Aukštos kokybės-laidaus plastiko, ličio baterijų elektrodų ir pažangių dangų srityse anglies nanovamzdeliai (CNT) tapo nepakeičiamais nanoskalės priedais dėl puikių mechaninių ir elektrinių savybių. Tačiau faktinio apdorojimo metu inžinieriai dažnai susiduria su lemtingu skausmo tašku: ką daryti su netolygiu anglies nanovamzdelių sklaida? Dėl itin didelio formato santykio ir stiprių tarpvamzdžių van der Waalso jėgų CNT labai linkę įsipainioti į ryšulius, sudarydami tankius aglomeratus. Kai dispersija nepavyksta, ne tik gali nesusiformuoti efektyvus trimatis laidus tinklas, bet ir aglomeratai tampa įtempių koncentracijos taškais medžiagoje, todėl smarkiai padidėja vietinis atsparumas ir smarkiai sumažėja mechaninės savybės. Šiame straipsnyje bus išsamiai išanalizuota dispersijos gedimo logika ir pateikiami praktiniai inžineriniai sprendimai.
1. Pagrindinė priežastis: kodėl anglies nanovamzdeliai visada sulimpa?
Pagrindinė ne{0}}vienodos anglies nanovamzdelių sklaidos priežastis slypi itin aukštame jų kraštinių santykio ir negrįžtamo susikaupimo, kurį sukelia stiprios tarp-vamzdelių van der Waals jėgos.
Žvelgiant iš fizikinės ir cheminės perspektyvos, atskiro CNT paviršiaus energija yra labai didelė. Siekiant priartėti prie termodinaminio stabilumo, sistema neišvengiamai aglomeruojasi, kad sumažintų paviršiaus energiją. Atitinkamoje literatūroje nurodoma, kad kelių sienelių anglies nanovamzdelių specifinis paviršiaus plotas paprastai yra 200-400 m²/g. Kai atstumas tarp vamzdžių sumažėja iki maždaug 0, 34 nm, van der Waalso trauka gali pasiekti keletą elektronų voltų viename nanometre. Ši trauka gerokai viršija šlyties jėgą, kurią suteikia įprastinis mechaninis maišymas, todėl įprastais maišymo procesais jų atskirti iš esmės neįmanoma. Be to, neišvengiami defektai ir amorfinės anglies priemaišos CNT sintezės metu taip pat veikia kaip „rišikliai“ ir sustiprina kietų aglomeratų susidarymą.
2. Fizinis mechaninis de{1}}aglomeravimas: kaip pasirinkti kirpimo ir ultragarso įrangą?
Fizinės dispersijos metodas apima priverstinį didelio{0}}tankio energijos įvedimą iš išorės, kad būtų nutrauktas fizinis susipynimas tarp vamzdžių, ir yra būtinas būdas preliminariai de{1}}aglomeruoti.
Susidūrus su ne{0}}vienodos anglies nanovamzdelių sklaidos dilema, pirmasis žingsnis yra fizinis metodas. Įprasti metodai apima ultragarso dispersiją ir šlifavimą dideliu{2}. Ultragarsinės kavitacijos sukuriama mikro-srovės smūgio jėga gali siekti šimtus MPa, efektyviai išskaidydama susipynusius CNT ryšulius. Kita vertus, trijų -ritinių frezavimas užtikrina intensyvią šlyties jėgą dėl tikslaus ritinėlio tarpo reguliavimo. Tačiau svarbu žinoti, kad per didelis ultragarsinis poveikis gali sulaužyti CNT, sumažindamas jų formato santykį ir susilpnindamas jų laidumą ir sustiprinimą.
| Dispersijos įranga | Veikimo mechanizmas | Šlyties / energijos tankis | Vieno gydymo laikas | CNT lūžio rizika | Taikoma sistema |
|---|---|---|---|---|---|
| Ultragarso zondas | Kavitacijos mikro{0}}srovės smūgis | Extremely high (>1000 W/cm²) | 10–30 min | High (aspect ratio loss >30%) | Mažos partijos laboratorinės srutos |
| Trys-valcavimo malūnai | Mechaninis suspaudimas ir kirpimas | High (linear speed difference >10 m/s) | 3-5 ciklai | Vidutinis (stiprus valdymas) | Didelio{0}}klampumo dervos / silikonai |
| Didelio{0}}greičio sklaidytuvas | Makroskopinė konvekcija ir plyšimas | Vidutinis-žemas | 60–120 min | Itin žemas | Mažo-klampumo tirpalo išankstinis-maišymas |
3. Cheminis paviršiaus modifikavimas: kaip pasiekti ilgalaikę{1}}stabilią dispersiją nenusėdus?
Cheminis paviršiaus modifikavimas yra pagrindinė priemonė, skirta slopinti antrinę anglies nanovamzdelių aglomeraciją ir pasiekti ilgalaikę stabilią{0}}dispersiją.
Fizinė dispersija yra priverstinė de{0}}aglomeracija. Kai energijos tiekimas sustos, CNT greitai susipainios. Todėl pagrindinis ne-vienodos anglies nanovamzdelių sklaidos problemos sprendimas yra paviršiaus modifikavimas. Tai daugiausia skirstoma į kovalentinio ryšio modifikavimą ir ne{5}}kovalentinio ryšio dangą. Nors kovalentinio ryšio modifikavimas (pvz., karboksilo grupių įvedimas per mišrią rūgščių oksidaciją) gali labai pagerinti hidrofiliškumą, jis sunaikina sp² hibridinę konjuguotą struktūrą, todėl vidinis laidumas sumažėja 20 %-50 %. Ne-kovalentinio ryšio modifikavimas (pavyzdžiui, pridedant aktyviųjų paviršiaus medžiagų, SDS, SDBS arba polimerinių dispergentų) panaudoja π-π susidėvėjimą arba sterinius trukdžius, kad būtų pasiekta stabili dispersija, nepažeidžiant vamzdžio sienelės struktūros.
| Modifikacijos metodas | Veikimo mechanizmas | Laidumo išlaikymas | Dispersijos stabilumas (pastovėjus 30 dienų) | Išlaidų padidėjimas | Proceso sudėtingumas | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mišri rūgščių oksidacija (kovalentinė) | Įveda -OH/-COOH hidrofilines grupes | 50%-70% | Puikus ( | Zeta potencialas | >40 mV) | Žemas | Aukštas (reikia nuplauti iki neutralios) |
| Paviršinio aktyvumo medžiaga (ne{0}}kovalentinė) | Sumažina paviršiaus įtempimą / dvigubo sluoksnio atstūmimą | 80%-90% | Geras (lengvai veikiamas temperatūros/pH) | Žemas | Žemas | ||
| Polimero dispergatorius (ne{0}}kovalentinis) | Sterinės kliūtys ir tvirtinimo grupės | 90%-98% | Puikus (beveik nenusistovėjęs) | Palyginti aukštas | Vidutinis |
Duomenų nuoroda: Shandong Tanfeng New Material laboratorijos laidumo ir stabilumo testai skirtingiems modifikatoriams epoksidinės dervos sistemose.
4. Sistemos suderinimas ir įklijavimo formavimas: kaip išvengti dispersijos aklavietės iš šaltinio?
CNT paruošimas į išsklaidytą pastą, kuri yra labai suderinama su pasroviui skirta matrica, yra optimalus būdas peržengti pramoninio pritaikymo slenkstį.
Faktinėse gamybos linijose tiesioginis CNT sausų miltelių įdėjimas į matricą ir maišymas yra dažna klaida, dėl kurios dispersija sugenda. Skirtingo poliškumo tirpikliai ir dervos turi labai skirtingus CNT drėkinimo gebėjimus. Pavyzdžiui, ne-polinės PE/PP dervos visiškai negali sudrėkinti polinių -modifikuotų CNT. Todėl pritaikius „išankstinio-dispersijos“ strategiją -Iš anksto de-CNT deaglomeravus konkrečiame tirpiklyje arba monomeryje, kad būtų paruoštas didelės-koncentracijos pagrindinis mišinys arba pasta, o po to skiedimas ir maišymas - gali pagerinti dispersijos efektyvumą daugiau nei tris kartus.
5. Tiesioginio gamintojo tiekimo privalumai: kaip Shandong Tanfeng išsprendžia pramonės sklaidos sunkumus?
Pasirinkus šaltinio gamintoją, turintį in-situ modifikavimo galimybę, ir tiesiogiai gauti iš anksto-išskirstytus produktus yra geriausias sprendimas, siekiant sumažinti bandymų-ir-klaidų išlaidas bei užtikrinti partijos stabilumą.
Susidūrę su mišria CNT produktų kokybe rinkoje, daugelis vartotojų įmonių yra įstrigusios „nusipirktų miltelių negali būti išsklaidyti“ liūne. Kaip patyręs vietinis CNT gamintojas, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. įsikiša į dispersijos dizainą nuo sintezės pabaigos, turėdamas nepakeičiamus pagrindinius pranašumus:
In-Situ modifikavimo technologija:CVD sintezės etape, reguliuojant katalizatorių ir optimizuojant temperatūros lauką, sumažėja pradinė įsipainiojimo jėga tarp vamzdelių, todėl iš esmės sumažėja kietų aglomeratų kiekis. Ultragarso dispersijos laikas sutrumpėja 40%, palyginti su įprastais komerciniais milteliais.
Pritaikoma įklijavimo biblioteka:„Shandong Tanfeng“ siūlo ne tik aukštos{0}kokybės sausus miltelius, bet ir įvairias iš anksto-dispersines pastas, įskaitant vandens -, aliejaus- (NMP/DMF) ir dervos- pagrindo pastas. Kietosios pastos kiekis yra tiksliai kontroliuojamas, stabilus D90 dalelių dydis yra mažesnis nei 5 μm, o po 6 mėnesių pastovėjimo nenusėda.
Kiekybinis kokybės kontrolės užtikrinimas:Remiantis Shandong Province New Materials Laboratory platforma, kiekviena Shandong Tanfeng siunčiama CNT partija yra kartu su TEM morfologijos vaizdais, XRD grynumo analize ir sukimosi klampos kreivėmis, užtikrinančiomis, kad partijos{0}}prie{1}}atsparumo svyravimai atitiktų<5%, providing downstream customers with a "ready-to-use" experience.
Išvada
Grįžtant prie pradinio klausimo: ką daryti su netolygiu anglies nanovamzdelių sklaida{0}}? Tai jokiu būdu nėra paprasta problema, kurią galima išspręsti dirbtuvėse paleidus dar kelis maišytuvus. Tai sisteminis inžinerinis projektas, apimantis termodinamiką, skysčių mechaniką ir paviršiaus chemiją. Nuo aglomeracijos mechanizmo atpažinimo iki pagrįsto fizinio kirpimo ir cheminio modifikavimo derinimo iki subrendusios iš anksto-disperguotos pastos - kiekvienam žingsniui reikalingas mokslinių duomenų palaikymas. Kalbant apie anglies nanovamzdelius, nuodugnus bendradarbiavimas su šaltinių gamintoju, pvz., Shandong Tanfeng, kuris supranta programas ir gali pasiūlyti pritaikytus dispersijos sprendimus, neabejotinai yra greitis, leidžiantis nanomedžiagoms išnaudoti savo „nano masto“ efektyvumą.