50 to 7500 nanometers (nm) are produced by purification. The cluster-diamond is obtained by fusing, secondary or tertiary aggregation of a graphite film on the surface of nanodiamond fine particles having a primary particle diameter of 3 to 20 nm, preferably 3 to 5 nm (for example,
このクラスタ−ダイヤモンドを0.1重量%配合した潤滑油I−40は、滑り軸受の摩擦係数を1.5〜1.8のファクタ−まで低下させることができる(例えば、特許文献1参照。)。また、灯油、軽油、スピンドル油、石油オイル、エチレングリコ−ル、グリ−ス、エチレングリコ−ル等の溶媒に0.1〜2重量%含有させた精密加工剤は貯蔵安定性に優れることも知られている(例えば、特許文献4参照。)。 Lubricating oil I-40 containing 0.1% by weight of the cluster diamond can reduce the friction coefficient of the sliding bearing to a factor of 1.5 to 1.8 (see, for example, Patent Document 1). . Precision processing agents containing 0.1 to 2% by weight in solvents such as kerosene, light oil, spindle oil, petroleum oil, ethylene glycol, grease, and ethylene glycol may have excellent storage stability. It is known (for example, refer to Patent Document 4).
さらに、粒子径が4〜8nmのナノダイヤモンド粒子を水に超音波分散させたナノダイヤモンド水分散液が耐磨耗性の優れた膜を与えることも知られている(例えば、特許文献5参照。)。
前記特許文献5に記載される超音波を用いて水に分散させたナノダイヤモンド水分散液は、貯蔵安定性が悪く、調製したら比較的速やかに用いる必要がある。また、水が分散媒であるため、水分を嫌う用途、例えば油性塗料、印刷インク、油性ワニス、潤滑油には使用できない。
The nanodiamond aqueous dispersion dispersed in water using ultrasonic waves described in
また、前記特許文献1および特許文献4に記載されるクラスタ−ダイヤモンド非水分散液は、分散しているクラスタ−ダイヤモンド凝集体の粒子径が50〜7500nmと巨大であるとともに、不揃い(粒度分布が広い)である。本発明者は、この非水分散媒に分散している粒子が一次粒子であれば、平均粒径も3〜20nm、好ましくは、3〜5nmと粒度分布も狭くなり、このナノダイヤモンド非水分散液を油性塗料に用いたときは金属や木材等の基材への皮膜の密着性が向上するとともに、また、膜厚分布も不揃いとなるため、得られる皮膜の光沢、硬度も向上し、摩擦係数も低くなることに着目し、貯蔵安定性に優れるナノダイヤモンド非水分散液の調製方法の提供を目的とするものである。
In addition, the cluster-diamond non-aqueous dispersions described in
請求項1の発明は、沸点が50〜300℃、ブルックフィ−ルド粘度が10センチポイズ以下の非水系液状媒体に、平均粒子径が3〜20ナノメ−トルのナノダイヤモンド粒子 0.1〜15重量%を均一に分散してなる、ナノダイヤモンド非水分散液を提供するものである。
The invention according to
請求項2の発明は、前記ナノダイヤモンド非水分散液において、非水系液状媒体が、灯油、軽油、テレビン油、モ−タ−オイル、潤滑油、炭素数10〜20のα−オレフィン、エチレングリコ−ル、エチルアルコ−ル、ポリビニルアルコ−ル、エナメル、油性ワニスより選ばれたものであることを特徴とする。
The invention according to
請求項3の発明は、酸素欠乏型爆薬を爆発させて製造したクラスタ−ダイヤモンド凝集体と、沸点が50〜300℃、ブルックフィ−ルド粘度が10センチポイズ以下の非水系液状媒体との混合物を、ビ−ズミル機に導き、直径30〜500μmのセラミックビ−ズを用いてクラスタ−ダイヤモンド凝集体を湿式微粉砕して沸点が50〜300℃、ブルックフィ−ルド粘度が10センチポイズ以下の非水系液状媒体に、平均粒子径が3〜20ナノメ−トルのナノダイヤモンド粒子 0.1〜15重量%を均一に分散してなる、ナノダイヤモンド非水分散液を調製する方法を提供するものである。
The invention of
分散されたナノダイヤモンド粒子が一次粒子で、凝集していないので基材への皮膜の密着性が向上するとともに、皮膜の光沢、硬度も向上し、摩擦係数も低くなる。また、分散媒が非水系分散媒であるので、水を嫌う用途、例えば、エンジンの潤滑油、印刷インク、油性塗料、爪エナメルにも使用できる。 Since the dispersed nanodiamond particles are primary particles and are not agglomerated, the adhesion of the film to the substrate is improved, the gloss and hardness of the film are improved, and the coefficient of friction is lowered. Further, since the dispersion medium is a non-aqueous dispersion medium, it can be used for applications that dislike water, such as engine lubricating oil, printing ink, oil-based paint, and nail enamel.
酸素欠乏型爆薬を爆発させて製造した50〜7500ナノメ−トルの凝集粒子径を有するクラスタ−ダイヤモンド凝集体を非水系液状分散体中でビ−ズミル粉砕して得られるナノダイヤモンド非水分散液中の分散粒子である一次粒子のナノダイヤモンド(粒子径3〜50nm)は、比表面積が極端に大きく、かつ、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、カルボニル基等の各種官能基を有するので、分散姓に優れ、貯蔵安定性がよい。 In a nanodiamond non-aqueous dispersion obtained by bead milling a cluster-diamond aggregate having an aggregated particle size of 50-7500 nanometers produced by detonating an oxygen-deficient explosive in a non-aqueous liquid dispersion The primary particle nanodiamond (particle diameter 3-50 nm), which is a dispersed particle, has an extremely large specific surface area and has various functional groups such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, and a carbonyl group. Excellent and storage stability is good.
以下、図1を用いて本発明を詳述する。図1は、ナノダイヤモンド非水分散液液の調製機の正面図である。
ナノダイヤモンド非水分散液液を調製するには、図1に示す調製機1を用い、クラスタ−ダイヤモンド凝集体2と、沸点が50〜300℃、ブルックフィ−ルド粘度が10センチポイズ以下の非水系液状媒体3とを予めホモジナイザ−で混合して得たスラリ−液をプレ混合槽4内に仕込み、このスラリ−液を、ポンプ5で湿式ビ−ズミル機6のベッセル7内に導き、ジルコニアやアルミナ等の直径30〜500μmのセラミックビ−ズ8とロ−タ9の回転力を用いてクラスタ−ダイヤモンド凝集体を湿式微粉砕し、この湿式微粉砕したスラリ−液10を管11を経由して前記プレ混合槽4に戻し、再び、前記ポンプ5でビ−ズミル機6に循環させ、分散作業が終了したら切換弁12を開き、調製されたナノダイヤモンド非水分散液14を製品タンク13内へと導く。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a front view of a nanodiamond non-aqueous dispersion liquid preparation machine.
In order to prepare a nanodiamond non-aqueous dispersion, a
ロ−タ9の回転速度は、5〜20m/秒で、粉砕・分散時間は、2〜6時間が好ましい。
製品タンク13内のナノダイヤモンド非水分散液14は、沸点が50〜300℃、ブルックフィ−ルド粘度が10センチポイズ以下の非水系液状媒体に、平均粒子径が3〜20ナノメ−トルのナノダイヤモンド粒子 0.1〜15重量%を均一に分散してなる非水分散液である。
The rotation speed of the
The nanodiamond
酸素欠如爆発方法によるクラスタ−ダイヤモンド2の製造方法は、前記特許文献1、特許文献2、特許文献3に記載されている。粒子径が50〜7500nmのクラスタ−ダイヤモンドは中国の凌雲納米材料有限公司よりダイヤモンド ナノパウダ−(Diamond Nanopowder)の商品名で、ロシアのアルタイケミカル社(ALTAI Chemical)よりUltra Fine Water Dispersed Diamond の商品名で入手できる。
The method for producing
沸点が50〜300℃、ブルックフィ−ルド粘度が10センチポイズ以下、好ましくは0.8〜4センチポイズの非水系液状媒体3としては、軽油、灯油、テレビン油、モ−タ−オイル、潤滑油、炭素数10〜20のα−オレフィン、エナメル、油性ワニス、エチルアルコ−ル、エチレングリコ−ル、アクリル化ポリビニルアルコ−ル等が挙げられる。炭素数10〜20のα−オレフィンは、例えば三菱化学株式会社よりダイヤレン(登録商標)の商品名で入手できる。例えば、テトラドデセンはダイヤレン−14の商品名で購入できる。湿式ビ−ズミル機6は、例えば、アシザワ・ファインテック株式会社よりアジテ−タミル LMZやラブスタ−の商品名で市販されている。油性ワニスとしては、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、油性アルキッド樹脂、弗素系樹脂、エポキシ系樹脂、不飽和脂肪油等を有機溶剤で溶解したものが挙げられる。非水系液状媒体は、引火点が60℃以上であるものが取り扱い易い。
Non-aqueous
ナノダイヤモンド非水分散液液を調製する際に、界面活性剤を混合物に配合してナノダイヤモンド粒子の分散をより向上させてもよい。界面活性剤としては、ラウリルアルコ−ルポリオキシエチレンエ−テル、トリデシルポリオキシエチレンエ−テル、モノステアリン酸ポリエチレングリコ−ル等のノニオン系界面活性剤が好ましい。界面活性剤は、クラスタ−ダイヤモンドに対し0.5〜2重量%の割合で用いられる。また、シリコンオイル等の消泡剤をクラスタ−ダイヤモンドに対し1〜10重量%の割合で配合してもよい。 When preparing the nanodiamond non-aqueous dispersion, a surfactant may be added to the mixture to further improve the dispersion of the nanodiamond particles. As the surfactant, nonionic surfactants such as lauryl alcohol polyoxyethylene ether, tridecyl polyoxyethylene ether, and polyethylene glycol monostearate are preferable. The surfactant is used in a proportion of 0.5 to 2% by weight based on the cluster diamond. Moreover, you may mix | blend antifoamers, such as a silicone oil, in the ratio of 1 to 10 weight% with respect to a cluster diamond.
また、ナノダイヤモンド非水分散液を調製する際に最終目的物の組成(分散液中のナノダイヤモンドの濃度は0.1〜15重量%)となるよう、極圧油や顔料、チキソトロピック剤等の添加剤をクラスタ−ダイヤモンドと非水媒体との混合物に配合してもよいし、非水分散液中のナノダイヤモンド濃度が5〜15重量%のナノダイヤモンド非水分散液をマスタ−バッチとしてこれを市販のエンジンオイルや油性塗料、精密加工油に配合してもよい。 Moreover, extreme pressure oils, pigments, thixotropic agents, etc. so that the final target composition (concentration of nanodiamond in the dispersion is 0.1 to 15% by weight) when the nanodiamond non-aqueous dispersion is prepared May be added to a mixture of cluster-diamond and non-aqueous medium, or a nano-diamond non-aqueous dispersion having a nano-diamond concentration in the non-aqueous dispersion of 5 to 15% by weight as a master batch. May be blended into commercially available engine oils, oil-based paints, and precision processing oils.
実施例1
クラスタ−ダイヤモンドとして、中国の凌雲納米材料有限公司より入手した次ぎの粒度分布(日機装株式会社製マイクロトラック UPA型機器で測定)のダイヤモンド ナノパウダ−(純度95%以上、比重3.05〜3.12、比表面積(Caluculated Surface Area) 280〜330m2/g)を用いた。
粒度分布: D10 109.9nm、D50 237.7nm、D90 789.5nm
最小粒子径 85.9nm、最大粒子径 2312.5nm
なお、ここで、D10、D50およびD90の意味は、重量基準でサイズ別累積曲線から全粒子重量の10%のサイズがD10、全粒子重量の50%のサイズがD50、全粒子重量の90%のサイズがD90である。
Example 1
Diamond nanopowder (purity 95% or more, specific gravity 3.05 to 3.12) with the following particle size distribution (measured with Nikkiso Co., Ltd., Microtrac UPA type equipment) obtained from Lingyun Ningyo Material Co., Ltd. in China as cluster diamond Specific surface area (280-330 m 2 / g) was used.
Particle size distribution: D 10 109.9 nm, D 50 237.7 nm, D 90 789.5 nm
Minimum particle size 85.9 nm, maximum particle size 2312.5 nm
Here, the meanings of D 10 , D 50, and D 90 are, based on the weight-based cumulative curve by size, 10% of the total particle weight is D 10 , 50% of the total particle weight is D 50 , 90% of the size of the particles by weight are D 90.
非水液状媒体として、三菱化学株式会社のα−オレフィン(C14)のダイヤレン−14(商品名)(引火点110℃以上、沸点250〜253℃、20℃でのブルックフィ−ルド粘度1.94cps、比重0.772)を用いた。 As a non-aqueous liquid medium, an α-olefin (C 14 ) dialen-14 (trade name) of Mitsubishi Chemical Co., Ltd. (Brookfield viscosity at a flash point of 110 ° C. or higher, a boiling point of 250 to 253 ° C., and 20 ° C. 94 cps, specific gravity 0.772) was used.
特殊機化工業株式会社のホモジナイザ−ROBOMIX(商品名)の容量6リットルの混合槽内に、上記ダイヤレン−14を3リットル、クラスタ−ダイヤモンドを140g、分散助剤としてラウリルアルコ−ルポリオキシエチレンエ−テル10gを入れ、攪拌軸回転数8000rpmの条件下で10分混合し、混合スラリ−液を調製した。このスラリ−液中のクラスタ−ダイヤモンド濃度は約6重量%であった。 In a 6 liter mixing tank of homogenizer-ROBOMIX (trade name) manufactured by Tokushu Kika Kogyo Co., Ltd., 3 liters of dialen-14, 140 g of cluster diamond, and lauryl alcohol polyoxyethylene ester as a dispersion aid. -10 g of tellurium was added and mixed for 10 minutes under the condition of a stirring shaft speed of 8000 rpm to prepare a mixed slurry liquid. The cluster diamond concentration in the slurry was about 6% by weight.
上記混合スラリ−液を、図1に示すアシザワ・ファインテック株式会社の微粉砕・分散機 LABSTAR(商品名)の混合槽4に仕込み、このスラリ−液をポンプ5で湿式ボ−ルミル機6のベッセル7内に導き、粒子直径50μmのジルコニアセラミックビ−ズ8とロ−タ9の回転力を用いてクラスタ−ダイヤモンド凝集体を湿式微粉砕し、この湿式微粉砕したスラリ−液10を前記プレ混合槽4内に管11を経由して戻し、再び、前記ポンプ5でビ−ズミル機6に循環させ、この2時間30分の分散作業が終了したら切換弁12を開き、調製されたナノダイヤモンド非水分散液14を製品タンク13内へと導いた。
The above mixed slurry liquid is charged into a mixing tank 4 of a fine pulverizer / disperser LABSTAR (trade name) of Ashizawa Finetech Co., Ltd. shown in FIG. 1, and this slurry liquid is pumped by a
各々の分散作業時間におけるダイヤモンド粒子の粒度分布と、最小粒子径および最大粒子径を表1に示す。なお、150分要して分散化させたナノダイヤモンド非水分散液は、60日経過した時点でも二次凝集は見られず、貯蔵性は安定していた。
表1
Table 1 shows the particle size distribution, minimum particle size, and maximum particle size of the diamond particles in each dispersion operation time. The nanodiamond non-aqueous dispersion dispersed for 150 minutes did not show secondary aggregation even after 60 days, and the storage stability was stable.
Table 1
実施例2
実施例1において、非水系液状媒体のダイヤレン−14の使用量を3リットル、界面活性剤の使用量を10g、クラスタ−ダイヤモンドの使用量を330g、ビ−ズとして直径500μmのジルコニアセラミックビ−ズを、および分散作業時間を180分とする他は同様にしてスラリ−中のクラスタ−ダイヤモンド濃度が約10重量%のスラリ−液を調製し、および実施例1と同様にして湿式ビ−ズミル粉砕を行って次表2に示すダイヤモンド粒子の粒度分布と、最小粒子径および最大粒子径を有するナノダイヤモンド比水分散液を調製した。なお、180分要して分散化させたナノダイヤモンド非水分散液は、60日経過した時点でも二次凝集は見られず、貯蔵性は安定していた。
Example 2
In Example 1, a zirconia ceramic bead having a diameter of 500 μm was used as a non-aqueous liquid medium, dialen-14, 3 liters, a surfactant, 10 g, a cluster diamond, 330 g, and beads. And a slurry solution having a cluster diamond concentration of about 10 wt% in the slurry was prepared in the same manner except that the dispersion time was 180 minutes, and wet bead milling was carried out in the same manner as in Example 1. Then, a nanodiamond specific aqueous dispersion having a particle size distribution of diamond particles and a minimum particle size and a maximum particle size shown in Table 2 below was prepared. The nanodiamond non-aqueous dispersion dispersed for 180 minutes did not show secondary aggregation even after 60 days, and the storage stability was stable.
表2
Table 2
応用例1
実施例1で得たナノダイヤモンド非水分散液15重量部を市販のアクリル系油性塗料85重量部に混合し、この塗料を脱脂処理したステンレス鋼板の表面に膜厚が20μmとなるように塗布し、乾燥させた。塗膜の鉛筆硬度は、乾燥時3H、湿潤時2Hであり、光沢(75度測定GUROSU)は92%であった。塗膜の動摩擦係数は0.137であった。
Application example 1
15 parts by weight of the nanodiamond non-aqueous dispersion obtained in Example 1 was mixed with 85 parts by weight of a commercially available acrylic oil-based paint, and this paint was applied to the surface of a stainless steel plate subjected to degreasing treatment so that the film thickness was 20 μm. , Dried. The pencil hardness of the coating film was 3H when dried, 2H when wet, and the gloss (75-degree GROSU) was 92%. The dynamic friction coefficient of the coating film was 0.137.
比較応用例1
市販のアクリル系油性塗料99重量部に、実施例1で用いたクラスタ−ダイヤモンドを乳鉢で粉砕化したもの1重量部を混合し、この塗料を脱脂処理したステンレス鋼板の表面に膜厚が20μmとなるように塗布し、乾燥させた。塗膜の鉛筆硬度は、乾燥時3H、湿潤時2Hであり、光沢は87%であった。塗膜の動摩擦係数は0.156であった。
Comparative application example 1
99 parts by weight of a commercially available acrylic oil-based paint is mixed with 1 part by weight of the crushed cluster-diamond used in Example 1, and the film thickness is 20 μm on the surface of a stainless steel plate obtained by degreasing the paint. It was applied and dried. The pencil hardness of the coating film was 3H when dried, 2H when wet, and the gloss was 87%. The dynamic friction coefficient of the coating film was 0.156.
本発明のビ−ズミル機を用いてクラスタ−ダイヤモンドを湿式微粉砕して調製されたナノダイヤモンド非水分散液は、潤滑性と光沢性の優れた皮膜を与える。 The nanodiamond non-aqueous dispersion prepared by wet pulverization of cluster diamond using the bead mill of the present invention gives a film having excellent lubricity and gloss.
1 調製機(微粉砕・分散機)
2 クラスタ−ダイヤモンド凝集体
3 非水系液状媒体
4 プレ混合槽
6 湿式ビ−ズミル機
13 製品タンク
14 ナノダイヤモンド非水分散液
1 Preparation machine (fine grinding / dispersing machine)
2 Cluster-
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