Uz ūdens -vadošu pārklājumu, jaunu litija akumulatoru ūdens- bāzes saistvielu vai termiski vadošu dzesēšanas plēvju pētniecības un izstrādes un ražošanas līnijās oglekļa nanocaurules ir ļoti iecienītas, pateicoties to vislabākajiem vadošajiem un siltumvadītajiem tīkliem. Tomēr inženieri bieži paklūp jau pirmajā ražošanas posmā: kā izkliedēt oglekļa nanocaurules ūdenī? Skatoties uz peldošajiem melnajiem flociņiem vārglāzē un cietajiem nogulumiem apakšā, neskaitāmi cilvēki krīt izmisumā. Spēcīgās hidrofobitātes un starp-cauruļu van der Vālsa spēku dēļ CNT uzreiz, nonākot ūdenī, saliekas kopā, un parastā maisīšana nemaz nevar izveidot vienmērīgu ūdens dispersiju. Šis raksts tieši pievērsīsies šim sāpīgajam punktam, izmantojot pamatdatus, lai izjauktu oglekļa nanocauruļu ūdens dispersijas loģiku.
1. Dilemmas izsekošana: kāpēc oglekļa nanocaurules ļoti viegli saspiežas un nogrimst ūdenī?
Galvenais iemesls, kāpēc oglekļa nanocaurules ļoti viegli aglomerējas un izgulsnējas ūdenī, ir to ārkārtīgi augstā virsmas hidrofobitāte un spēcīgais van der Vālsa pievilcības starp{0}}caurules, kas padara sistēmu ļoti termodinamiski nestabilu.
CNT caurules siena veidojas, velmējot sp² hibridizētas grafēna loksnes, un šī ļoti polarizētā konjugētā virsma pēc būtības ir hidrofoba. Kad nemodificētu CNT pulveri ielej ūdenī, ūdens molekulas nevar izplatīties un samitrināt caurules sieniņu, un milzīgais saskarnes spriegums atgrūž ūdeni. Tajā pašā laikā, lai samazinātu ārkārtīgi augsto virsmas enerģiju, caurules cieši pielīp viena otrai ar spēcīgu van der Vālsa spēku palīdzību. Salīdzinot ar organiskajiem šķīdinātājiem (piemēram, NMP), ūdens augstais virsmas spraigums (~ 72 mN/m) padara šo termodinamiski nestabilo stāvokli vēl grūtāku.
| Šķīdinātāju sistēma | Virsmas spraigums | CNT mitrināmība | CNT dispersijas stāvoklis | Stabilitātes ilgums |
|---|---|---|---|---|
| Dejonizēts ūdens | 72,8 mN/m | Very poor (contact angle >120 grādi) | Ātra salipšana un nogrimšana | <10 minutes |
| Etanols | 22,0 mN/m | Vidēja | Var uz laiku apturēt | Vairākas stundas |
| NMP | 40,7 mN/m | Lieliski (labs šķīdinātājs) | Viegli izkliedējams atsevišķās caurulēs | No vairākām dienām līdz vairākām nedēļām |
2. Fiziskā ultraskaņa: kāpēc tā saplīst caurules, bet joprojām izraisa nogrimšanu?
Lai gan fiziskā ultraskaņa var nodrošināt tūlītēju lielu{0}}bīdes kavitācijas spēku, lai piespiedu kārtā saplēstu CNT saišķus, tā nevar mainīt to hidrofobisko raksturu, un, kad tā tiek pārtraukta, neizbēgami notiek strauja sekundāra aglomerācija.
Saskaroties ar problēmu, kā izkliedēt oglekļa nanocaurules ūdenī, daudzi cilvēki pirmā reakcija ir izmantot ultraskaņu. Sonikatora zondes kavitācijas efekts patiešām var radīt simtiem MPa mikrostrūklas triecienu, sadalot sapinušos kūļus. Bet problēma ir tā, ka tikko salauztajiem hidrofobajiem CNT ir ārkārtīgi augsta virsmas enerģija un tie ir ārkārtīgi aktīvā stāvoklī ūdenī; brīdī, kad ultraskaņa apstājas, viņi nekavējoties meklē kompanjonus, lai atkal saliptu kopā. Vēl nāvējošāk ir tas, ka ultraskaņas laika pagarināšana, lai panāktu izkliedes efektu, tieši sagriezīs CNT, izraisot malu attiecības kritumu no tūkstošiem līdz desmitiem, pilnībā iznīcinot vadošo tīklu.
| Fizikālās dispersijas metode | Darbības mehānisms | Enerģijas blīvums | Bojājums malu attiecībai | Laiks līdz sekundārajai aglomerācijai un nogrimšanai |
|---|---|---|---|---|
| Mehāniskā maisīšana | Makroskopiskā bīdes konvekcija | Zems (<10 W/cm³) | Gandrīz neviens | Nogrimst uzreiz pēc apstāšanās |
| Vannas ultraskaņa | Kavitācijas efekts | Vidējs (10–50 W/cm³) | Neliels | 10-30 minūtes |
| Zondes ultraskaņa | Jaudīga kavitācijas mikro-strūkla | Extremely high (>100 W/cm³) | Severe (breakage rate >50%) | 1-2 stundas |
3. Ķīmiskā modifikācija: kā padarīt oglekļa nanocaurules patiesi saderīgas ar ūdeni?
Vienīgais veids, kā panākt oglekļa nanocauruļu ilgtermiņa stabilu izkliedi ūdenī, ir ķīmiska virsmas modifikācija. Ieviešot hidrofilās grupas vai iesaiņojot amfifilās molekulas, caurules tiek būtiski novērstas no termodinamiskā perspektīvas atkal tuvoties viena otrai.
Galvenā{0}}izārstēšanas stratēģija oglekļa nanocauruļu izkliedēšanai ūdenī ir uz caurules sienas uzklāt "hidrofilu pārklājumu". Ir divi galvenie ceļi: kovalentās saites modifikācija un ne-kovalentās saites modifikācija. Kovalentās saites modifikācija (piemēram, vārīšana jauktā skābē) tieši iegrauj karboksilgrupas (-COOH) un hidroksilgrupas (-OH) uz caurules sieniņas, nodrošinot izcilu hidrofilitāti, bet iznīcina sp² konjugēto struktūru, izraisot ievērojamu vadītspējas samazināšanos. Ne-kovalentās saites modifikācijā (pievienojot virsmaktīvās vielas vai polimēru disperģētājus) tiek izmantota īpašība, ka viens gals adsorbējas uz caurules sieniņas, bet otrs gals ieplūst ūdenī, panākot suspensiju, izmantojot steriskus šķēršļus vai elektrostatisko atgrūšanos, lieliski saglabājot CNT raksturīgo vadītspēju.
| Modifikācijas metode | Darbības mehānisms | Zeta potenciāls (stabilitātes indikators) | Vadītspējas saglabāšana | Tipiskā papildinājuma summa |
|---|---|---|---|---|
| Jaukta skābes oksidēšana (kovalentā) | -COOH virsmas potēšana, spēcīga hidrofilitāte | -40 ~ -55 mV (Lieliski) | 50% - 70% | Nav nepieciešams papildu papildinājums |
| Mazo molekulu virsmaktīvā viela (SDS utt.) | Veido micellas, dubultslāņa atgrūšana | -30 ~ -45 mV (labi) | 80% - 90% | 0,5–2% no CNT masas |
| Polimēru dispergants (PVP utt.) | Enkuru grupas adsorbcija + garas-ķēdes sterisks šķērslis | -45 ~ -60 mV (Lieliski) | 90% - 98% | 1–5% no CNT masas |
*Datu atsauce: Shandong Tanfeng New Material laboratorijas stabilitātes mērījumi 2 masu % CNT ūdens dispersijām ar dažādiem modifikatoriem uz ūdens bāzes.*
4. Ražotāja izrāviens: kā Shandong Tanfeng izvairās no "sarežģītās dispersijas pret veiktspējas zuduma" mirušā cikla?
Izvēlēties avota ražotāju, piemēram, Shandong Tanfeng ar in-situ modifikācijas un ielīmēšanas-spējas tiešai ūdens piegādei-uz CNT pastas, ir optimāls risinājums, lai izvairītos no izmēģinājuma-un-pašizkliedes{5}}kļūdu izmaksām un nodrošinātu bezzudumu veiktspēju.
Izdomājot, kā patstāvīgi izkliedēt oglekļa nanocaurules ūdenī, ir nepieciešams ne tikai liels ieguldījums iekārtās un skābes apstrādes briesmas, bet arī ļoti viegli izraisīt ražošanas līnijas ražības svārstības formulēšanas sistēmas nesaderības dēļ. Kā profesionāls CNT ražotājs Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. iejaucas avota vietā, nodrošinot klientiem vislabāko -lietošanai-gatavu risinājumu:
In-Hidrofilās modifikācijas tehnoloģija:Atmetot ļoti destruktīvu pēc-apstrādes jauktu skābju oksidēšanu, Shandong Tanfeng CVD sintēzes posmā ievieš īpašu hidrofilā katalizatora regulēšanu, izraisot CNT caurules sieniņu mikroporu un skābekli -saturošu polāro grupu veidošanos. Tas samazina cietā-šķidruma saskarnes saskares leņķi par vairāk nekā 60%, nesabojājot konjugēto vadošo struktūru.
Pielāgota uz ūdens{0}}bāzēta pastas bibliotēka: 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, un pēc 30 minūtes liela ātruma centrifugēšanas pie 3000 apgr./min nenotiek sedimentācija.
Ļoti vienkārša procesa pielāgošana:Izmantojot Shandong Tanfeng ūdens{0}} pastu, pakārtotajiem klientiem vairs nav jāaprīko dārgas zondes ultraskaņas iekārtas. Tiešai atšķaidīšanai ar ūdeni var izmantot parastos pneimatisko maisīšanu vai maza ātruma izkliedētājus, tādējādi samazinot ražošanas līnijas maisīšanas laiku no vairākām stundām līdz 15 minūtēm.
Secinājums
Atgriežoties pie sākotnējā jautājuma: kā izkliedēt oglekļa nanocaurules ūdenī? Fiziskas ultraskaņas piespiedu izmantošana, lai tos sadalītu, nekādā gadījumā nav pareizā pieeja. Ir jāpaļaujas uz ķīmiskās modifikācijas spēku, ieviešot hidrofilās grupas vai iesaiņošanu ar virsmaktīvām vielām, lai principiāli nogrieztu ceļu uz sekundāro aglomerāciju no termodinamiskās saknes. Tomēr izmēģinājuma-un-kļūdu izmaksas, patstāvīgi izpētot šo ceļu, ir ārkārtīgi augstas. Visracionālākā izvēle ir izmantot tāda avota ražotāja kā Shandong Tanfeng tehnisko uzkrājumu un tieši izmantot to nobriedušu, iepriekš izkliedētu pastu,{5}}uz ūdens bāzes. Ļaujiet profesionāļiem veikt profesionālas izmaiņas, un jūs vienkārši izbaudīsit nanomateriāla sniegto izcilo veiktspēju.