Една от най-големите трудности при процеса на прах от въглеродни нанотръби в практически приложения е наистина агломерацията, а обикновеното разбъркване на сух прах обикновено може само да подобри макроскопичното смесване. Много е трудно да се дисоциират напълно стабилни CNT снопове само чрез сухо смесване с нисък интензитет.
Въглеродните нанотръби имат високо аспектно съотношение, относително големи специфични повърхностни площи и силни взаимодействия между тръбите, което ги прави склонни към образуване на снопове или агломерирани структури по време на подготовка, съхранение и транспортиране. Изследванията показват, че взаимодействията на Ван дер Ваалс между CNT насърчават образуването на снопове и агрегати, което също е дългогодишно предизвикателство за дисперсия, тъй като въглеродните нанотръби преминават от лабораторни материали към индустриални приложения. Но тук има проблем, който лесно се пренебрегва: „Равномерно разбъркване на черния прах“ ≠ „Наистина диспергиране на въглеродните нанотръби“. За фабриките това, което наистина трябва да се прецени, е:
Може ли разбъркването на сух прах да разбие CNT агломератите до целевия размер?
Могат ли CNT равномерно да влязат в матрицата?
Ще се агломерират ли отново по време на последваща обработка?
Ще бъде ли дължината на CNT съкратена по време на дисперсия?
Тези въпроси определят дали прахът от въглеродни нанотръби в крайна сметка може да изпълнява дължимите си проводими, подсилващи или електромагнитни екраниращи функции.
I. Защо въглеродните нанотръби на прах са особено склонни към агломерация?
Основната причина, поради която въглеродните нанотръби са склонни към агломерация, е комбинираният ефект от висока специфична повърхност и силни взаимодействия между тръбите, което кара отделните CNT да не желаят да останат разделени един от друг в дългосрочен план.
Въглеродните нанотръби не са обикновени сферични частици.
Те имат много специални характеристики:
Наномащабен диаметър;
Микронен мащаб или дори по-голяма дължина;
Високо съотношение на страните;
Графитизирана повърхност;
Сравнително голяма ефективна контактна площ.
Когато голям брой CNTs влязат в контакт, подобни на снопове структури лесно се образуват между тръбите. CNT образуват кристални снопове поради силно привличане на Ван дер Ваалс и това поведение на самоагрегиране е важна пречка, засягаща обработката на CNT и практическите приложения. Високата специфична повърхност, хидрофобната повърхност, силите на Ван дер Ваалс и π-π взаимодействията на CNTs ги карат да образуват агрегати или подобни на снопове структури с различни размери в много полимери и обикновени разтворители. Следователно появата на агломерация в праха от въглеродни нанотръби не означава непременно, че качеството на продукта е лошо.
Определена степен на агломерация сама по себе си е една от материалните характеристики на CNT праха.
Това, което наистина трябва да се контролира, е: колко големи са агломератите, колко здраво са свързани и дали могат да бъдат ефективно деагломерирани след влизане в крайната система.
II. Какво точно представлява „агломерацията“ в праха от въглеродни нанотръби?
Агломерацията в CNT прах не е просто няколко частици, които се слепват, но може да бъде сложна структура, образувана стъпка по стъпка от отделни тръби, подобни на снопове структури и по-големи вторични агломерати.
Може просто да се разбира като три нива:
Първо ниво: Индивидуален CNT
Това е идеалното състояние на една тръба.
Второ ниво: CNT пакет
Множество въглеродни нанотръби се подреждат една спрямо друга в определена посока, образувайки сноп.
Трето ниво: Макроскопичен агломерат
Голям брой CNT снопове допълнително се заплитат и уплътняват, образувайки видими или микронни прахообразни агломерати.
Изследванията показват, че CNT в нестабилни дисперсионни системи могат първо да образуват приблизително успоредни снопове, съдържащи около 2-6 тръби, след което допълнително да образуват триизмерни мрежови агломератни структури.
Следователно: малка черна частица, видяна от фабриката, може да не е вътрешно "частица", а голяма маса от преплетени въглеродни нанотръби.
III. Може ли разбъркването на обикновен сух прах директно да разбие въглеродните нанотръби?
Може да подобри макроскопичната еднородност, но обикновено не може напълно да дисоциира стабилни снопове CNT в идеални отделни тръби или фини структури, подобни на снопове.
Това е ключът към разбирането на "дисперсията на сух прах от въглеродни нанотръби".
Обикновеното оборудване за сухо смесване осигурява основно:
Разбъркване;
конвекция;
триене;
компресия;
Определена степен на срязване.
Може да превръща CNT прах от: Големи агломерати → Относително еднородна прахова смес. Но не е задължително да постигне допълнително: Големи агломерати → Малки агломерати → CNT снопове → Индивидуална дисперсия на ниво тръба.
Съществуващите изследвания специално сравняват механичната деагломерация на CNT в сухо състояние с мократа обработка, като посочват, че традиционното механично смесване може да използва сили като срязване, компресия и триене за разбиване на агломерати, но за плътно агломерираните MWCNT, способността за деагломерация на конвенционалните механични методи често е ограничена.
Така че, ако една фабрика каже: „Разбърквахме CNTs и праха от смола заедно в продължение на 30 минути и вече изглежда еднородно.“
Това заключение може само да посочи: Макроскопичното смесване е относително равномерно. Все още не може да се докаже: CNT са напълно разпръснати в микроскопичен мащаб.
IV. Защо разбъркването на сух прах може да изглежда равномерно, но CNT агломерати може все още да съществуват?
Тъй като макроскопичната еднородност и еднаквостта на наноразмер са две напълно различни понятия.
Например, 1 kg въглеродни нанотръби се добавя към 100 kg партида смола.
След смесване на сух прах, той може да изглежда много еднороден от контейнера за вземане на проби, цвят и визуален вид.
Но след увеличение може да съществува следното:
агломерати на ниво 10 μm;
CNT снопове на няколко μm ниво;
Местни региони с висока концентрация;
CNT мрежите не са напълно разгърнати.
Това може да се разбере със следната концепция:
| Ниво на дисперсия | Резултат от наблюдението | Представлява ли достатъчна дисперсия |
|---|---|---|
| Макроскопичен | Черен прах равномерно разпределен | ❌ Не е задължително |
| 100-1000 μm | Големите агломерати значително намаляват | ❌ |
| 1-100 μm | Агломератите допълнително намаляват | ⚠️ |
| Субмикронен мащаб | CNT снопове значително намалени | добре |
| Наномащаб | CNT напълно разгънати | Близко до идеалното състояние |
Действителната цел не е, че всички приложения трябва да постигнат "пълна дисперсия на отделните CNTs." Наистина разумната цел е да се постигне мащаб на дисперсия, който да съответства на производителността на крайния продукт.
V. Защо дисперсията на сух прах от въглеродни нанотръби е по-трудна от обикновения прах?
Високото аспектно съотношение и високата специфична повърхност на CNTs им придават по-силни тенденции за заплитане и агломерация в сравнение с обикновените сферични пълнители.
Може да се направи сравнение:
| Характеристика | Обикновен неорганичен прах | Прах от въглеродни нанотръби |
|---|---|---|
| Морфология на частиците | Приблизително гранулиран | Едномерна тръбна |
| Съотношение на страните | Обикновено ниско | Може да бъде много високо |
| Метод на контакт | Точков/лицев контакт | Контакт линия/лице, заплитане |
| Агломерационна форма | Подреждане на частици | Снопове + преплитане + мрежа |
| Трудност при деагломерация | Сравнително ниско | Обикновено по-висока |
| Ефект на сухо смесване | Сравнително лесно постигане на еднородност | Повече зависи от оборудването и процеса |
| Изисквания за мокра дисперсия | Зависи от материала | Много често |
Следователно не може просто да се приеме, че: "Нано праховете могат да бъдат решени чрез просто увеличаване на скоростта на разбъркване." Дисперсията на CNT е проблем, който се определя съвместно от вложената енергия, междуфазните взаимодействия и структурата на материала.
VI. Как да преценим дали прахът от въглеродни нанотръби е наистина диспергиран?
Не можете да гледате само цвета и визуалното наблюдение. Като минимум преценката трябва да съчетава размера на агломерата, микроскопичната морфология, вискозитета или крайната производителност.
Препоръчително е да изберете методи за тестване според приложението.
| Метод на изпитване | Какво може да се наблюдава | Подходящо за съдийство |
|---|---|---|
| SEM | Агломерати, повърхностна морфология | Твърди композитни материали |
| ТЕМ | CNT снопове, индивидуална тръбна структура | Микроскопска дисперсия |
| Размер на лазерните частици | Размер на частиците на агломерата | Течна дисперсия |
| DLS | Тенденция на размера на частиците в течна фаза | Течни системи |
| Раман | Промени в структурата/дефекта | Запазване на структурата |
| TGA | CNT и остатъчни компоненти | Композиционно спомагателно съждение |
| Тестване на вискозитета | Реологични промени | Стабилност на кашата |
| Съпротивление | Проводима мрежа | Финално представяне |
| Тестване на седиментация | Стабилност при съхранение | каша |
Сред тях крайното тестване на ефективността често е по-смислено от търсенето само на определен размер на частиците.
Защото дори ако CNT система изглежда добре разпръсната под микроскоп, ако крайната проводимост не се подобри, това не може да се счита за истински успешен процес.
VII. Какъв процес на дисперсия трябва да се използва за въглеродни нанотръби на прах?
Относително надежден подход е да се използва градуиран процес на "предварително смесване-де-агломерация-стабилизация-проверка", вместо да се използва максимална механична енергия от самото начало.
Стъпка 1: Предварително смесване
Първо позволете на CNT да установят равномерен контакт с основния материал или дисперсионна среда.
Стъпка 2: Постепенно увеличете срязването
Постепенно увеличавайте механичната енергия според степента на агломерация.
Стъпка 3: Използвайте ултразвук или смилане, когато е необходимо
За системи с течна фаза размерът на агломератите може да бъде допълнително намален чрез ултразвук, високо срязване или смилане.
Стъпка 4: Стабилизиране
Използвайте дисперсанти или методи за модифициране на повърхността, подходящи за системата, за да намалите вероятността от повторна агломерация.
Стъпка 5: Проверка
Тествайте поне:
Размер на агломерата;
вискозитет;
утаяване;
CNT дължина;
Крайно проводящо представяне.
Този подход е в съответствие с общия маршрут "смесване-ултразвук-стабилизация-проверка на ефективността" в изследванията на дисперсията на CNT. Свързаните рецензии също разглеждат механичното смесване, ултразвука и стабилизирането като основните стъпки в дизайна на CNT течна фаза/композитна дисперсия.
VIII. Трудността на дисперсията еднаква ли е за различните прахове от въглеродни нанотръби?
Не. Диаметърът на тръбата, дължината, чистотата, състоянието на повърхността и степента на агломерация влияят на крайния процес на дисперсия.
| CNT параметър | Потенциално въздействие върху дисперсията |
|---|---|
| По-малък диаметър на тръбата | Специфичната повърхност обикновено е по-висока, контролът на агломерацията може да бъде по-труден |
| По-голяма дължина | Заплитането може да е по-очевидно |
| Висока специфична повърхност | Търсенето на дисперсионна среда/дисперсант може да нарасне |
| Хидрофобна повърхност | Намокрянето с вода обикновено е по-трудно |
| По-плътна агломерация | Необходима е по-висока енергия за деагломерация |
| Повърхностна функционализация | Омокряемостта може да се подобри в определени системи |
| По-висока чистота | Не означава непременно по-лесно разпръскване |
| Различни степени на графитизация | Може да повлияе на повърхностните взаимодействия |
Следователно човек не може директно да копира нечий друг: „500 W + 30 минути“ и след това да приеме, че техните собствени CNT непременно ще постигнат същия ефект.
Параметрите на CNT дисперсията трябва да се определят в комбинация с: Спецификации на материала + Твърдо съдържание + Среда + Дисперсант + Оборудване.
IX. Като производител на въглеродни нанотръби на прах, как Shandong Tanfeng помага на клиентите да разрешават проблемите с агломерацията?
Един наистина ценен доставчик на CNT трябва не само да предоставя таблица със спецификации на праха, но също така трябва да помага на клиентите да съпоставят параметрите на материала с действителните процеси на дисперсия.
Като производител на въглеродни нанотръби на прах, Shandong Tanfeng може да се сравни с крайното приложение на клиента:
тип CNT;
Диаметър на тръбата;
Дължина;
чистота;
Специфична повърхност;
Състояние на повърхността;
Система за приложение;
Препоръчителна посока на разпръскване.
Например, ако клиентът се занимава с:
Проводими пластмаси:Основен фокус върху диаметъра на тръбата + дължината + аспектното съотношение + условията на срязване при екструдиране
Водна суспензия:Основен фокус върху омокряне + диспергиращо средство + срязване/ултразвук + стабилност
NMP система:Основен фокус върху съвместимостта на разтворителя + състояние на дисперсия + твърдо съдържание + вискозитет
Каучукова смес:Ключов акцент върху съотношението на страните + междинно свързване + процес на смесване
Следователно логиката за избор на продукти на Shandong Tanfeng може допълнително да се измести от: „Какъв модел да продадете“ към: „Какъв проблем с дисперсията трябва да реши клиентът“.
X. Дали агломерацията в праха от въглеродни нанотръби е знак за лошо качество?
Не може просто да се прецени по този начин, тъй като определена степен на агломерация в състояние на сух прах е обичайно поведение на самия материал.
Това, което наистина трябва да се разграничи е:
Нормална агломерация на прахмогат да бъдат повторно разпръснати чрез разумни процеси.
Преуплътнена агломерацияизисква значително по-висока енергия за отваряне.
Агломерация, причинена от състоянието на повърхността на материаламоже да изисква промяна на дисперсионната система.
Необратима агломерация, причинена от технологична обработкаможе вече да е повлияло на крайното представяне на продукта.
Следователно, по време на доставката, не изисквайте просто: "Прахът не трябва да има абсолютно никаква агломерация."
По-разумно изискване е: "При моята целева система и условия на процеса, какво ниво на дисперсия може да постигне прахът?"
XI. ЧЗВ
Дали агломерацията е най-голямата трудност на праха от въглеродни нанотръби?
Агломерацията наистина е една от основните трудности на процеса в индустриалните приложения на CNT, но не е единствената трудност. В допълнение към агломерацията, намокрянето, стабилността на дисперсията, запазването на аспектното съотношение, вискозитета, междинното свързване и стабилността на партидата също трябва да се вземат предвид.
Може ли разбъркването на сух прах директно да разруши въглеродните нанотръби?
Може да подобри макроскопичното смесване, но обикновеното разбъркване на сух прах обикновено не може да гарантира пълна дисоциация на плътно свързани снопове CNT. Ако крайният продукт има високи изисквания за микроскопична дисперсия, обикновено е необходимо допълнително силно срязване, смесване в стопилка или мокра дисперсия.
Защо въглеродните нанотръби са склонни да образуват агломерати?
Основно свързани със силни взаимодействия на ван дер Ваалс между тръбите, висока специфична повърхност и едномерна структура с високо аспектно съотношение.
Може ли ултразвукът напълно да разреши CNT агломерацията?
Не може да се гарантира. Ултразвукът може значително да подобри дисперсията в течна фаза, но ефектът зависи от спецификациите на CNT, средата, диспергатора, концентрацията и вложената енергия, а прекомерният ултразвук може да причини намаляване на дължината на CNT.
По-фината дисперсия на въглеродните нанотръби винаги ли е по-добра?
Не. Трябва да се намери баланс между намаляването на агломератите, стабилността на дисперсията, проводящата мрежа и запазването на дължината на CNT.
За какви приложения е подходящо CNT сухото смесване?
Сухото смесване е сравнително подходящо за предварително смесване на прах, сухо смесване на полимер, мастербач и някои пътища за обработка на прах. Ако крайният продукт е водна или NMP суспензия, обикновено са необходими дисперсионни процеси в течна фаза.
Как да преценя дали CNT прахът се разпръсква лесно?
Не можете да гледате само чистотата. Препоръчва се едновременно да се сравняват диаметърът на тръбата, дължината, специфичната повърхност, състоянието на агломерация на праха и да се изисква от доставчиците да предоставят TEM/SEM и данни от теста за дисперсия за целевата система.
Може ли Shandong Tanfeng да предостави препоръки за дисперсия?
да Могат да бъдат осигурени съответните препоръки за съвпадение на продукта и процес на дисперсия въз основа на диаметъра на тръбата, дължината, чистотата на CNT праха и водната, NMP, смолата или други системи за приложение на клиента.
Въглеродните нанотръби не са „трудни за равномерно разбъркване“ – по-скоро какво означава истинска дисперсия трябва да бъде правилно разбрано
Агломерирането на прах от въглеродни нанотръби е типично предизвикателство при обработката, породено от неговата наноструктура, а обикновеното разбъркване на сух прах решава основно макроскопичната еднородност, която не може автоматично да се равнява на деагломерация на наномащаб.
За някои проводими пластмаси, прахообразни композитни материали и процеси на мастербач: Сухо смесване → Високо срязване/екструзия → Крайната обработка може напълно да се превърне в разумен път.
За водни, NMP и други течни системи: Предварително намокряне → Високо срязване → Ултразвук/смилане → Стабилизиране → Проверката на ефективността обикновено е по-подходяща.
И един наистина отличен процес на дисперсия на CNT не е: "Разбиване на CNT възможно най-фино." Но по-скоро: "Използване на достатъчно енергия за отваряне на нежелани агломерати, като същевременно се запазва ефективната дължина и структура на CNTs колкото е възможно повече."
Това е и най-забележителният момент при закупуване на въглеродни нанотръби, параметрите на прахообразния материал определят началната точка, а процесът на дисперсия определя дали производителността на материала наистина може да бъде освободена.
Като производител на прах от въглеродни нанотръби, Shandong Tanfeng, в допълнение към предоставянето на прах от въглеродни нанотръби с различни спецификации, може също така да съпостави материали с размери като диаметър на тръбата, дължина, чистота, специфична повърхностна площ и система за целева дисперсия според крайното приложение на клиента. За клиенти, които се нуждаят от приложения на вода, NMP, смесване на смола или проводяща пластмаса, вместо просто да сравняват „прахът на коя компания е по-евтин“, по-препоръчително е директно да сравнят състоянието на агломерация, количеството на добавяне, проводимата производителност и стабилността на партидата при един и същ процес на дисперсия.
Истинската стойност на праха от въглеродни нанотръби не се крие в това колко еднороден изглежда самият прах, а в това дали може да образува ефективна функционална мрежа с подходяща структура, след като влезе в крайния продукт.