钻石现在也可以成为涂料配方师最好的朋友。它是最非凡的材料之一，其物理性能在大多数图表的顶端，特别是硬度和导热性。这些特性现在已经应用于涂料行业。

这个想法很简单。由于钻石的性质与大多数其他材料的性质是如此不同，只需要少量的纳米级钻石颗粒就可以在现有材料的性质上产生有价值的变化。在表面涂层性能(如耐磨性、摩擦系数和热导率)方面，仅添加按重量计百分之几的纳米金刚石材料就可获得高达60%的改善，在某些情况下仅为0.1%。

俄罗斯科学家在20世纪60年代发现了由爆炸形成的纳米钻石，但在西方仍然相对未知和未使用。含碳炸药的受控、极快的爆炸是在一个封闭的非氧化气氛室中进行的。产生的激波足以将一部分碳从称为sp2的石墨结构转变为sp3金刚石结构(图1)。金刚石形成小的球形颗粒，尺寸分布紧密，仅为4-6纳米(图2)。

这种具有极其坚硬核心的小粒子的可用性是一种直接的吸引力，但还有更多。金刚石颗粒的表面具有主要的石墨sp2结构，开辟了减少摩擦的潜力，但表面也包含其他有趣的特征。爆炸事件内的条件导致各种官能团共价结合到表面，包括羧基，胺和羟基。

虽然金刚石芯和表面石墨的材料特性让工程师们兴奋不已，但表面官能团的存在引起了化学家们的注意，因为每个官能团都代表了金刚石颗粒和组成其他材料的聚合物之间的潜在附着点。

挑战在于这些官能团是随机分布的，可能会产生相反的效果。传统的多功能化纳米金刚石颗粒具有结块的倾向，虽然它们在电镀工艺(如硬铬电镀)中的应用已经建立了追随者，但在聚合物中，只有在大量添加时才显示出效果，在这种情况下，所得到的聚合物会受到结块颗粒的视觉影响。

释放潜力

卡克迪恩是最早认识到需要对表面化学做一些更好的工作来释放这些超级粒子的潜力的人之一。从2006年开始，该公司开始开发一系列强大的化学工艺，在不破坏粒子结构的情况下，选择性地将一种官能团替换为另一种官能团。这不是简单的任务，因为化学键是非常强和稳定的。

第一代产品于2010年推出。尽管粒子仍然是多功能化的，但对官能团的控制导致了足够强的zeta势，能够在粒子解团聚后，产生第一个稳定的个位数4-6纳米纳米金刚石粒子的分散体。

Carbodeon首席技术官Vesa Myllymaki解释说:“虽然所有的粒子都有相互吸引的倾向，但具有活跃表面化学性质的粒子会在溶液中产生电荷，成为排斥力。这种电荷的相对大小可以通过测量粒子的zeta电位来确定，而产生稳定色散的阈值被认为是当zeta电位超过40 mV时，无论是正的还是负的。使用我们的第一代材料，我们超过了40 mV的阈值，值高达52 mV。”

纳米金刚石材料首次作为一种真正的分散体出现，很快就取得了效果。在镍和金电镀中，使用少量纳米金刚石可以获得与使用团聚悬浮液时所要求的相同的耐磨性改善。

该公司还在各种聚合物应用中测试了这些分散体，并立即在实验室和商业应用中取得了成功，并确保参与了两个欧洲资助的研发项目。

聚合物的工作促使研究人员进一步研究表面化学。虽然现有的产品有足够强的zeta电位来保持稳定的分散，但它们是pH敏感的。一种产品适用于酸性介质，另一种适用于碱性介质，但两种产品在中性ph下都不稳定。还需要进一步的化学研究。

2013年5月，Carbodeon推出了其首款单官能团纳米金刚石产品，其中唯一的官能团是羧基。具有非常强的负zeta电位，最高可达-71 mV，分散在pH值5至12之间稳定(图3)，这涵盖了聚合物和涂层加工的广泛部分。

羧基化纳米金刚石材料已经开发了一段时间，到发布日期已经处于选定客户应用的后期阶段。基于其他官能团的其他材料已经在开发中。

新材料在聚合物中的应用立即证明了单官能化表面化学的二次效益。颗粒和聚合物之间的相互作用要强得多，而且可以预测，尽管这取决于所讨论的聚合物化学，这也是Carbodeon开发进一步产品的原因。一个有趣的结果是，在由于缺乏合适的溶剂而不能应用纳米金刚石分散体的情况下，这种新材料的粉末形式仍然优于传统粉末。

摩擦磨损性能

该公司目前的纳米金刚石聚合物重点有两个方面:一是改善表面涂层的摩擦和磨损性能，二是创建导热聚合物，用于LED照明和电子产品的热管理应用。Vesa Myllymaki说:“我们可以在各种应用中改进聚合物，但目前这些是我们期望提供最大价值的领域。”

在摩擦磨损涂料中，Carbodeon自己的含氟聚合物涂料研发项目最好地展示了效果，如图4和5所示。

Myllymaki说:“使用各种市上可用的PTFE和FEP涂层作为参考，我们已经创建了纳米复合涂层，纳米金刚石负载为固化内容物重量的0.05%至2.0%。”“通过优化不同情况下的负载，我们发现摩擦减少了66%，磨损改善了50%。这项研究跨越了第一代和第二代纳米金刚石分散体的发展，令人兴奋的是，第一代分散体通常需要1-2%的重量，单功能分散体在大约十分之一的负载下就能产生相同的涂层性能改进。通常情况下，我们测试的范围是0.05-0.25%，这确实为追求更多应用开辟了经济前景。”

涂层性能的提高部分来自于集成到聚合物中的耐磨纳米金刚石颗粒的存在，但涂层的整体结构也发生了变化。例如，在含氟聚合物涂层中，裂缝结构更细、更小，表面光洁度测量降低了85%，表面在视觉上看起来更光滑、略有光泽。

在商业上，Carbodeon已经开始为少量的涂层项目提供纳米金刚石分散体，并看到了这些产品的巨大商机。

Myllymaki说:“我们可以找到数百个感兴趣的方，他们希望在他们的产品中看到这类涂料，但在配方层面，每个案例往往涉及新的溶剂要求、不同的工艺和供应链中的不同参与者。”“我们与涂料配方商之间的公开沟通也很重要。为了制造出一种成功的涂料，需要在制造周期的最佳位置正确地引入分散剂，在这方面还有更多需要学习的地方。”

该分散剂可用于水溶液和有限范围的溶剂，该公司希望扩大这一范围，以覆盖更多的应用。

热导率

聚合物热管理应用也产生了类似的结果。其中许多是粉末应用，因为目前还没有合适的溶剂来引入纳米金刚石作为分散体。引入纳米金刚石粉末需要非常有效的混合，以适当地“润湿”颗粒，以有效地提高涂层的导热性。Carbodeon最近宣布了一组结果，其中它将其单功能纳米金刚石粉末与氮化硼颗粒结合在一起，氮化硼颗粒也是一种已知的热填料。

“从参考材料PA66开始，45%的氮化硼作为热填料，我们创造了一种新的纳米复合聚合物，由PA66和44.9%的氮化硼和0.1%的纳米金刚石组成。结果导热系数提高了25%。”

在考虑热导率时，我们得出的结论是，当考虑纳米尺度的材料时，我们必须有一点不同的想法。纯金刚石的导热系数值在2000 W/mK以上;对于六方氮化硼，它是600 W/mK，尽管由于它的结构，这个性质在第三个平面要低得多，大约30 W/mK。尽管如此，它还是比PA66的0.25 W/mK高得多。45%的氮化硼的加入将其提高到近3 W/mK，这是一个有价值的改进，但比预期的要少。这是因为在聚合物和填料之间传导热能仍然存在限制。通过引入粒径较小的纳米金刚石粉末，纳米金刚石颗粒、聚合物和氮化硼之间的分子相互作用结合了更小的粒径，从而进一步提高了25%的热导率。

这一热导率结果是重要的，因为过高的氮化硼负载降低了化合物的结构性能，增加了它们的重量，并导致加工工具的磨损。

“我们已经扩展了这种聚合物和其他聚合物的热性能，超过了现有的热填料，同时保留了足够的结构性能。在其他应用中，我们发现了结构性能的改善。这个活动的关键是实现非常好的混合。我们正在努力开发混合技术，以进一步提高性能，同时生产整体填料负荷较低的聚合物，以获得相同的性能，但重量较轻。”

“纳米金刚石材料在表面涂层中的潜力是巨大的，”Myllymaki说。“现在已经有成功的产品了，我们正在不断地开发机会，无论是在我们自己的研发项目中，还是在与能够看到未来应用在生产成本和最终产品性能方面的潜在好处的制造商合作。”

更多信息，请访问www.carbodeon.com