В научноизследователската и развойна дейност и производствените линии на проводящи покрития на водна -основа, нови свързващи вещества на водна-основа на литиеви батерии или топлопроводими охлаждащи филми, въглеродните нанотръби са силно предпочитани благодарение на техните най-добри проводими и топлопроводими мрежи. Инженерите обаче често се спъват на първата стъпка от производството: как да разпръснат въглеродни нанотръби във вода? Гледайки плаващите черни флокули в чашата и твърдата утайка на дъното, безброй хора изпадат в отчаяние. Поради силната хидрофобност и между{4}}тръбните ван дер Ваалсови сили, CNT се слепват заедно веднага след навлизане във вода и конвенционалното разбъркване изобщо не може да образува еднородна водна дисперсия. Тази статия ще адресира директно тази болезнена точка, като използва твърди данни, за да разруши логиката на водната дисперсия на въглеродните нанотръби.
1. Проследяване на дилемата: Защо въглеродните нанотръби много лесно се слепват и потъват във вода?
Основната причина, поради която въглеродните нанотръби много лесно се агломерират и утаяват във вода, се крие в тяхната изключително висока повърхностна хидрофобност и силното привличане на ван дер Ваалс между -тръбите, което прави системата силно термодинамично нестабилна.
Тръбната стена на CNT се формира чрез търкаляне на sp² хибридизирани графенови листове и тази силно поляризирана конюгирана повърхност е по своята същност хидрофобна. Когато немодифициран CNT прах се изсипе във вода, водните молекули не могат да се разпространят и намокрят стената на тръбата, а огромното междинно напрежение отблъсква водата. В същото време, за да се намали изключително високата повърхностна енергия, тръбите са плътно прилепнали една към друга чрез силни сили на Ван дер Ваалс. В сравнение с органичните разтворители (като NMP), високото повърхностно напрежение на водата (~72 mN/m) прави още по-трудно прекъсването на това термодинамично нестабилно състояние.
| Система за разтворители | Повърхностно напрежение | Омокряемост за CNT | Състояние на дисперсия на CNT | Продължителност на стабилността |
|---|---|---|---|---|
| Дейонизирана вода | 72,8 mN/m | Very poor (contact angle >120 градуса) | Бързо слепване и потъване | <10 minutes |
| Етанол | 22,0 mN/m | Среден | Може временно да спре | Няколко часа |
| НМП | 40,7 mN/m | Отличен (добър разтворител) | Лесно се диспергира в отделни епруветки | Няколко дни до няколко седмици |
2. Физическа ултразвукова обработка: Защо се счупват тръбите, но все още води до потъване?
Въпреки че физическата обработка с ултразвук може да осигури мигновена сила на кавитация с високо-срязване за насилствено разкъсване на CNT снопове, тя не може да промени тяхната хидрофобна природа и веднъж спряна, неизбежно възниква бърза вторична агломерация.
Когато се изправят пред проблема как да разпръснат въглеродни нанотръби във вода, първата реакция на много хора е да използват ултразвук. Ефектът на кавитацията на соникатор със сонда наистина може да генерира микро-струйни удари от стотици MPa, разкъсвайки заплетени снопове. Но проблемът е, че прясно разбитите хидрофобни CNT имат изключително висока повърхностна енергия и са в изключително активно състояние във вода; в момента, в който ултразвукът спре, те незабавно търсят спътници, за да се скупчат отново. Още по-фатално, удължаването на времето за ултразвукова обработка в преследване на ефекта на дисперсията директно ще отреже CNTs, причинявайки съотношението на страните да спадне от хиляди до десетки, напълно унищожавайки проводимата мрежа.
| Метод на физическа дисперсия | Механизъм на действие | Енергийна плътност | Повреда на аспектното съотношение | Време до вторична агломерация и потъване |
|---|---|---|---|---|
| Механично разбъркване | Макроскопична срязваща конвекция | ниско (<10 W/cm³) | Почти никакви | Потъва веднага след спиране |
| Ултразвукова баня | Кавитационен ефект | Среден (10-50 W/cm³) | Леко | 10-30 минути |
| Ултразвукова сонда | Мощна кавитационна микро{0}}струя | Extremely high (>100 W/cm³) | Severe (breakage rate >50%) | 1-2 часа |
3. Химическа модификация: Как да направим въглеродните нанотръби наистина съвместими с водата?
Единственият начин за постигане на дългосрочна-стабилна дисперсия на въглеродни нанотръби във вода е химическата повърхностна модификация. Чрез въвеждане на хидрофилни групи или обвиване на амфифилни молекули, тръбите са фундаментално предотвратени от повторно приближаване една към друга от термодинамична гледна точка.
Стратегията за-коренно лечение за диспергиране на въглеродни нанотръби във вода е поставянето на „хидрофилно покритие“ върху стената на тръбата. Има два основни пътя: модификация на ковалентна връзка и модификация на не-ковалентна връзка. Модификацията на ковалентната връзка (като кипене в смесена киселина) директно врязва карбоксилни групи (-COOH) и хидроксилни групи (-OH) върху стената на тръбата, осигурявайки отлична хидрофилност, но разрушава sp² конюгираната структура, причинявайки значително намаляване на проводимостта. Модифицирането на не-ковалентна връзка (добавяне на повърхностноактивни вещества или полимерни диспергатори) използва характеристиката на единия край, адсорбиращ към стената на тръбата, а другия край, простиращ се във водата, постигайки суспензия чрез пространствено препятствие или електростатично отблъскване, перфектно запазвайки присъщата проводимост на CNTs.
| Метод на модификация | Механизъм на действие | Zeta потенциал (индикатор за стабилност) | Задържане на проводимостта | Типична добавена сума |
|---|---|---|---|---|
| Смесено киселинно окисление (ковалентно) | Повърхностно присаждане на -COOH, силна хидрофилност | -40 ~ -55 mV (отличен) | 50% - 70% | Не е необходимо допълнително добавяне |
| Повърхностно активно вещество с малка молекула (SDS и др.) | Образува мицели, двоен слой отблъскване | -30 ~ -45 mV (Добър) | 80% - 90% | 0,5%-2% от масата на CNT |
| Полимерен дисперсант (PVP и др.) | Групова адсорбция на закотвяне + пространствено препятствие с дълга-верига | -45 ~ -60 mV (отличен) | 90% - 98% | 1%-5% от масата на CNT |
*Референтни данни: Лабораторни измервания на стабилност на Shandong Tanfeng New Material за 2 тегл.% CNT водни дисперсии с различни модификатори на-водна основа.*
4. Пробив на производителя: Как Shandong Tanfeng успява да избяга от мъртвия цикъл „Трудна дисперсия срещу загуба на производителност“?
Изборът на производител на източник като Shandong Tanfeng с-модификация на място и възможности за{1}}изработване на паста за директно доставяне на-базирана на вода CNT паста е оптималното решение за избягване на пробни-и-разходи за грешки при само-разпръскване и осигуряване на производителност без загуби.
Измислянето как сами да разпръснете въглеродни нанотръби във вода не само включва големи инвестиции в оборудване и опасностите от обработката с киселина, но също така много лесно причинява колебания в добива на производствената линия поради несъвместимост на системата за формулиране. Като професионален производител на CNT, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. се намесва при източника, предоставяйки на клиентите най-доброто „готово-за-използване“ решение:
Технология за-хидрофилна модификация на място:Изоставяйки силно разрушителното след{0}}третиране смесено киселинно окисление, Shandong Tanfeng въвежда специално регулиране на хидрофилен катализатор по време на етапа на CVD синтез, карайки стената на CNT тръбата да притежава присъщо микропори и-съдържащи кислород полярни групи. Това намалява междинния контактен ъгъл на твърдо-течно вещество с повече от 60%, без да се уврежда конюгираната проводима структура.
Персонализирана библиотека с водна{0}}паста: Targeting different applications such as water-based conductive coatings and water-based battery systems, Shandong Tanfeng provides customized aqueous dispersions with solid content options ranging from 1% to 10%. Using a proprietary compounded polymer steric stabilizer, the paste fineness D90 is stably maintained below 5 μm, the absolute Zeta potential value is >45 mV и няма утаяване след високо-центрофугиране при 3000 rpm за 30 минути.
Изключително проста адаптация на процеса:Използвайки пастата на водна-основа на Shandong Tanfeng, клиентите надолу по веригата вече не трябва да оборудват скъпо оборудване за ултразвукова сонда. Конвенционалните пневматични бъркалки или диспергатори с ниска-скорост могат да се използват за директно разреждане с вода, намалявайки времето за смесване на производствената линия от няколко часа до 15 минути.
Заключение
Връщайки се към първоначалния въпрос: как да диспергираме въглеродни нанотръби във вода? Насилственото използване на физическа ултразвукова обработка, за да ги разбиете, в никакъв случай не е правилният подход. Необходимо е да се разчита на силата на химическата модификация, въвеждане на хидрофилни групи или обвиване с повърхностно активни вещества, за да се отреже фундаментално пътя към вторична агломерация от термодинамичния корен. Въпреки това цената на пробата-и-грешката при самостоятелно проучване на този път е изключително висока. Най-рационалният избор е да се използва техническото натрупване на производител на източници като Shandong Tanfeng и директно да се приеме тяхната зряла предварително-диспергирана паста на водна основа. Оставете професионалистите да извършат професионалната модификация и вие просто се наслаждавайте на най-добрата производителност, предоставена от наноматериала.