Jaunu enerģijas akumulatoru, vadošu kompozītmateriālu, augstas veiktspējas pārklājumu{0}}un citu jomā oglekļa nanocaurules ieņem arvien lielāku lomu to lielisko elektrisko, termisko un mehānisko īpašību dēļ. Tomēr problēma, kas nomoka gan pētniecības un izstrādes inženierus, gan ražotājus, ir tā, ka oglekļa nanocaurulēm ir ārkārtīgi slikta izkliedējamība un tās ir ļoti pakļautas aglomerācijai, veidojot "sapinušās bumbiņas", kas nopietni ierobežo to veiktspējas pilnīgu realizāciju. Šajā rakstā tiks padziļināti analizēti oglekļa nanocauruļu izkliedēšanas grūtību pamatā esošie iemesli, sistemātiski izklāstītas galvenās metodes CNT izkliedējamības uzlabošanai un apvienotas visprogresīvākās virsmas modifikācijas tehnoloģijas, lai sniegtu jums pilnīgu ceļvedi no principiem līdz praksei. Tajā pašā laikā, kā profesionāls oglekļa nanocauruļu ražotājs, Shandong Tanfeng New Material sasniegumi dispersijas procesos ir arī ievērības cienīgi.
1. Kāpēc oglekļa nanocaurules ir tik grūti izkliedētas? - Trīs pamatcēloņi
Oglekļa nanocauruļu izkliedēšanas grūtību būtība slēpjas to nanomēroga fizikālajās īpašībās - spēcīgajos van der Vālsa spēkos, ārkārtīgi augstās malu attiecībās un hidrofobajā virsmā. Šie trīs faktori izraisa neatgriezenisku tendenci uz aglomerāciju.
1. Ārkārtīgi spēcīgi van der Vālsa spēki
Van der Vālsa mijiedarbība starp vienas -sienu oglekļa nanocaurulēm var sasniegt ~500 eV/µm, kas ievērojami pārsniedz tipisku nanodaļiņu mijiedarbību. Gludā un ļoti konjugētā CNT virsma apvienojumā ar π-π kraušanas mijiedarbību vēl vairāk pastiprina starp-cauruļu savienošanas spēku, liekot tām cieši apvienoties saišķos vai "sapinušās bumbiņās".
2. Īpaši-augsta malu attiecība
Oglekļa nanocauruļu malu attiecība parasti pārsniedz 1000, kas nozīmē, ka pat ar nelielu skaitu cauruļu tās var viegli savīties viena ar otru, veidojot trīsdimensiju tīkla struktūru. Kad tie ir sapinušies, tos ir ļoti grūti sadalīt, izmantojot parasto maisīšanu.
3. Ļoti hidrofobiska virsma ar aktīvo funkcionālo grupu trūkumu
Oglekļa nanocauruļu sp² oglekļa karkass ir ārkārtīgi ķīmiski inerts, un tam ir slikta mitrināmība gan polāros, gan ne{0}}polāros šķīdinātājos. Virsmai trūkst funkcionālo grupu, kas būtu pieejamas ķīmiskai saitei, kas nozīmē, ka starp CNT un matricas materiāliem (piemēram, polimēriem vai šķīdinātājiem) nav "enkurošanas punktu", kas apgrūtina stabilas mijiedarbības veidošanos.
2. Galvenās metodes CNT izkliedes uzlabošanai - Trīs stratēģiju salīdzinājums
CNT izkliedējamības uzlabošanas metodes var iedalīt trīs stratēģijās: mehāniskā dispersija, kovalentā modifikācija un nekovalentā modifikācija. Katrai no tām ir savas priekšrocības un trūkumi, un praksē parasti tiek izmantota vairāku stratēģiju kombinācija.
| Stratēģijas veids | Reprezentatīvā tehnoloģija | Pamatprincips | Priekšrocības | Trūkumi |
|---|---|---|---|---|
| Mehāniskā dispersija | Ultraskaņa, lodīšu frēzēšana, trīs{0}}ruļļu frēzēšana | Pielieto ārējo fizisko enerģiju, lai sadalītu van der Vālsa spēkus starp aglomerātiem | Tieša darbība, piemērota liela mēroga-apstrādei | Var sabojāt CNT struktūru, saīsināt caurules garumu |
| Kovalentā modifikācija | Skābes oksidēšana, hlorēšanas oksidēšana | Uz CNT virsmas transplantē tādas funkcionālās grupas kā karboksilgrupa un hidroksilgrupa | Spēcīga sasaiste, spēcīga saskarnes saite ar matricu | Iznīcina sp² struktūru, zaudē dažas elektriskās/mehāniskās īpašības |
| Ne{0}}kovalentā modifikācija | Virsmaktīvās vielas adsorbcija, polimēru ietīšana | Virsmaktīvās vielas/polimēri adsorbējas uz CNT virsmas, saglabājot dispersiju, izmantojot steriskus šķēršļus vai elektrostatisko atgrūšanu | Saglabā raksturīgo CNT struktūru, vieglu darbību | Ievada "piemaisījumus", vadītspēja var samazināties, stabilitāte relatīvi vājāka |
Mehāniskā dispersija: vistiešākā fizikālā metode
Ultraskaņas apstrāde ir laboratorijās visbiežāk izmantotā metode, kas rada kavitācijas efektus šķīdinātājos, lai "spridzinātu" aglomerātus. Lodīšu frēzēšana un trīs{1}}velmīšu frēzēšana ir piemērota augstas viskozitātes putriņu sērijveida apstrādei. Tomēr ir svarīgi kontrolēt enerģijas ievadi, jo pārmērīga mehāniskā darbība var neatgriezeniski saīsināt CNT un palielināt strukturālos defektus.
Kovalentā modifikācija: funkcionālo grupu "potēšana" uz CNT
Kovalentā modifikācija ievada skābekli -, slāpekli- vai acilhlorīdu- saturošas grupas uz CNT virsmas, mainot tās virsmas polaritāti un pastiprinot afinitāti ar šķīdinātājiem. Piemēram, hlora dioksīda (ClO₂·) oksidēšana istabas temperatūrā var viegli ievadīt hidroksilgrupas, karbonilgrupas un karboksilgrupas uz CNT virsmas, vienlaikus lielā mērā saglabājot cauruļveida karkasu. Oksidētās CNT plēves pretestība ir tikai aptuveni 3 reizes lielāka nekā neoksidētās plēves pretestība (pie 25 grādiem: 0,045 pret . 0.016 Ω·cm). Šī metode ievērojami uzlabo ūdens izkliedējamību, vienlaikus saglabājot vadītspēju.
Ne{0}}kovalentā modifikācija: “Aptīšanas” izmantošana, nevis “potēšana”
Ne{0}}kovalentajā modifikācijā tiek izmantotas virsmaktīvās vielas vai polimēri, lai fiziski adsorbētu uz CNT virsmas, neiznīcinot konjugēto struktūru. Pētījumi ir parādījuši, ka pēc ne-kovalentas CNT funkcionalizācijas ar virsmaktīvām vielām, piemēram, nātrija dodecilbenzolsulfonātu (SDBS) un cetiltrimetilamonija bromīdu (CTAB), suspensija ar sākotnējo koncentrāciju 2 g/l stabilizējas pēc 240 stundu uzglabāšanas, un galīgā koncentrācija nedaudz stabilizējas atkarībā no 4 g/l, atkarībā no 8 g/l. virsmaktīvās vielas veids.
3. Kā noteikt, vai dispersija ir laba? - Atklāšana un kvantitatīvā novērtēšana
Katrai no tradicionālajām noteikšanas metodēm ir ierobežojumi. Zema-lauka KMR tehnoloģija var ātri un nesagraujoši kvantitatīvi novērtēt oglekļa nanocauruļu dispersijas stāvokli molekulārā līmenī.
Lai novērtētu dispersijas rezultātus, tradicionālās metodes ietver lāzera daļiņu izmēru analīzi (to viegli ietekmē viskozitāte), viskozitātes mērījumus (slikta precizitāte) un SEM/TEM (mazs redzes lauks, slikta reprezentativitāte). Zema-lauka kodolmagnētiskās rezonanses (Low-Field NMR) tehnoloģija piedāvā jaunu pieeju: nosakot vircā esošo ūdeņraža protonu (šķīdinātāja molekulu) relaksācijas laiku (T2), var secināt daļiņu īpatnējo virsmas laukumu un dispersijas stāvokli. Īsāks T2 norāda uz lielāku īpatnējo virsmu un labāku izkliedi. Šī metode ir ātra (dažas minūtes), nesagraujoša un precīza.
4. Shandong Tanfeng jauno materiālu rūpnieciskā prakse
Shandong Tanfeng New Material, izmantojot pašu izstrādātos dispersantus un trešās-paaudzes CVD iekārtas, ir izdevies saražot liela mēroga-CNT pulvera un vadošas pastas ar stabilu pastas izkliedes laiku, kas pārsniedz 3 mēnešus.
Kā profesionāls oglekļa nanocauruļu ražotājs Shandong Tanfeng New Material nodrošina rūpniecisku risinājumu dispersijas problēmai. Tās oglekļa nanocaurules vadošā pasta (modelis FB-121) izmanto unikālu dispersijas procesu, kas efektīvi atver CNT aglomerātus un saglabā stabilu dispersiju vairāk nekā 3 mēnešus, nodrošinot labu plūstamību un ērtu lietošanu klientiem.
Turklāt uzņēmuma galvenā komanda nāk no Džedzjanas universitātes Materiālzinātnes un inženierzinātņu skolas. Tā paša-izstrādātais trešās-paaudzes horizontālais CVD aprīkojums samazina reakcijas laiku līdz 30-45 minūtēm, izvades tīrībai pārsniedzot 98%. Ražošanas jomā tā akcionāram ir skābes mazgāšanas ķīmiskā bāze ar 5000 tonnu jaudu Jančenā, Dzjansu, nodrošinot rūpnieciskās ķēdes atbalstu CNT attīrīšanai un disperģējošo vielu savietojamībai.
5. Izkliede ir "pirmais šķērslis" CNT lietojumprogrammām
Oglekļa nanocauruļu izkliedēšanas grūtības nosaka to fizikālais raksturs, taču, kombinējot mehāniskās dispersijas un kovalentās/ne{0}}kovalentās modifikācijas stratēģijas, noteikti var panākt stabilu izkliedi. Rūpnieciskā līmenī vietējie ražotāji, piemēram, Shandong Tanfeng New Material, jau ir nodrošinājuši nobriedušus vadošas pastas risinājumus.
Izkliedes grūtību galvenie cēloņi: van der Waals forces (~500 eV/µm) + ultra-high aspect ratio (>1000) + hidrofoba inerta virsma.
Galvenie uzlabošanas veidi:Mehāniskā dispersija (fiziskā atvēršana) + kovalentā modifikācija (funkcionālo grupu potēšana, afinitātes pastiprināšana) + ne-kovalentā modifikācija (virsmaktīvās vielas adsorbcija, struktūras integritātes saglabāšana).
Kvantitatīvo rādītāju atsauces:Pēc hlora dioksīda oksidēšanas pretestība palielinās tikai 3 reizes; pēc virsmaktīvās vielas dispersijas suspensija saglabājas stabila 240 stundas ar koncentrāciju 1,68-1,84 g/l.
Rūpnieciskie risinājumi:Shandong Tanfeng New Material nodrošina oglekļa nanocaurules vadošu pastu ar stabilu dispersiju, kas pārsniedz 3 mēnešus, un ir piemērota jaunām enerģētikas, automobiļu, kosmosa un citām jomām.