Augstas kvalitātes -vadošās plastmasas, litija akumulatoru elektrodu un modernu pārklājumu jomā oglekļa nanocaurules (CNT) ir kļuvušas par neaizstājamām nanomēroga piedevām to lielisko mehānisko un elektrisko īpašību dēļ. Tomēr faktiskās apstrādes laikā inženieri bieži saskaras ar fatālu sāpju punktu: ko darīt ar oglekļa nanocauruļu nevienmērīgu izkliedi? Pateicoties ārkārtīgi augstajai malu attiecībai un spēcīgajiem starp-caurulēm van der Vālsa spēkiem, CNT ir ļoti tendētas sapīties saišķos, veidojot blīvus aglomerātus. Kad izkliede neizdodas, ne tikai nevar izveidoties efektīvs trīsdimensiju vadošs tīkls, bet arī aglomerāti kļūst par sprieguma koncentrācijas punktiem materiālā, izraisot strauju vietējās pretestības pieaugumu un dramatisku mehānisko īpašību kritumu. Šajā rakstā tiks padziļināti analizēta izkliedes atteices pamatā esošā loģika un sniegti praktiski inženiertehniskie risinājumi.
1. Galvenais iemesls: kāpēc oglekļa nanocaurules vienmēr saplūst kopā?
Oglekļa nanocauruļu nevienmērīgās izkliedes galvenais cēlonis ir to ārkārtīgi augstā proporcijā un neatgriezeniskā aglomerācijā, ko izraisa spēcīgie starp{1}caurulēm van der Vālsa spēki.
No fizikāli ķīmiskā viedokļa atsevišķa CNT virsmas enerģija ir ārkārtīgi augsta. Lai tuvotos termodinamiskajai stabilitātei, sistēma neizbēgami aglomerējas, lai samazinātu virsmas enerģiju. Attiecīgā literatūra norāda, ka daudzsienu oglekļa nanocauruļu īpatnējais virsmas laukums parasti ir no 200-400 m²/g. Kad attālums starp caurulēm samazinās līdz aptuveni 0, 34 nm, van der Vālsa pievilcība var sasniegt vairākus elektronu voltus uz nanometru. Šī pievilcība ievērojami pārsniedz bīdes spēku, ko nodrošina parastā mehāniskā maisīšana, padarot tos atdalītu parastos sajaukšanas procesos. Turklāt neizbēgami defekti un amorfā oglekļa piemaisījumi CNT sintēzes laikā darbojas arī kā "saistvielas", pastiprinot cieto aglomerātu veidošanos.
2. Fiziskā mehāniskā de{1}}aglomerācija: kā izvēlēties griešanas un ultraskaņas iekārtas?
Fizikālās izkliedes metode ietver liela{0}}blīvuma enerģijas piespiedu ievadīšanu no ārpuses, lai izjauktu fizisko saķeri starp caurulēm, un ir nepieciešamais ceļš, lai panāktu iepriekšēju de-aglomerāciju.
Saskaroties ar oglekļa nanocauruļu nevienmērīgas izkliedes{0}}dilemmu, pirmais solis ir fizikālā metode. Izplatītas metodes ietver ultraskaņas dispersiju un augstas{2}bīdes slīpēšanu. Mikro-strūklas trieciena spēks, ko rada ultraskaņas kavitācija, var sasniegt simtiem MPa, efektīvi atdalot sapinušies CNT kūļi. No otras puses, trīs-ruļļu frēzēšana nodrošina intensīvu bīdes spēku, pateicoties precīzai ruļļu spraugas regulēšanai. Tomēr ir svarīgi apzināties, ka pārmērīga ultraskaņa var salauzt CNT, samazinot to malu attiecību un tā vietā vājinot to vadošo un pastiprinošo iedarbību.
| Izkliedēšanas iekārtas | Darbības mehānisms | Bīdes/enerģijas blīvums | Vienreizējas ārstēšanas laiks | CNT pārrāvuma risks | Piemērojamā sistēma |
|---|---|---|---|---|---|
| Zondes ultraskaņas aparāts | Kavitācijas mikro{0}}strūklas trieciens | Extremely high (>1000 W/cm²) | 10-30 min | High (aspect ratio loss >30%) | Laboratorijas vircas nelielās partijās |
| Trīs-velmētavas | Mehāniskā saspiešana un griešana | High (linear speed difference >10 m/s) | 3-5 cikli | Vidēja (spēcīga vadāmība) | Augstas{0}}viskozitātes sveķi/silikoni |
| Ātrgaitas{0}}izkliedētājs | Makroskopiskā konvekcija un plīsums | Vidēji-zems | 60-120 min | Ārkārtīgi zems | Zemas-viskozitātes šķīduma iepriekšēja-maisīšana |
3. Virsmas ķīmiskā modifikācija: kā panākt ilgstošu-termiņa stabilu dispersiju bez nosēšanās?
Virsmas ķīmiskā modifikācija ir galvenais līdzeklis, lai kavētu oglekļa nanocauruļu sekundāro aglomerāciju un panāktu ilgtermiņa stabilu -dispersiju.
Fiziskā izkliede ir piespiedu de{0}}aglomerācija. Tiklīdz enerģijas ievade apstājas, CNT ātri tiks pakļauts sekundārai sapīšanai. Tāpēc galvenais risinājums problēmai, kas saistīta ar oglekļa nanocauruļu nevienmērīgu izkliedi, ir virsmas modifikācijas. To galvenokārt iedala kovalentās saites modifikācijā un ne-kovalentās saites pārklājumā. Lai gan kovalentās saites modifikācija (piemēram, karboksilgrupu ievadīšana ar jauktu skābju oksidēšanu) var ievērojami uzlabot hidrofilitāti, tā iznīcina sp² hibrīda konjugēto struktūru, izraisot 20%-50% iekšējās vadītspējas samazināšanos. Ne-kovalentās saites modifikācijā (piemēram, pievienojot virsmaktīvās vielas SDS, SDBS vai polimēru disperģētājus) tiek izmantoti π-π sakraušanas vai stēriskie šķēršļi, lai panāktu stabilu dispersiju, nesabojājot caurules sienas struktūru.
| Modifikācijas metode | Darbības mehānisms | Vadītspējas saglabāšana | Izkliedes stabilitāte (pēc 30 dienu stāvēšanas) | Izmaksu pieaugums | Procesa sarežģītība | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Jaukta skābes oksidēšana (kovalentā) | Ievieš -OH/-COOH hidrofilās grupas | 50%-70% | Lieliski ( | Zeta potenciāls | >40 mV) | Zems | Augsts (nepieciešams mazgāt līdz neitrālam) |
| Virsmaktīvā viela (ne{0}}kovalenta) | Samazina virsmas spraigumu / dubultā slāņa atgrūšanu | 80%-90% | Labi (viegli ietekmē temperatūra/pH) | Zems | Zems | ||
| Polimēru izkliedētājs (ne{0}}kovalents) | Steriskās šķēršļu un noenkurošanās grupas | 90%-98% | Lieliski (gandrīz nesakārtojas) | Salīdzinoši augsts | Vidēja |
Datu atsauce: Shandong Tanfeng New Material laboratorijas vadītspējas un stabilitātes testi dažādiem modifikatoriem epoksīdsveķu sistēmās.
4. Sistēmas saskaņošana un ielīmēšanas veidošana: kā izvairīties no izkliedes strupceļiem no avota?
CNT sagatavošana izkliedētā pastā, kas ir ļoti saderīga ar pakārtoto matricu, ir optimālais ceļš, lai šķērsotu rūpnieciskā lietojuma slieksni.
Faktiskajās ražošanas līnijās tieša CNT sausā pulvera pievienošana matricai un sajaukšana ir izplatīta kļūda, kas izraisa dispersijas traucējumus. Šķīdinātājiem un sveķiem ar dažādu polaritāti ir ļoti atšķirīgas CNT mitrināšanas spējas. Piemēram, ne-polāri PE/PP sveķi nemaz nevar mitrināt polāros-modificētos CNT. Tāpēc, izmantojot "pirms-izkliedēšanas" stratēģiju -iepriekš de-CNT deaglomerējot noteiktā šķīdinātājā vai monomērā, lai sagatavotu augstas-koncentrācijas pamatsavienojumu vai pastu, un pēc tam atšķaidīšana un samaisīšana - var uzlabot dispersijas efektivitāti vairāk nekā trīs reizes.
5. Tiešās ražotāju piegādes priekšrocības: kā Shandong Tanfeng atrisina nozares izkliedes grūtības?
Izvēlēties avota ražotāju ar in{0}}situ modifikācijas iespējām un tieši iegūt iepriekš-izkliedētus produktus ir labākais risinājums, lai samazinātu izmēģinājuma-un-kļūdu izmaksas un nodrošinātu partijas stabilitāti.
Saskaroties ar tirgū esošo CNT produktu jaukto kvalitāti, daudzi pakārtotie uzņēmumi ir iesprostoti purvā, kurā valda "nopirktais pulveris nevar tikt izkliedēts". Kā pieredzējis vietējais CNT ražotājs, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. iesaistās dispersijas projektēšanā no sintēzes gala, un tam ir neaizvietojamas galvenās priekšrocības:
In{0}}In Situ modifikācijas tehnoloģija:CVD sintēzes posmā, izmantojot katalizatora regulēšanu un temperatūras lauka optimizāciju, tiek samazināts sākotnējais sapīšanās spēks starp caurulēm, būtiski samazinot cietos aglomerātus. Ultraskaņas dispersijas laiks ir saīsināts par 40%, salīdzinot ar parasto komerciālo pulveri.
Pielāgojama ielīmēšanas bibliotēka:Shandong Tanfeng piedāvā ne tikai augstas{0} kvalitātes sauso pulveri, bet arī dažādas iepriekš-izkliedētas pastas, tostarp uz ūdens-, uz eļļas- bāzes (NMP/DMF) un uz sveķu- bāzes. Pasta cietās vielas saturs ir precīzi kontrolējams, ar stabilu D90 daļiņu izmēru, kas mazāks par 5 μm, un bez cietas nosēšanās pēc 6 mēnešu stāvēšanas.
Kvantitatīvās kvalitātes kontroles garantija:Paļaujoties uz Shandong Province New Materials Laboratory platformu, katrai Shandong Tanfeng piegādātajai CNT partijai ir pievienoti TEM morfoloģijas attēli, XRD tīrības analīze un rotācijas viskozitātes līknes, nodrošinot, ka partiju -līdz -partijas pretestības svārstības<5%, providing downstream customers with a "ready-to-use" experience.
Secinājums
Atgriežoties pie sākotnējā jautājuma: ko darīt ar oglekļa nanocauruļu nevienmērīgu izkliedi? Tā nekādā gadījumā nav vienkārša problēma, ko var atrisināt, darbnīcā iedarbinot vēl dažus mikserus. Tas ir sistemātisks inženiertehnisks projekts, kas ietver termodinamiku, šķidrumu mehāniku un virsmas ķīmiju. No aglomerācijas mehānisma atpazīšanas līdz saprātīgai fiziskās griešanas un ķīmiskās modifikācijas apvienošanai un beidzot ar nobriedušas iepriekš-izkliedētas pastas ieviešanu - katrā darbībā ir nepieciešams zinātnisku datu atbalsts. Runājot par oglekļa nanocaurulēm, padziļināta sadarbība ar tādu avotu ražotāju kā Shandong Tanfeng, kas izprot lietojumus un var nodrošināt pielāgotus dispersijas risinājumus, neapšaubāmi ir īsceļš, lai patiesi ļautu nanomateriāliem īstenot savu "nanomēroga" efektivitāti.