В областта на високо{0}}проводимите пластмаси, електродите за литиеви батерии и усъвършенстваните покрития, въглеродните нанотръби (CNT) са се превърнали в незаменими наномащабни добавки благодарение на техните отлични механични и електрически свойства. По време на действителната обработка обаче инженерите често се сблъскват с фатална болезнена точка: какво да правят с не-равномерната дисперсия на въглеродните нанотръби? Поради изключително високото си аспектно съотношение и силните между{3}}тръбни ван дер Ваалсови сили, CNT са много склонни да се заплитат в снопове, образувайки плътни агломерати. След като дисперсията се провали, не само не може да се формира ефективна три-измерна проводяща мрежа, но агломератите също се превръщат в точки на концентрация на напрежение в материала, което води до рязко покачване на локалното съпротивление и драматичен спад в механичните свойства. Тази статия ще анализира задълбочено основната логика на повредата на дисперсията и ще предостави практически инженерни решения.
1. Основна причина: Защо въглеродните нанотръби винаги се слепват заедно?
Основната причина за не-равномерното разпръскване на въглеродните нанотръби се крие в тяхното изключително високо аспектно съотношение и необратимата агломерация, причинена от силни между{1}}тръбни ван дер Ваалсови сили.
От физикохимична гледна точка, повърхностната енергия на отделен CNT е изключително висока. За да се доближи до термодинамична стабилност, системата неизбежно се агломерира, за да намали повърхностната енергия. Съответната литература посочва, че специфичната повърхност на много-стенните въглеродни нанотръби обикновено е между 200-400 m²/g. След като разстоянието между тръбите намалее до около 0,34 nm, привличането на Ван дер Ваалс може да достигне няколко електронволта на нанометър. Това привличане далеч надхвърля силата на срязване, осигурена от конвенционалното механично разбъркване, което прави фундаментално невъзможно обикновените процеси на смесване да ги разплитат. В допълнение, неизбежните дефекти и аморфни въглеродни примеси в CNT по време на синтез също действат като "свързващи вещества", изостряйки образуването на твърди агломерати.
2. Физическа механична де-агломерация: Как да изберем срязващо и ултразвуково оборудване?
Методът на физическа дисперсия включва насилствено въвеждане на енергия с висока-плътност отвън, за да се прекъсне физическото заплитане между тръбите, и е необходимият начин за постигане на предварителна де-агломерация.
Когато сме изправени пред дилемата за не-равномерна дисперсия на въглеродни нанотръби, физическият метод е първата стъпка. Обичайните методи включват ултразвукова дисперсия и смилане с висока-нарязваща сила. Ударната сила на микро-струята, генерирана от ултразвукова кавитация, може да достигне стотици MPa, като ефективно отделя заплетени снопове CNT. Три{6}}фрезовото фрезоване, от друга страна, осигурява интензивна сила на срязване чрез прецизно регулиране на междината на ролките. Въпреки това е важно да сте наясно, че прекомерното ултразвук може да разруши CNT, намалявайки съотношението им и вместо това отслабвайки техните проводими и подсилващи ефекти.
| Дисперсионно оборудване | Механизъм на действие | Срязване/енергийна плътност | Еднократно време за третиране | Риск от счупване на CNT | Приложима система |
|---|---|---|---|---|---|
| Ултразвукова сонда | Кавитационно микро{0}}струйно въздействие | Extremely high (>1000 W/cm²) | 10-30 мин | High (aspect ratio loss >30%) | Малки партиди лабораторни суспензии |
| Мелница с три{0}}ролки | Механично изстискване и срязване | High (linear speed difference >10 m/s) | 3-5 цикъла | Средна (силна управляемост) | Смоли/силикони с висок{0}}вискозитет |
| Високо{0}}скоростен разпръсквач | Макроскопична конвекция и разкъсване | Средно-ниско | 60-120 мин | Изключително ниско | Предварително-смесване на разтвор с нисък вискозитет |
3. Химическа повърхностна модификация: Как да постигнем-дълготрайна стабилна дисперсия без утаяване?
Химическата повърхностна модификация е основното средство за инхибиране на вторичната агломерация на въглеродни нанотръби и постигане на дългосрочна-стабилна дисперсия.
Физическата дисперсия е принудителна де{0}}агломерация. След като внасянето на енергия спре, CNT бързо ще претърпят вторично заплитане. Следователно основното решение на проблема с не-равномерната дисперсия на въглеродните нанотръби се крие в повърхностната модификация. Това се разделя главно на модификация на ковалентна връзка и покритие с не-ковалентна връзка. Въпреки че модификацията на ковалентната връзка (като въвеждане на карбоксилни групи чрез смесено киселинно окисление) може значително да подобри хидрофилността, тя разрушава sp² хибридната конюгирана структура, причинявайки 20%-50% намаление на присъщата проводимост. Модифицирането на не-ковалентна връзка (като добавяне на повърхностноактивни вещества SDS, SDBS или полимерни диспергатори) използва π-π ефекти на натрупване или пространствени възпрепятствания, за да се постигне стабилна дисперсия, без да се разрушава структурата на стената на тръбата.
| Метод на модификация | Механизъм на действие | Задържане на проводимостта | Стабилност на дисперсия (след 30 дни престой) | Увеличаване на разходите | Сложност на процеса | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Смесено киселинно окисление (ковалентно) | Въвежда -OH/-COOH хидрофилни групи | 50%-70% | отличен ( | Зета потенциал | >40 mV) | ниско | Висок (изисква пране до неутрално) |
| Повърхностно активно вещество (не-ковалентно) | Намалява повърхностното напрежение / двойното отблъскване на слоя | 80%-90% | Добър (лесно се влияе от температура/pH) | ниско | ниско | ||
| Полимерен дисперсант (не{0}}ковалентен) | Стерично препятствие и групи за закрепване | 90%-98% | Отлично (почти без слягане) | Сравнително високо | Среден |
Референтни данни: Тестове за проводимост и стабилност от лабораторията за нови материали Shandong Tanfeng за различни модификатори в системи от епоксидни смоли.
4. Системно съпоставяне и образуване на паста: Как да избегнем дисперсионни задънени улици от източника?
Приготвянето на CNT в диспергирана паста, която е силно съвместима с матрицата надолу по веригата, е оптималният път за преминаване на прага на индустриално приложение.
На действителните производствени линии директното добавяне на CNT сух прах към матрица и смесването е често срещана грешка, която води до повреда на дисперсията. Разтворителите и смолите с различни полярности имат значително различни способности за омокряне на CNT. Например не-полярните PE/PP смоли изобщо не могат да намокрят полярните-модифицирани CNT. Следователно приемането на стратегия за „пред-дисперсия“ -Предварително де-агломериране на CNTs в специфичен разтворител или мономер за приготвяне на мастербач или паста с висока-концентрация и след това разреждане и смесване - може да подобри ефективността на дисперсията повече от три пъти.
5. Предимства на директните доставки от производителя: Как Shandong Tanfeng решава дисперсионните трудности на индустрията?
Изборът на производител на източник с-възможност за модификация на място и директно получаване на предварително-разпръснати продукти е най-доброто решение за намаляване на пробните-и-разходи за грешки и осигуряване на стабилност на партидата.
Изправени пред смесеното качество на CNT продуктите на пазара, много предприятия надолу по веригата са хванати в блатото на „купеният прах не може да бъде разпръснат“. Като опитен местен производител на CNT, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. се намесва в дизайна на дисперсията от края на синтеза, притежавайки незаменими основни предимства:
Технология за-модифициране на място:По време на етапа на синтез на CVD, чрез регулиране на катализатора и оптимизиране на температурното поле, първоначалната сила на заплитане между тръбите се намалява, като фундаментално се намаляват твърдите агломерати. Времето за ултразвукова дисперсия е съкратено с 40% в сравнение с конвенционалния търговски прах.
Персонализирана библиотека за поставяне:Shandong Tanfeng не само осигурява високо{0}}качествен сух прах, но и различни предварително-диспергирани пасти, включително водна-базирана, маслена-базирана (NMP/DMF) и -базирана смола. Твърдото съдържание на пастата може да се контролира прецизно, със стабилен размер на частиците D90 под 5 μm и без твърдо утаяване след 6 месеца престой.
Количествен контрол на качеството:Разчитайки на платформата на Лабораторията за нови материали на провинция Шандонг, всяка партида CNTs, изпратена от Shandong Tanfeng, е придружена от морфологични изображения на ТЕМ, XRD анализ на чистотата и криви на ротационен вискозитет, гарантирайки, че флуктуацията на съпротивление от партида-към-партида е<5%, providing downstream customers with a "ready-to-use" experience.
Заключение
Връщайки се към първоначалния въпрос: какво да правим с не-равномерната дисперсия на въглеродните нанотръби? Това в никакъв случай не е прост проблем, който може да се реши само с пускането на още няколко миксера в сервиза. Това е систематичен инженерен проект, включващ термодинамика, механика на флуидите и химия на повърхността. От разпознаването на механизма на агломерация до разумното комбиниране на физическо срязване и химическа модификация до въвеждането на зряла предварително-диспергирана паста - всяка стъпка изисква подкрепа от научни данни. Когато работим с въглеродни нанотръби,-задълбоченото сътрудничество с производител на източници като Shandong Tanfeng, който разбира приложенията и може да предостави персонализирани решения за дисперсия, несъмнено е прекият път за наистина позволяване на наноматериалите да упражняват своята ефективност от „наномащаб“.