В областта на модифицираните пластмаси от висок клас, проводящите добавки за батерии и специалните покрития въглеродните нанотръби отдавна са незаменима индустриална добавка. Въпреки това, когато избират и купуват, инженерите често се забиват в ключов параметър: как да изберат пропорцията на въглеродните нанотръби? Много служители в научноизследователската и развойна дейност сляпо преследват ултра-високи пропорции, само за да открият, че прахът се струпва плътно в матрицата, което кара тока на двушнековия екструдер да свети в червено. Други, търсейки лесно разпръскване, избират къси и дебели тръби, само за да открият, че проводимата мрежа изобщо не може да бъде изградена и дори удвояването на количеството на добавяне не може да отговори на спецификациите. Съотношението на страните в никакъв случай не е възможно най-голямо; това е брутална игра между микроскопична геометрия и макроскопична обработка. Тази статия ще използва реални данни, за да ви помогне да изясните напълно логиката на избора на аспектното съотношение на въглеродните нанотръби.
1. Същността на аспектното съотношение: защо е „ключът“, определящ производителността?
Аспектното съотношение (съотношението на дължината към диаметъра) директно определя плътността на точката на омрежване и ефективността на пренос на натоварването на въглеродните нанотръби при формирането на три-измерна мрежа в матрицата, което го прави основен параметър, който засяга цялата система.
От геометрична гледна точка образуването на проводяща мрежа от въглеродни нанотръби в полимер по същество разчита на припокриването между тръбите. Колкото по-голямо е аспектното съотношение, толкова по-широк пространствен обхват може да достигне една тръба и толкова по-малко тръби са необходими за образуване на проходна-мрежа. Това е известната „теория на просмукването“. При механичното усилване аспектното съотношение определя дължината на предаване на междинното напрежение на срязване. Ако аспектното съотношение е твърде ниско, тръбите не могат да бъдат напълно "закотвени" и ще бъдат директно изтеглени, когато са опънати, без да упражняват наномащабните супер механични свойства.
2. Сценарии за проводящо приложение: Наистина ли високото съотношение е единственото решение?
В сценарии, преследващи максимална проводимост и ултра{0}}ниски количества на добавяне, въглеродните нанотръби с високо аспектно съотношение са абсолютният първи избор, но предпоставката е произтичащите от това високи вискозитети и трудностите с дисперсията да бъдат решени.
Когато решаваме как да изберем аспектното съотношение на въглеродните нанотръби, проводящото поле е най-чувствително към аспектното съотношение. Според класическия модел на статистическа перколация, прагът на просмукване е обратно пропорционален на аспектното съотношение. Когато аспектното съотношение се увеличи от 100 на 1000, количеството на добавяне, необходимо за постигане на същата проводимост, може да бъде намалено с порядък. Това е особено критично при проводящите добавки за литиеви батерии: по-ниско добавено количество означава по-голям дял активен материал, което директно увеличава енергийната плътност. Високото съотношение обаче причинява рязко увеличаване на вискозитета на системата, което затруднява нанасянето на покритие на електродите и изисква специални процеси на де-агломерация за балансиране.
| Диапазон на пропорциите | Типичен диаметър/дължина | Праг на просмукване (тегл.%) | Добавено количество за същата проводимост | Вискозитетен ефект | Типични сценарии за приложение |
|---|---|---|---|---|---|
| Ниско съотношение на страните (50-150) | 20nm / 1-3μm | 1.5 - 3.0% | Висок (~2,5%) | Ниска, добра течливост | Анти{0}}статични пластмаси, общи проводими покрития |
| Средно съотношение на страните (150-500) | 10nm / 5-15μm | 0.3 - 1.0% | Среден (~0,8%) | Среден, лесен за обработка | Проводими добавки за конвенционални батерии, инженерни пластмаси |
| Високо аспектно съотношение (500-3000+) | 5nm / 15-50μm | 0.02 - 0.2% | Изключително ниско (~0,05%) | Изключително високо, склонно към желиране | Висок{0}}цифрови батерии, прозрачни проводими филми |
3. Разпръскване на обработката: фаталната игра между високо и ниско
Силата на заплитане между тръбите се увеличава експоненциално с аспектното съотношение на въглеродните нанотръби, което води до рязко увеличаване на трудността на дисперсията и изискванията за срязване на оборудването, което много лесно води до загуба на аспектно съотношение.
Когато се решава проблемът как да се избере аспектното съотношение на въглеродните нанотръби, действителното ниво на оборудване на фабриката не може да бъде отделено от уравнението. Тръбите с високо аспектно съотношение са като тенджера с варени спагети, със силни сили на Ван дер Ваалс, които ги държат плътно преплетени. Ако силата на срязване на дисперсионното оборудване е недостатъчна, тръбите с високо аспектно съотношение изобщо не могат да бъдат отворени. Ако силата на срязване е твърде голяма (като дълготрайна високо{3}}честотна ултразвукова обработка), тя директно ще счупи тръбите, което в крайна сметка ще доведе до значително свиване на действителното съотношение на страните и ефективността вместо това е по-лоша от директното използване на CNT със средно-до{-ниско съотношение на страните. Тръбите с ниско аспектно съотношение са като оризови зърна, с добра течливост и много лесно разпръскване, но таванът на ефективността е нисък.
| Характеристики на дисперсия и обработка | High Aspect Ratio (>500) | Средно-Ниско съотношение (<200) |
|---|---|---|
| Състояние на сух прах | Изключително пухкава, обемна плътност<0.05 g/cm³ | Сравнително плътен, обемна плътност 0,1-0,3 g/cm³ |
| Време за ултразвукова дисперсия | Дълъг (необходими са 30 минути+), много податлив на фрактури | Кратък (10-15 минути), устойчив на срязване |
| Дву{0}}винтова адаптивност при срязване | Много лошо, влакната лесно се късат и текат обратно | Отличен, подходящ за конвенционално екструзионно гранулиране |
| Увеличаване на вискозитета в смолистата матрица | Много голям (може да ограничи максималното количество за добавяне) | Малък, може да се пълни при високи съотношения |
4. Сценарии за механична армировка: Кой е истинската „арматура“?
При композитното закаляване и армиране въглеродните нанотръби с високо аспектно съотношение показват много по-добра устойчивост на счупване в сравнение с тръбите с ниско аспектно съотношение, като осигуряват по-дълги дължини-на издърпване и пътища на отклонение при напукване.
Ако аспектното съотношение на въглеродните нанотръби е твърде ниско, контактната площ между тръбите и матрицата от смола е твърде малка, когато композитът е подложен на външна сила. След като бъдат напрегнати, те се изтеглят директно от матрицата (работа при слабо издърпване), без да действат като „арматура“. Само когато аспектното съотношение надхвърли критичната дължина, въглеродните нанотръби ще се счупят, вместо да се изтеглят, когато са подложени на напрежение, увеличавайки максимално потреблението на енергия за счупване. Все пак трябва да се отбележи, че механичната армировка има изключително високи изисквания за чистота на CNT; остатъците от метални катализатори се превръщат в точки на концентрация на напрежението, което води до разрушаване на армировката.
5. Пътят към излизане от задънената улица: Как Shandong Tanfeng постига перфектния баланс между пропорциите и дисперсията?
Разчитайки на прецизен каталитичен контрол с кипящ слой и собствено-разработена пред-технология за дисперсия, Shandong Tanfeng позволява на потребителите вече да не агонизират при избора на пропорции, постигайки оптимален баланс между производителност и възможност за обработка.
Изправени пред трудния проблем как да изберат пропорциите на въглеродните нанотръби, най-добрият подход е да не оставяме клиентите да се борят с дисперсионно оборудване, а да решим проблема при източника. Като местен производител на CNT със задълбочени изследвания, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. преодоля задънената улица между високото аспектно съотношение и трудното разпръскване чрез фундаментална иновация на процеса:
Прецизен персонализиран синтез:Използвайки самостоятелно-проектиран много-етапен реактор с кипящ слой, Shandong Tanfeng прецизно контролира активността на катализатора и времето на престой, постигайки прецизно персонализиране на аспектните съотношения на CNT в диапазона от 100-3000. Колебанията в дължината-на партида се контролират в рамките на 15%, осигурявайки изключително стабилна производителност.
Технология за-заплитане на място-:За CNT с високо аспектно съотношение Shandong Tanfeng въвежда динамично механично де{0}}заплитане и-на място модификация на повърхността в края на изхода на синтеза, увеличавайки насипната плътност на праха с високо аспектно съотношение повече от 2 пъти, значително намалявайки трудностите при пред-смесване надолу по веригата и елиминирайки „разпрашаването“ и „твърдите агломерати“.
Безпроблемна-безплатна доставка на паста:Shandong Tanfeng не само осигурява високо{0}}качествен сух прах, но и предварително-диспергирани пасти, съвместими с NMP, вода и различни смоли. Използвайки патентовани полимерни дисперсанти за перфектно изолиране на CNTs с високо аспектно съотношение, фиността на пастата D90 е<5 μm, with coating free of particles, truly allowing customers to achieve "high aspect ratio performance with low aspect ratio processing experience."
Заключение
Връщайки се към основния въпрос, как да изберем аспектното съотношение на въглеродните нанотръби? Това в никакъв случай не е просто попълване на число. Ако преследвате крайния нисък праг и висока армировка, трябва да изберете високо съотношение на страните, но трябва да сте оборудвани с мощни методи за дисперсия или директно да използвате паста. Ако преследвате стабилен производствен капацитет, лесна обработка и не сте чувствителни към добавяното количество, средно-ниското съотношение на страните е по-практично. Най-интелигентният подход е да се използва техническото овластяване на производител на източници като Shandong Tanfeng, който разбира както синтеза, така и дисперсията, използвайки персонализирани аспектни съотношения и решения за пред-дисперсия, за да позволи на всеки грам въглеродни нанотръби да упражнява максималната си ефективност във вашата система.