連載 | 金剛石微粉與Zeta電位：調控、測量與應用（一）
官澤貴
中國顆粒學會青年理事。曾在香港浸會大學United International College從事教學與科研工作。后在全球領先的跨國分析儀器集團公司從事大客戶經理，區域市場經理，Senior產品專家，Senior大客戶顧問等工作，具有多年分析儀器行業和實驗室領域相關工作經驗，致力于為客戶提供實驗室分析檢測解決方案。加入馬爾文帕納科集團后專注于顆粒表征領域，鉆研粉體粒度分析檢測技術，非常熟悉了解客戶的測試需求和儀器應用。在激光粒度分析儀，納米粒度分析儀、顆粒圖像分析儀、在線粒度分析儀等多種粒度分析儀器及其應用領域積累了豐富的經驗。
現任珠海歐美克儀器有限公司產品經理。開展市場研究和顆粒表征技術研究工作，致力于粉體粒度分析測試前沿技術的產品轉化和儀器的商品化，為用戶提供可靠的高性價比儀器，在幫助工業用戶產業技術升級的過程中起到積極的作用。在檢測技術推廣和儀器行業應用中為客戶提供解決方案，公司的主打產品激光粒度分析儀和納米粒度分析儀在工業領域如制藥行業、電池材料行業等成為生產質控的主流儀器。同時參與技術標準方面的工作，如企業標準的編制，代表公司參與相關的行標、國標的部分編制工作。
在超硬材料領域，金剛石微粉以其卓越的硬度、導熱性和化學穩定性成為眾多高端產業的關鍵材料。然而，這些優異性能的背后，卻存在著一個長期困擾業界的難題——顆粒團聚效應。
這一難題的解決，正依賴于對Zeta電位的精確理解與調控。作為表征顆粒分散穩定性的關鍵指標，Zeta電位已成為金剛石微粉工藝優化與產品升級的核心參數之一。表面電荷行為成為提升超硬材料性能的關鍵因素。
金剛石微粉：超硬材料的多面應用
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金剛石微粉是指粒徑在納米至微米尺度的金剛石顆粒，這種材料被譽為材料界的“工業味精"，具有電絕緣、超強硬度、卓越導熱性、極佳耐磨性以及獨特的表面化學特性。納米金剛石在聚合物復合材料的強度、韌性、耐磨、導熱、減摩等關鍵性能提升方面展現出巨大潛力。
基于這些優異性能，金剛石微粉的應用領域十分廣泛，涵蓋航空航天、精密電子、醫療器械、新能源汽車、半導體等多個高端領域。在航空航天領域，納米金剛石增強的復合材料用于制造輕質高強的結構件；在精密電子領域，它被用于導熱界面材料，有效解決高功率元件的散熱問題；在醫療器械中，納米金剛石因其生物相容性和耐磨性，被用作植入體材料的增強相；在新能源汽車上，則主要用于提高電機絕緣材料的導熱性能。在半導體領域，它是CMP拋光液的關鍵添加劑；在高端復合材料中，它作為功能性填料顯著提升基體材料的導熱性和機械強度。
2025年7月，由我國牽頭制定的ISO國際標準《特殊用途功能性填料 聚合物用納米金剛石》（ISO 6031:2025）正式發布，標志著我國納米級金剛石材料產業實現了從“深耕積淀"到“引領國際"的歷史性跨越。該標準首次界定了納米金剛石材料的定義與類別、關鍵性能指標與測試方法、在聚合物中的評價規范、安全與環保要求等，規定了原料純度、晶體結構等關鍵指標，確立了評估納米金剛石在聚合物基體中分散穩定性的測試方法。
衡量金剛石微粉產品質量的關鍵指標主要包括(不限于)以下方面：
1
粒徑及其分布：這是金剛石微粉最核心的質量指標之一，直接影響磨料的切削能力和加工表面質量；
2
顆粒形狀：包括圓度、片狀顆粒比例和針棒狀顆粒含量等。與顆粒的流動性和在基體中的填充特性相關；
3
雜質含量：金屬雜質（如鐵、銅）及有害物質（硫、氯）含量，尤其是石墨相和非金剛石碳的含量；
4
表面化學性質：特別是Zeta電位，決定其在分散介質中的穩定性。
Zeta電位：
為何成為金剛石微粉的關鍵指標
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Zeta電位（ζ-potential）是指顆粒滑動面處的電位，是表征膠體體系穩定性的重要指標。它反映了顆粒表面帶電狀態以及顆粒間相互作用的強弱，直接影響到顆粒在分散介質中的分散性和穩定性。
對于金剛石微粉而言，Zeta電位之所以備受關注，根源在于其極易發生團聚的特性。金剛石微粉的高表面能導致它們傾向于聚集以減少總表面積和表面能，這種團聚現象會嚴重影響產品的性能表現。
例如，在聚合物復合材料中，團聚的金剛石微粉不僅不能充分發揮其增強作用，反而可能成為應力集中點，降低材料的機械性能。高導熱性的金剛石微粉如果因團聚而無法在基體中均勻分散，會大大降低復合材料的導熱通路，影響最終產品的導熱性能。傳統的金剛石表面活化方法獲得的金剛石微粉的表面活化程度非常低，表面Zeta電位值低于20mV，隨著金剛石微粉在樹脂組合物中質量分數的提高，樹脂組合物的黏度會急劇增加，金剛石微粉在樹脂組合物中的分散效果不佳。
研究表明，通過表面改性使金剛石復合微粉的表面Zeta電位絕對值達到30-50mV，能夠有效抵抗分子間作用力，降低金剛石復合微粉在樹脂組合物內的團聚。這一數值已被認為是實現良好分散的“黃金范圍"。Zeta電位絕對值大于30mV（正或負）通常表明體系具有較好的穩定性，顆粒間有較強的靜電斥力來抵抗范德華引力。
在表面改性技術快速發展的背景下，zeta電位是評價表面改性效果的重要指標，通過酸化、氧化或包覆處理后，zeta電位變化直接反映表面官能團（如羥基、羧基）的引入效果。
此外，不同應用場景對zeta電位有不同要求，如拋光液需高負電位（-40mV）以增強顆粒吸附穩定性，而電鍍體系則需要中性或弱正電位（+10mV）來優化鍍層均勻性。
Zeta電位已成為衡量金剛石微粉表面改性以及分散穩定性調控手段的核心指標。
Zeta電位測量技術
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Zeta電位的測量主要采用電泳光散射技術(ELS)，核心原理是激光多普勒效應。當顆粒在電場中運動時，散射光的頻率會發生偏移，通過測量這種頻移可以確定顆粒的電泳遷移率，進而計算Zeta電位。
目前，我國已制定了相關國家標準，如GB/T 32671.2-2019《膠體體系 zeta電位測量方法 第2部分：光學法》，GB/Z 42353-2023《Zeta電位測定操作指南》，為Zeta電位的測量提供了標準方法。
測量Zeta電位時需要考慮多種影響因素：
1
pH值：Zeta電位通常隨pH值變化而變化，等電點（IEP）是指Zeta電位為零時的pH值；
2
離子強度：溶液中的離子會壓縮雙電層，影響Zeta電位的大小和穩定性；
3
溫度：影響離子的遷移率和溶液的粘度，進而影響測量結果；
4
添加劑：如分散劑、表面活性劑等會顯著改變顆粒的表面性質。
對于金剛石微粉，其等電點通常位于較低的pH范圍內，因此在中性或堿性條件下往往帶有負電荷。了解這一特性對于設計穩定的分散體系至關重要。
NS-90Z Plus：納米粒度及Zeta電位分析的綜合解決方案
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針對納米材料粒度及Zeta電位測試需求，珠海歐美克儀器有限公司推出了NS-90Z Plus納米粒度及電位分析儀。這款儀器在成功引進和吸收馬爾文帕納科納米顆粒表征技術的基礎上，進一步優化了光學電子測量技術和分析性能。
▲ 歐美克NS-90Z Plus 納米粒度分析儀
（點擊圖片查看儀器詳情）
NS-90Z Plus采用動態光散射技術測量顆粒的粒度，使用電泳光散射技術測定顆粒Zeta電位和電位分布。其粒度測試范圍達到0.3nm-10μm，能夠覆蓋絕大多數金剛石微粉的粒徑范圍。
NS-90Z Plus的創新之處在于其融合了馬爾文帕納科恒流模式下的M3-PALS快慢場混合相位檢測分析技術，提升了儀器的電位分析性能。該技術成功解決了毛細管電滲對測試的影響，并且在一次測試過程中同時得到Zeta電位平均值和電位分布曲線。恒流模式能有效緩解電極極化的影響，使結果重現性更好，準確性更高。
對于金剛石微粉行業，NS-90Z Plus提供了全面的解決方案：
高精度測量能力
采用M3-PALS（相位分析光散射）技術，通過快慢場混合模式消除電滲影響，使Zeta電位測量精度達±0.5mV，重復性可達±0.3mV。這種精度水平足以滿足甚至是最苛刻的金剛石微粉質量控制要求。
廣泛的樣品適應性
可分析樣品濃度最高達到40% w/v，能夠適應不同濃度范圍的金剛石微粉樣品。
智能溫控系統
獨立的帕爾貼循環溫控裝置可在0-120℃范圍內任意設定，控制精度最高可達0.1℃，保障測試結果高重現性。溫度穩定性對zeta電位測量至關重要，因為溫度變化會影響介質的粘度和介電常數，從而顯著影響測量結果。
高電導率適應性
采用恒流模式支持高達260mS/cm樣品測試，克服了傳統電泳法在高導電率條件下的測量限制。這一功能對于測量經過表面改性或在高離子強度介質中使用的金剛石微粉尤為重要。
這些特性使得NS-90Z Plus成為金剛石微粉研發和質量控制的得力工具，助力企業優化生產工藝，提升產品質量。
下節預告
Zeta電位調控在金剛石微粉工業中的應用舉例：
拋光工藝中的應用
在化學機械拋光領域，Zeta電位的調控發揮著關鍵作用。金剛石拋光液的性能優化很大程度上依賴于Zeta電位的控制。針對不同的樣品材質，拋光液需要調整磨粒種類、懸浮體系特點和配搭的拋光盤類型。通過控制Zeta電位，可以顯著改善拋光液的穩定性和拋光效果。
Zeta電位在表面改性評估中的應用
Zeta電位測量在金剛石表面改性效果評估中發揮著重要作用。在金剛石微粉表面改性過程中，實時監測Zeta電位變化，評估改性效果并優化工藝參數。
……
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