连载 | 金刚石微粉与Zeta电位：调控、测量与应用（一）
官泽贵
中国颗粒学会青年理事。曾在香港浸会大学United International College从事教学与科研工作。后在全球领先的跨国分析仪器集团公司从事大客户经理，区域市场经理，Senior产品专家，Senior大客户顾问等工作，具有多年分析仪器行业和实验室领域相关工作经验，致力于为客户提供实验室分析检测解决方案。加入马尔文帕纳科集团后专注于颗粒表征领域，钻研粉体粒度分析检测技术，非常熟悉了解客户的测试需求和仪器应用。在激光粒度分析仪，纳米粒度分析仪、颗粒图像分析仪、在线粒度分析仪等多种粒度分析仪器及其应用领域积累了丰富的经验。
现任珠海欧美克仪器有限公司产品经理。开展市场研究和颗粒表征技术研究工作，致力于粉体粒度分析测试前沿技术的产品转化和仪器的商品化，为用户提供可靠的高性价比仪器，在帮助工业用户产业技术升级的过程中起到积极的作用。在检测技术推广和仪器行业应用中为客户提供解决方案，公司的主打产品激光粒度分析仪和纳米粒度分析仪在工业领域如制药行业、电池材料行业等成为生产质控的主流仪器。同时参与技术标准方面的工作，如企业标准的编制，代表公司参与相关的行标、国标的部分编制工作。
在超硬材料领域，金刚石微粉以其卓越的硬度、导热性和化学稳定性成为众多高端产业的关键材料。然而，这些优异性能的背后，却存在着一个长期困扰业界的难题——颗粒团聚效应。
这一难题的解决，正依赖于对Zeta电位的精确理解与调控。作为表征颗粒分散稳定性的关键指标，Zeta电位已成为金刚石微粉工艺优化与产品升级的核心参数之一。表面电荷行为成为提升超硬材料性能的关键因素。
金刚石微粉：超硬材料的多面应用
OMEC
金刚石微粉是指粒径在纳米至微米尺度的金刚石颗粒，这种材料被誉为材料界的“工业味精"，具有电绝缘、超强硬度、卓越导热性、极佳耐磨性以及独特的表面化学特性。纳米金刚石在聚合物复合材料的强度、韧性、耐磨、导热、减摩等关键性能提升方面展现出巨大潜力。
基于这些优异性能，金刚石微粉的应用领域十分广泛，涵盖航空航天、精密电子、医疗器械、新能源汽车、半导体等多个高端领域。在航空航天领域，纳米金刚石增强的复合材料用于制造轻质高强的结构件；在精密电子领域，它被用于导热界面材料，有效解决高功率元件的散热问题；在医疗器械中，纳米金刚石因其生物相容性和耐磨性，被用作植入体材料的增强相；在新能源汽车上，则主要用于提高电机绝缘材料的导热性能。在半导体领域，它是CMP抛光液的关键添加剂；在高端复合材料中，它作为功能性填料显著提升基体材料的导热性和机械强度。
2025年7月，由我国牵头制定的ISO国际标准《特殊用途功能性填料 聚合物用纳米金刚石》（ISO 6031:2025）正式发布，标志着我国纳米级金刚石材料产业实现了从“深耕积淀"到“引领国际"的历史性跨越。该标准首次界定了纳米金刚石材料的定义与类别、关键性能指标与测试方法、在聚合物中的评价规范、安全与环保要求等，规定了原料纯度、晶体结构等关键指标，确立了评估纳米金刚石在聚合物基体中分散稳定性的测试方法。
衡量金刚石微粉产品质量的关键指标主要包括(不限于)以下方面：
1
粒径及其分布：这是金刚石微粉最核心的质量指标之一，直接影响磨料的切削能力和加工表面质量；
2
颗粒形状：包括圆度、片状颗粒比例和针棒状颗粒含量等。与颗粒的流动性和在基体中的填充特性相关；
3
杂质含量：金属杂质（如铁、铜）及有害物质（硫、氯）含量，尤其是石墨相和非金刚石碳的含量；
4
表面化学性质：特别是Zeta电位，决定其在分散介质中的稳定性。
Zeta电位：
为何成为金刚石微粉的关键指标
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Zeta电位（ζ-potential）是指颗粒滑动面处的电位，是表征胶体体系稳定性的重要指标。它反映了颗粒表面带电状态以及颗粒间相互作用的强弱，直接影响到颗粒在分散介质中的分散性和稳定性。
对于金刚石微粉而言，Zeta电位之所以备受关注，根源在于其极易发生团聚的特性。金刚石微粉的高表面能导致它们倾向于聚集以减少总表面积和表面能，这种团聚现象会严重影响产品的性能表现。
例如，在聚合物复合材料中，团聚的金刚石微粉不仅不能充分发挥其增强作用，反而可能成为应力集中点，降低材料的机械性能。高导热性的金刚石微粉如果因团聚而无法在基体中均匀分散，会大大降低复合材料的导热通路，影响最终产品的导热性能。传统的金刚石表面活化方法获得的金刚石微粉的表面活化程度非常低，表面Zeta电位值低于20mV，随着金刚石微粉在树脂组合物中质量分数的提高，树脂组合物的黏度会急剧增加，金刚石微粉在树脂组合物中的分散效果不佳。
研究表明，通过表面改性使金刚石复合微粉的表面Zeta电位绝对值达到30-50mV，能够有效抵抗分子间作用力，降低金刚石复合微粉在树脂组合物内的团聚。这一数值已被认为是实现良好分散的“黄金范围"。Zeta电位绝对值大于30mV（正或负）通常表明体系具有较好的稳定性，颗粒间有较强的静电斥力来抵抗范德华引力。
在表面改性技术快速发展的背景下，zeta电位是评价表面改性效果的重要指标，通过酸化、氧化或包覆处理后，zeta电位变化直接反映表面官能团（如羟基、羧基）的引入效果。
此外，不同应用场景对zeta电位有不同要求，如抛光液需高负电位（-40mV）以增强颗粒吸附稳定性，而电镀体系则需要中性或弱正电位（+10mV）来优化镀层均匀性。
Zeta电位已成为衡量金刚石微粉表面改性以及分散稳定性调控手段的核心指标。
Zeta电位测量技术
OMEC
Zeta电位的测量主要采用电泳光散射技术(ELS)，核心原理是激光多普勒效应。当颗粒在电场中运动时，散射光的频率会发生偏移，通过测量这种频移可以确定颗粒的电泳迁移率，进而计算Zeta电位。
目前，我国已制定了相关国家标准，如GB/T 32671.2-2019《胶体体系 zeta电位测量方法 第2部分：光学法》，GB/Z 42353-2023《Zeta电位测定操作指南》，为Zeta电位的测量提供了标准方法。
测量Zeta电位时需要考虑多种影响因素：
1
pH值：Zeta电位通常随pH值变化而变化，等电点（IEP）是指Zeta电位为零时的pH值；
2
离子强度：溶液中的离子会压缩双电层，影响Zeta电位的大小和稳定性；
3
温度：影响离子的迁移率和溶液的粘度，进而影响测量结果；
4
添加剂：如分散剂、表面活性剂等会显著改变颗粒的表面性质。
对于金刚石微粉，其等电点通常位于较低的pH范围内，因此在中性或碱性条件下往往带有负电荷。了解这一特性对于设计稳定的分散体系至关重要。
NS-90Z Plus：纳米粒度及Zeta电位分析的综合解决方案
OMEC
针对纳米材料粒度及Zeta电位测试需求，珠海欧美克仪器有限公司推出了NS-90Z Plus纳米粒度及电位分析仪。这款仪器在成功引进和吸收马尔文帕纳科纳米颗粒表征技术的基础上，进一步优化了光学电子测量技术和分析性能。
▲ 欧美克NS-90Z Plus 纳米粒度分析仪
（点击图片查看仪器详情）
NS-90Z Plus采用动态光散射技术测量颗粒的粒度，使用电泳光散射技术测定颗粒Zeta电位和电位分布。其粒度测试范围达到0.3nm-10μm，能够覆盖绝大多数金刚石微粉的粒径范围。
NS-90Z Plus的创新之处在于其融合了马尔文帕纳科恒流模式下的M3-PALS快慢场混合相位检测分析技术，提升了仪器的电位分析性能。该技术成功解决了毛细管电渗对测试的影响，并且在一次测试过程中同时得到Zeta电位平均值和电位分布曲线。恒流模式能有效缓解电极极化的影响，使结果重现性更好，准确性更高。
对于金刚石微粉行业，NS-90Z Plus提供了全面的解决方案：
高精度测量能力
采用M3-PALS（相位分析光散射）技术，通过快慢场混合模式消除电渗影响，使Zeta电位测量精度达±0.5mV，重复性可达±0.3mV。这种精度水平足以满足甚至是最苛刻的金刚石微粉质量控制要求。
广泛的样品适应性
可分析样品浓度最高达到40% w/v，能够适应不同浓度范围的金刚石微粉样品。
智能温控系统
独立的帕尔贴循环温控装置可在0-120℃范围内任意设定，控制精度最高可达0.1℃，保障测试结果高重现性。温度稳定性对zeta电位测量至关重要，因为温度变化会影响介质的粘度和介电常数，从而显著影响测量结果。
高电导率适应性
采用恒流模式支持高达260mS/cm样品测试，克服了传统电泳法在高导电率条件下的测量限制。这一功能对于测量经过表面改性或在高离子强度介质中使用的金刚石微粉尤为重要。
这些特性使得NS-90Z Plus成为金刚石微粉研发和质量控制的得力工具，助力企业优化生产工艺，提升产品质量。
下节预告
Zeta电位调控在金刚石微粉工业中的应用举例：
抛光工艺中的应用
在化学机械抛光领域，Zeta电位的调控发挥着关键作用。金刚石抛光液的性能优化很大程度上依赖于Zeta电位的控制。针对不同的样品材质，抛光液需要调整磨粒种类、悬浮体系特点和配搭的抛光盘类型。通过控制Zeta电位，可以显著改善抛光液的稳定性和抛光效果。
Zeta电位在表面改性评估中的应用
Zeta电位测量在金刚石表面改性效果评估中发挥着重要作用。在金刚石微粉表面改性过程中，实时监测Zeta电位变化，评估改性效果并优化工艺参数。
……
方式1：
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