Vandens -laidių dangų, naujų ličio baterijų vandens- rišiklių arba šilumai laidžių aušinimo plėvelių tyrimų ir plėtros bei gamybos linijose anglies nanovamzdeliai yra labai palankūs dėl jų itin laidžių ir šilumai laidių tinklų. Tačiau inžinieriai dažnai suklumpa pirmajame gamybos etape: kaip išsklaidyti anglies nanovamzdelius vandenyje? Žvelgdami į stiklinėje plūduriuojančias juodas flomas ir kietas dugne esančias nuosėdas, daugybė žmonių puola į neviltį. Dėl stipraus hidrofobiškumo ir van der Waalso jėgų tarp-vamzdelių CNT sulimpa iškart patekę į vandenį, o įprastas maišymas išvis negali sudaryti vienodos vandeninės dispersijos. Šiame straipsnyje bus tiesiogiai aptariamas šis skausmo taškas, naudojant pagrindinius duomenis, kad būtų išardyta anglies nanovamzdelių vandeninės dispersijos logika.
1. Dilemos atsekimas: kodėl anglies nanovamzdeliai labai lengvai sulimpa ir skęsta vandenyje?
Pagrindinė priežastis, kodėl anglies nanovamzdeliai labai lengvai aglomeruojasi ir nusėda vandenyje, yra jų itin didelis paviršiaus hidrofobiškumas ir stipri tarp{0}}van der Waalso vamzdelių trauka, todėl sistema termodinamiškai labai nestabili.
CNT vamzdžio sienelė susidaro valcuojant sp² hibridizuotus grafeno lakštus, o šis labai poliarizuotas konjuguotas paviršius yra iš prigimties hidrofobinis. Kai į vandenį pilami nemodifikuoti CNT milteliai, vandens molekulės negali pasklisti ir sušlapinti vamzdelio sienelės, o didžiulė sąsajų įtampa atstumia vandenį. Tuo pačiu metu, siekiant sumažinti itin didelę paviršiaus energiją, vamzdžiai tvirtai sukimba vienas su kitu dėl stiprių van der Waals jėgų. Palyginti su organiniais tirpikliais (pvz., NMP), dėl didelio vandens paviršiaus įtempimo (~ 72 mN/m) dar sunkiau nutraukti šią termodinamiškai nestabilią būseną.
| Tirpiklio sistema | Paviršiaus įtempimas | Drėkinamumas CNT | CNT dispersijos būsena | Stabilumo trukmė |
|---|---|---|---|---|
| Dejonizuotas vanduo | 72,8 mN/m | Very poor (contact angle >120 laipsnių) | Greitas sulipimas ir skendimas | <10 minutes |
| Etanolis | 22,0 mN/m | Vidutinis | Gali laikinai sustabdyti | Kelios valandos |
| NMP | 40,7 mN/m | Puikus (geras tirpiklis) | Lengvai paskirstomas į atskirus vamzdelius | Nuo kelių dienų iki kelių savaičių |
2. Fizinis ultragarsas: kodėl jis sulaužo vamzdelius, bet vis tiek nuskęsta?
Nors fizinis ultragarsas gali suteikti akimirksniu didelę{0}}šlyties kavitacijos jėgą, kad priverstinai suplėšytų CNT ryšulius, jis negali pakeisti jų hidrofobinio pobūdžio, o nustojus neišvengiamai įvyksta greita antrinė aglomeracija.
Kai susiduria su problema, kaip išsklaidyti anglies nanovamzdelius vandenyje, daugelio žmonių pirmoji reakcija yra ultragarso naudojimas. Zondinio ultragarso kavitacijos efektas iš tiesų gali sukelti šimtų MPa mikro-srovės smūgius, išskaidydamas susipynusius pluoštus. Tačiau problema ta, kad ką tik sulaužyti hidrofobiniai CNT turi itin didelę paviršiaus energiją ir yra itin aktyvios vandenyje; Kai ultragarsas nutrūksta, jie nedelsdami ieško draugų, kurie vėl susiburtų. Dar pavojingiau, pailginus ultragarso laiką, siekiant dispersijos efekto, CNT bus tiesiogiai sumažintas, todėl formato santykis sumažės nuo tūkstančių iki dešimčių ir visiškai sunaikins laidų tinklą.
| Fizinės dispersijos metodas | Veikimo mechanizmas | Energijos tankis | Kraštinių santykio pažeidimas | Laikas iki antrinės aglomeracijos ir nuskendimo |
|---|---|---|---|---|
| Mechaninis maišymas | Makroskopinė šlyties konvekcija | Žemas (<10 W/cm³) | Beveik jokios | Sustojus iškart nuskendo |
| Vonios ultragarsas | Kavitacijos efektas | Vidutinis (10–50 W/cm³) | Nežymus | 10-30 minučių |
| Ultragarsinis zondas | Galingas kavitacijos mikro{0}}purkštukas | Extremely high (>100 W/cm³) | Severe (breakage rate >50%) | 1-2 valandas |
3. Cheminis modifikavimas: kaip padaryti, kad anglies nanovamzdeliai tikrai būtų suderinami su vandeniu?
Vienintelis būdas pasiekti ilgalaikę{0}}stabilią anglies nanovamzdelių dispersiją vandenyje yra cheminis paviršiaus modifikavimas. Įvedant hidrofilines grupes arba apvyniojant amfifilines molekules, vamzdeliams iš esmės neleidžiama vėl priartėti vienas prie kito termodinaminiu požiūriu.
Anglies nanovamzdelių išsklaidymo vandenyje pagrindinė -gydymo strategija yra uždėti „hidrofilinį sluoksnį“ ant vamzdelio sienelės. Yra du pagrindiniai būdai: kovalentinio ryšio modifikavimas ir ne{2}}kovalentinio ryšio modifikavimas. Kovalentinio ryšio modifikavimas (pvz., virinimas mišrioje rūgštyje) tiesiogiai išgraviruoja karboksilo grupes (-COOH) ir hidroksilo grupes (-OH) ant vamzdžio sienelės, užtikrindamos puikų hidrofiliškumą, tačiau sunaikina sp² konjuguotą struktūrą, dėl ko žymiai sumažėja laidumas. Ne-kovalentinio ryšio modifikavimas (pridedant aktyviųjų paviršiaus medžiagų arba polimerų dispergentų) panaudoja charakteristikas, kai vienas galas adsorbuojasi prie vamzdžio sienelės, o kitas galas tęsiasi į vandenį, todėl suspensija pasiekiama dėl sterinių kliūčių arba elektrostatinės atstūmimo, puikiai išlaikant vidinį CNT laidumą.
| Modifikavimo metodas | Veikimo mechanizmas | Zeta potencialas (stabilumo indikatorius) | Laidumo išlaikymas | Įprasta papildymo suma |
|---|---|---|---|---|
| Mišri rūgščių oksidacija (kovalentinė) | Paviršinis -COOH skiepijimas, stiprus hidrofiliškumas | -40 ~ -55 mV (puikiai) | 50% - 70% | Nereikia jokio papildomo papildymo |
| Mažos molekulės paviršinio aktyvumo medžiaga (SDS ir kt.) | Formuoja miceles, atbaido dvigubą sluoksnį | -30 ~ -45 mV (gerai) | 80% - 90% | 0,5–2% CNT masės |
| Polimerų dispergentas (PVP ir kt.) | Tvirtinimo grupės adsorbcija + ilgos{1}}grandinės steriškos kliūtys | -45 ~ -60 mV (puikiai) | 90% - 98% | 1–5% CNT masės |
*Duomenų nuoroda: Shandong Tanfeng New Material laboratoriniai stabilumo matavimai 2 masės % CNT vandeninėms dispersijoms su skirtingais vandens pagrindo modifikatoriais.*
4. Gamintojo proveržis: kaip „Shandongo Tanfeng“ išvengia „sunkios dispersijos ir našumo praradimo“ negyvos ciklo?
Pasirinkus šaltinio gamintoją, pvz., „Shandong Tanfeng“, su in-situ modifikavimo ir įklijavimo-gamybos galimybėmis tiesioginiam vandens tiekimui-pagrindo CNT pasta yra optimalus sprendimas, siekiant išvengti bandomųjų-ir-klaidų dėl savaiminio{{5}sklaidymo ir užtikrinti be nuostolių.
Išsiaiškinus, kaip savarankiškai išsklaidyti anglies nanovamzdelius vandenyje, reikia ne tik didelių investicijų į įrangą ir rūgštinio apdorojimo pavojų, bet ir labai lengvai sukelia gamybos linijos išeigos svyravimus dėl formulavimo sistemos nesuderinamumo. Kaip profesionalus CNT gamintojas, „Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.“ įsikiša nuo šaltinio, suteikdama klientams geriausią -naudoti{4}}paruoštą sprendimą:
Hidrofilinio modifikavimo in-technologija:Atsisakius labai destruktyvaus po{0}}apdorojimo mišrios rūgšties oksidacijos, Shandong Tanfeng CVD sintezės etape įdiegė specialų hidrofilinio katalizatoriaus reguliavimą, todėl CNT vamzdžio sienelėje yra mikroporų ir deguonies-turinčių polinių grupių. Tai sumažina kietojo-skysčio sąsajos kontaktinį kampą daugiau nei 60 %, nepažeidžiant konjuguotos laidžios struktūros.
Tinkinta vandens{0}}įklijavimo biblioteka: 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, o po 30 minučių centrifuguojant dideliu greičiu 3000 aps./min., nuosėdų nenusėda.
Itin paprastas proceso pritaikymas:Naudojant Shandong Tanfeng vandens{0}} pastą, tolesniems klientams nebereikia įrengti brangios zondo ultragarso įrangos. Tiesioginiam skiedimui vandeniu galima naudoti įprastus pneumatinius maišymo įrenginius arba mažo -greičio dispergatorius, todėl gamybos linijos maišymo laikas sutrumpėja nuo kelių valandų iki 15 minučių.
Išvada
Grįžtant prie pradinio klausimo: kaip išsklaidyti anglies nanovamzdelius vandenyje? Priverstinis fizinis ultragarsas, norint juos atskirti, jokiu būdu nėra tinkamas būdas. Būtina pasikliauti cheminio modifikavimo galia, įvedant hidrofilines grupes arba apvyniojant paviršinio aktyvumo medžiagomis, kad iš termodinaminės šaknies būtų iš esmės atkirstas kelias į antrinę aglomeraciją. Tačiau patiems naršyti šį kelią kainuoja labai daug bandymo-ir-klaidų. Racionaliausias pasirinkimas yra panaudoti šaltinio gamintojo, pvz., „Shandong Tanfeng“ techninį sankaupą, ir tiesiogiai pritaikyti jų brandžią vandens{5}}iš anksto-dispersinę pastą. Leiskite profesionalams atlikti profesionalius pakeitimus, o jūs tiesiog mėgaukitės geriausiu nanomedžiagos našumu.