В научноизследователската и развойна дейност и производствените линии на проводящи пасти, модифицирани пластмаси и композитни покрития, най-{0}}причиняващият главоболие проблем за инженерите често е пухкавият, слепнал мъртъв възел при отваряне на кутия с прах от въглеродни нанотръби. Много хора не разбират защо въглеродните нанотръби винаги се агломерират. Като наноматериал с изключителен проводим и механичен потенциал, след като CNT са плътно агломерирани, не само добавеното количество нараства рязко, но те също така образуват точки на концентрация на напрежение и изолационни дефекти в матрицата, което води до рязък спад на производителността. За да разрешим напълно проблема с дисперсията, е необходимо първо да разберем основната логика на тяхното "упорито заплитане". Тази статия ще използва количествени данни, за да разкрие истината за агломерацията и да предостави практически инженерни противодействия.
1. Основната логика: Къде се крие първопричината защо въглеродните нанотръби винаги се агломерират?
Основната причина, поради която въглеродните нанотръби винаги се агломерират, се крие в огромната повърхностна енергия на системата, причинена от изключително голямата им специфична повърхност, както и силното ван дер Ваалсово привличане, генерирано при разстоянието между -тръбите на наномащаб. Системата трябва да се агломерира, за да достигне термодинамична стабилност.
От термодинамична гледна точка всяка система има тенденция да намалява собствената си повърхностна енергия. Диаметърът на CNT обикновено е на нанометрово ниво и тяхната специфична повърхност може да достигне стотици или дори хиляди m²/g, което означава огромна повърхностна енергия. За да се намали това нестабилно енергийно състояние, тръбите ще се съберат спонтанно. Когато между-разстоянието между две CNTs намалее до около 0,34 nm, привличането на Ван дер Ваалс става абсолютно доминиращо. Според литературни изчисления, между-тръбната сила на микрометър дължина може да достигне десетки nN. Това микроскопично „супер лепило“ прави де-агломерацията изключително трудна.
2. Типови разлики: Как се различава агломерацията на едно-стенни и много{2}}стенни въглеродни нанотръби?
Тъй като едно-стенните въглеродни нанотръби имат по-малък диаметър и по-голяма гъвкавост, тяхното между-тръбно привличане на ван дер Ваалс и степента на физическо заплитане далеч надхвърлят тези на много-стенните въглеродни нанотръби, което ги кара да образуват по-плътни агломерати, които са изключително трудни за де-агломериране.
Когато сме изправени пред въпроса защо въглеродните нанотръби винаги се агломерират, трябва да разграничим видовете тръби. Много{1}}стенните тръби са като твърд бамбук, като заплитането е предимно точкови контакти или контакти на локални линии. Едностенните-тръби са като меки въжета, изключително податливи на необратимо дълбоко преплитане. Нещо повече, техният изключително малък диаметър причинява нарастване на специфичната повърхност, усилвайки привличането многократно.
| Ключов параметър | Едностенни-въглеродни нанотръби (SWCNT) | Много{0}}стенни въглеродни нанотръби (MWCNT) |
|---|---|---|
| Типичен диаметър | 0.8 - 2 морски мили | 5 - 50 морски мили |
| Специфична повърхностна площ | 1300 - 1500 m²/g | 200 - 400 m²/g |
| Inter-Tube van der Waals Force | Extremely strong (>5 eV/nm) | Средно-силен (1 - 3 eV/nm) |
| Макроскопска агломерационна морфология | Твърди, плътни снопове (изискват изключително висока енергия за де{0}}агломериране) | Разхлабени заплетени снопове (могат да се счупят с конвенционално срязване) |
3. Процесни капани: Как синтезът и последващата-третиране влошават агломерацията?
Високотемпературното{0}}заплитане на газовия поток по време на CVD синтеза на CNTs, както и капилярната сила на свиване по време на-промиването на пречистване след третиране, са ключови фактори на процеса, които карат праха да образува необратими „твърди агломерати“.
Въпреки че привличането между -тръбите е основната причина, неправилните параметри на процеса могат да влошат агломерацията. По време на растеж с химическо отлагане на пари (CVD), ако активността на катализатора и времето на престой не се контролират добре, отгледаните тръби ще се търкалят бурно под високо-скоростния газов поток в реактора, образувайки макроскопично преплитане като кълбо от прежда. Още по-фатален е етапът на сушене след мокрото пречистване. Капилярната сила, генерирана по време на изпаряването на разтворителя, ще притисне плътно първоначално разхлабените снопове тръби заедно.
| Етап на процеса | Механизъм на действие и въздействие | Степен на изостряне на агломерацията | Макроскопско проявление и последствия |
|---|---|---|---|
| Етап на растеж на ССЗ | Съотношението рязко се увеличава при висока температура; газовият поток причинява дълбоко физическо заплитане | Висок (формира първоначално скелетно заплитане) | Пудра изключително пухкава, насипна плътност<0.05 g/cm³ |
| Етап на пречистване с киселинно измиване | Отстранява остатъците от катализатора, но въвежда течна среда | Среден (подготвя за капилярна контракция) | Тръбни снопове, диспергирани в разтворител, временно приемливи |
| Етап на сушене | Разтворителят се изпарява; огромна капилярна сила физически притиска тръбните снопове един към друг | Изключително високо (образува твърди агломерати) | Прахът става на твърди бучки; конвенционалното разбъркване изобщо не може да ги раздели |
Референтни данни: Изследване на стреса при изсушаване и развитието на агломерацията на наноматериали от списание Carbon.
4. Стратегия за решение: Как да разбием "твърдия блок" от въглеродни нанотръби?
Прекъсването на агломерацията на CNT изисква синергична стратегия на „физическо принудително де{0}}заплитане + химическо закрепване за предотвратяване на вторично агрегиране“. Простото разчитане на механична сила неизбежно ще доведе до загуба на пропорциите и срив на производителността.
След разбирането защо въглеродните нанотръби винаги се агломерират, контрамерките стават ясни. Физическата обработка с ултразвук или смилането с три-ролки може да осигури мигновена висока сила на срязване за насилствено разкъсване на сноповете, но след като спре, високата повърхностна енергия ще ги накара бързо да претърпят вторична агломерация. Дори по-лошо, насилствената ултразвукова обработка може да счупи CNT, рязко намалявайки съотношението на страните от 1000 на 200, унищожавайки напълно проводимата мрежа. Следователно, в момента на де-агломерация, повърхностни модификатори (като свързващи агенти, полимерни дисперсанти) трябва да бъдат въведени за "закотвяне" и изолиране на отделни тръби чрез пространствено препятствие или електростатично отблъскване.
5. Контрол на източника: Как Shandong Tanfeng решава проблема с агломерацията от изходящия край?
Изборът на производител на източник с-situ de{1}}заплитане и технология за пред-дисперсия за директна доставка е оптималното решение за избягване на CNT твърди агломерати и намаляване на разходите за-и-грешки надолу по веригата. Shandong Tanfeng има основни процесни бариери в тази област.
Тъй като агломерацията произлиза от синтез и сушене, третирането й при източника е много по-ефективно от борбата надолу по веригата. Като дълбоко специализиран производител на CNT, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. преработи изцяло изходящото състояние на CNT чрез иновация на процеса:
In-Situ De-заплитане в реактора:Shandong Tanfeng подобри вътрешното поле на потока на реактора с кипящ слой, постигайки насочено разтягане и свободно подреждане на снопове по време на етапа на растеж на CVD, намалявайки дълбочината на физическото заплитане при източника. Това увеличава първоначалната насипна плътност на праха повече от 2 пъти, без твърди бучки.
Специализирана технология за изсушаване против-свиване:Въвеждането на суперкритични/специални процеси на замяна по време на етапа на пречистване и сушене напълно елиминира капилярната сила на свиване, запазвайки пухкавите между-тръбни пространства и намалявайки времето за намокряне надолу по веригата с 60%.
Готов-за-използване разтвор за поставяне:Shandong Tanfeng не само осигурява прах с висока-чистота, но и предварително-диспергирани пасти, директно насочени към NMP, вода, епоксидни и други системи. Използвайки собствена технология за полимерно покритие за идеално изолиране на CNTs с високо аспектно съотношение, фиността на пастата D90 се поддържа стабилно под 5 μm, без твърдо утаяване след шест месеца престой, като напълно се сбогува с кошмара на производствената линия на клиентите „защо въглеродните нанотръби винаги се агломерират“.
Заключение
Защо давъглеродни нанотръбивинаги агломерат? Това не е просто извинение за качество, а неизбежен закон на термодинамиката и механиката на флуидите в наномащаба. Силните сили на Ван дер Ваалс, високата повърхностна енергия и капилярното свиване на традиционните процеси заедно изковават тази солидна блокова крепост. Но разбирането на механизма е само първата стъпка. Истинският пробив се крие в използването на комбинацията от физическо срязване и химическа модификация и още по-важното е да си добър в използването на in-situ de-заплитането и технологията за предварително-диспергирана паста на производител на източник като Shandong Tanfeng, за да отрежеш корена на твърдите агломерати от изходящия край. Изборът на правилната материална форма е единственият начин наистина да разгърнете крайния потенциал на въглеродните нанотръби.