В изследването и разработването на модифицирани пластмаси, захранващи батерии и специални покрития, въглеродните нанотръби са наистина „промишлена добавка“ за подобряване на производителността. Много инженери обаче се провалят от самото начало: добавянето на твърде малко няма ефект, добавянето на твърде много не само води до скок на разходите, но също така причинява слепване на праха, което води до неуспешна обработка. Какво е подходящото количество въглеродни нанотръби? Това в никакъв случай не е число, определено чрез предположения, а твърд индикатор, определен от прага на просмукване на науката за материалите и реологията. Сляпото подреждане на материала ще бъде само контрапродуктивно. Днес ще използваме реални количествени данни, за да демонтираме напълно добавеното количество в различни сценарии.
1. Основната логика: Защо повече въглеродни нанотръби не винаги са по-добри?
Добавеното количество въглеродни нанотръби трябва да надвиши "прага на просмукване", за да се образува проводяща мрежа, но след превишаване на прага, подобрението на производителността има намаляваща възвръщаемост и вискозитетът на системата ще се увеличи експоненциално, сериозно влошавайки обработваемостта.
За да разберете какво е подходящото количество въглеродни нанотръби, първо трябва да разберете теорията за просмукване. Когато добавеното количество е много ниско, тръбите са изолирани в матрицата и не провеждат електричество. Когато добавеното количество достигне критична точка (прага на просмукване), тръбите незабавно се припокриват, за да образуват три-измерна проникваща мрежа и проводимостта скача с няколко порядъка. Въпреки това, след като преминете тази инфлексна точка и продължите да добавяте материал, увеличаването на проводимостта става много постепенно, но заплитането, причинено от наночастиците с високо-аспектно-съотношение, ще доведе до рязко покачване на вискозитета на системата. При процесите на шприцоване или екструдиране високото количество на добавяне означава изключително голям въртящ момент на винта, много слаба течливост и силно крехкост.
| Диапазон на добавената сума | Проводимо състояние на мрежата | Макроскопска промяна на проводимостта | Увеличаване на вискозитета на системата | Обработка и механично въздействие |
|---|---|---|---|---|
| Под прага (<0.5%) | Изолирани острови, несвързани | Изолатор (<10⁻⁸ S/m) | Много малък | Отлична течливост, без ефект на подсилване |
| Зона на просмукване (0,5-2%) | Мигновено проникване в мрежата | Експоненциален скок (10⁻4~10¹ S/m) | Увеличение от 50%-100% | Течливостта започва да намалява, ниво на анти{0}}статичност |
| Overload Zone (>3%) | Мрежово резервиране и припокриване | Бавно нарастване (период на плато) | Surge of >300% | Изключително трудна за обработка, крехкост на смолата, концентрация на напрежение |
2. Сценарий за проводяща пластмаса: Как точно да позиционирате анти{1}}статични и проводими степени?
В проводимите пластмаси добавеното количество много{0}}стенни въглеродни нанотръби обикновено е между 1%-5%, докато едностенните въглеродни нанотръби изискват само 0,05%-0,5%. Прекомерното добавяне сериозно ще влоши якостта на удар и повърхностния блясък на пластмасата.
Що се отнася до подходящото количество въглеродни нанотръби, пластмасовата модификация е най-типичният тестов терен. Различните цели за съпротивление определят количеството на добавяне. За постигане на анти{2}}ниво на статично електричество (10⁶-10⁹ Ω/sq), 1-2% MWCNT са достатъчни. За постигане на ниво на електромагнитно екраниране (<10² Ω/sq), 3-5% is needed. However, it must be noted that when the MWCNT addition amount exceeds 4%, the notched impact strength of most engineering plastics (such as PC, PA) will drop sharply by more than 30%, and the surface of injection-molded parts will become rough and matte.
| Целево ниво на ефективност | Повърхностно съпротивление | Препоръчителна добавка MWCNT | Препоръчителна добавка SWCNT | Въздействие върху механичните свойства |
|---|---|---|---|---|
| Анти{0}}статичен клас | 10⁶ - 10⁹ Ω/кв | 1.0 - 2.0 тегл.% | 0.05 - 0.2 тегл.% | Леко, якостта на опън леко се увеличава |
| Проводим клас | 10³ - 10⁶ Ω/кв | 2.0 - 3.5 тегл.% | 0.2 - 0.5 тегл.% | Средна, силата на удар започва да намалява |
| Степен на електромагнитно екраниране | < 10³ Ω/sq | 4.0 - 8.0 тегл.% | 0.5 - 2.0 тегл.% | Тежки, материалът става крехък, труден за обработка |
Референтни данни: Данни от лабораторни тестове за двушнекова екструзия Shandong Tanfeng New Material- в компютърна матрица.
3. Проводима добавка за литиева батерия: Къде е граничната разлика между 0,02% и 1%?
В катодите на литиевите батерии добавеното количество на едно-стенни въглеродни нанотръби обикновено е 0,02%-0,1%, а много-стенни въглеродни нанотръби е 0,5%-1,5%. Твърде ниското не може да изгради проводяща мрежа на дълги разстояния, докато твърде високото ще измести пространството за активен материал и изключително ще влоши характеристиките на покритието на електродите.
Когато се борим с това какво е подходящото количество добавяне на въглеродни нанотръби в областта на литиевите батерии, по същество това е игра между "енергийна плътност" и "електронна проводимост". Самите въглеродни нанотръби не съхраняват литий; добавянето на твърде много индиректно намалява дела на катодния прах (LFP/NCM), като директно намалява капацитета на батерията. В допълнение, високата концентрация на CNTs ще накара суспензията да развие силна тиксотропия, което прави покритието на електрода много податливо на драскотини или пукнатини при изсъхване.
| Система за катоден материал | Проводима добавка | Тип CNT и добавена сума | Намаляване на съпротивлението на електродния лист | Вискозитет на кашата/Ефективност на покритието |
|---|---|---|---|---|
| Литиево-железен фосфат (LFP) | SP + MWCNTs | MWCNT 0.8 - 1.2 тегл.% | Намаление от 40%-50% | Умерено, конвенционално покритие |
| Троен материал (NCM811) | SP + MWCNTs | MWCNT 0.5 - 0.8 тегл.% | Намаление от 30%-40% | Добър, лесен за разнасяне |
| Високо-никел/силиций-въглерод | SP + SWCNTs | SWCNT 0.02 - 0.1 тегл.% | Намаление от 60%-80% | Нисък вискозитет, трябва да се контролира желирането |
4. Покрития и лепила: Изключителната{1}}война-между вискозитета и проводимостта
В течни системи с нисък-вискозитет (като покрития-на водна основа, епоксидни лепила), добавянето на повече от 1,5% въглеродни нанотръби много лесно причинява желиране и бракуване. Необходимо е да се разчита на високо аспектно съотношение и технология за пред-дисперсия, за да се контролира количеството на добавяне в рамките на безопасния диапазон от 0,5%-1,5%.
Толерантността на системите с течна смола е много по-ниска от тази на пластмасите. Без мощното срязване на дву-шнеков екструдер, високите добавки на CNTs в течности с нисък-вискозитет много лесно се подлагат на утаяване или образуват мрежест гел, което кара смолата директно да се превърне в „черно тесто“, което не може да се пръска. В този момент какво е подходящото количество въглеродни нанотръби? Отговорът е да използвате възможно най-малко тръби с високо-аспектно-съотношение. Например, само 0,1% от SWCNT могат да направят епоксидната смола проводима, докато MWCNT може да се наложи да се добавят до 1%, за да се постигне същия ефект, а 1% от MWCNT вече е удвоил вискозитета.
5. Пробив на производителя: Как Shandong Tanfeng ви помага да постигнете по-добра производителност с по-малко добавки?
Изборът на производител на източник като Shandong Tanfeng с високо-персонализиране-съотношение и технология за производство на паста-може значително да намали прага на просмукване на композитния материал, постигайки изключително висока проводимост и механична производителност с много малко добавено количество, напълно избягвайки риска от влошаване на обработката.
Ако винаги сте в капан, като нямате ефект с твърде малко добавяне и не можете да обработвате с твърде много, проблемът вероятно е в самата суровина. Недостатъчно аспектно съотношение, твърде ниска чистота и невъзможност за диспергиране ще доведат до това действителният праг на просмукване да бъде много по-висок от теоретичната стойност, което ви принуждава непрекъснато да добавяте повече материал. Като професионален производител на CNT, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd., чрез фундаментална технология, ви помага да увеличите допълнителното количество до лимита:
Персонализиране с ултра{0}}високо съотношение: The percolation threshold is inversely proportional to the aspect ratio. Through precise catalysis, Shandong Tanfeng provides multi-walled/single-walled carbon nanotubes with an aspect ratio >1000. При същото количество на добавяне, вероятността за припокриване се увеличава с повече от 3 пъти, което позволява количеството на добавяне на MWCNT в LFP акумулаторната система да бъде намалено от 1,2% на 0,6%, като същевременно се поддържа изключително ниско съпротивление на електродния лист.
Изваждане с ултра-висока чистота:Остатъците от метални катализатори са виновникът, който разрушава проводящата мрежа и причинява само{0}}разреждане на батерията. Shandong Tanfeng използва специален процес на пречистване, постигайки MWCNT чистота над 99,9%. Без примеси, които "заемат място", ефективното добавено количество е по-чисто.
Готов-за-използване разтвор за поставяне:За да елиминира напълно „фалшивото високо добавяне“, причинено от агломерацията на прах, Shandong Tanfeng предоставя предварително-диспергирани пасти за NMP разтворители, водни-системи и системи от чиста смола. Размерът на диспергираните частици на микрон-ниво (D90<5 μm) ensures that every gram of CNTs in the formulation is playing its role, helping you painfully squeeze out a 5%-10% profit margin on the formulation sheet.
Заключение
Връщайки се към основния въпрос, какво е подходящото количество въглеродни нанотръби? Отговорът в никакъв случай не е просто 1% или 2%, а точна критична стойност, съвместно определена от пропорциите, полярността на матрицата и методите на обработка. Можете да спрете след преминаване на прага на просмукване; сляпото добавяне на повече материал ще има само обратен ефект от вискозитета и крехкостта. За да постигнете наистина „следи от количества с висока ефективност“, разчитането на високо-аспектно-съотношение, висока-чистота и предварително-диспергирани пастообразни продукти, предоставени от производител на източник като Shandong Tanfeng, е оптималното решение за излизане от блатото на „добавяне на количество без добавяне на ефективност“.