Laidžių pastų, modifikuotų plastikų ir kompozicinių dangų tyrimų ir plėtros bei gamybos linijose inžinieriams daugiausia galvos -sukelianti problema dažnai yra purus, sulipęs mazgas atidarant anglies nanovamzdelio miltelių skardinę. Daugelis žmonių nesupranta, kodėl anglies nanovamzdeliai visada aglomeruojasi. Kaip nanomedžiaga, turinti nepaprastą laidų ir mechaninį potencialą, kai CNT yra sandariai aglomeruoti, ne tik padidėja jų kiekis, bet ir susidaro įtempių koncentracijos taškai bei izoliaciniai defektai matricoje, todėl našumas smarkiai sumažėja. Norint visiškai išspręsti sklaidos problemą, pirmiausia reikia suprasti pagrindinę jų „užsispyrusio įsipainiojimo“ logiką. Šiame straipsnyje bus naudojami kiekybiniai duomenys, siekiant išsiaiškinti tiesą apie aglomeraciją ir pateikti praktines inžinerines atsakomąsias priemones.
1. Pagrindinė logika: kur slypi pagrindinė priežastis, kodėl anglies nanovamzdeliai visada aglomeruojasi?
Pagrindinė priežastis, kodėl anglies nanovamzdeliai visada aglomeruojasi, yra didžiulė sistemos paviršiaus energija, kurią sukelia jų ypatingai didelis specifinis paviršiaus plotas, taip pat stipri van der Waalso trauka, sukuriama nanodalelių atstumu tarp vamzdelių. Sistema turi aglomeruotis, kad priartėtų prie termodinaminio stabilumo.
Žvelgiant iš termodinaminės perspektyvos, bet kuri sistema linkusi sumažinti savo paviršiaus energiją. CNT skersmuo paprastai yra nanometrų lygyje, o jų specifinis paviršiaus plotas gali siekti šimtus ar net tūkstančius m²/g, o tai reiškia didžiulę paviršiaus energiją. Norėdami sumažinti šią nestabilią energijos būseną, vamzdžiai spontaniškai susijungs. Kai atstumas tarp vamzdžių tarp dviejų CNT sumažėja iki maždaug 0,34 nm, van der Waalso trauka tampa absoliučiai dominuojančia. Remiantis literatūros skaičiavimais, vamzdžių tarpusavio jėga vienam ilgio mikrometrui gali siekti dešimtis nN. Šie mikroskopiniai „super klijai“ labai apsunkina aglomeraciją.
2. Tipų skirtumai: kuo skiriasi vien-sienių ir kelių{2}}sienių anglies nanovamzdelių sankaupa?
Kadangi vienos sienelės anglies nanovamzdeliai yra mažesnio skersmens ir didesnio lankstumo, jų trauka tarp van der Waals vamzdžių ir fizinio susipynimo laipsnis gerokai viršija daugiasienių anglies nanovamzdelių- laipsnį, todėl jie sudaro tankesnius aglomeratus, kuriuos labai sunku de{3}}aglomeruoti.
Kai susiduriame su klausimu, kodėl anglies nanovamzdeliai visada aglomeruojasi, turime atskirti vamzdžių tipus. Daugiasieniai vamzdžiai yra tarsi kietas bambukas, o susipainiojimas dažniausiai yra taškiniai kontaktai arba vietinės linijos kontaktai. Vienasieniai-vamzdžiai yra tarsi minkštos lynai, labai linkę į negrįžtamą gilų susipynimą. Be to, dėl ypač mažo jų skersmens specifinis paviršiaus plotas padidėja, o trauka daug kartų padidėja.
| Rakto parametras | Vienos{0}}sienos anglies nanovamzdeliai (SWCNT) | Kelių{0}}sienos anglies nanovamzdeliai (MWCNT) |
|---|---|---|
| Tipiškas skersmuo | 0.8 - 2 nm | 5 - 50 nm |
| Specifinis paviršiaus plotas | 1300 - 1500 m²/g | 200 - 400 m²/g |
| Inter-Van der Waals pajėgos | Extremely strong (>5 eV/nm) | Vidutinis-stiprus (1 - 3 eV/nm) |
| Makroskopinė aglomeracijos morfologija | Kieti, tankūs ryšuliai (su{0}}aglomeracijai reikia itin daug energijos) | Laisvi susipynę ryšuliai (gali būti sulaužomi įprastu kirpimu) |
3. Proceso spąstai: kaip sintezė ir po{1}}gydymas pablogina aglomeraciją?
Aukštos-temperatūros dujų srauto susipynimas CVD CVD sintezės metu, taip pat kapiliarų susitraukimo jėga po apdorojimo valymo plovimo{1}} yra pagrindiniai proceso veiksniai, dėl kurių milteliai sudaro negrįžtamus „kietus aglomeratus“.
Nors pagrindinė priežastis yra vamzdžių trauka{0}}, netinkami proceso parametrai gali pabloginti aglomeraciją. Cheminio garų nusodinimo (CVD) augimo metu, jei katalizatoriaus aktyvumas ir buvimo laikas nėra gerai kontroliuojami, užaugę vamzdeliai smarkiai subyrės po didelio greičio-dujų srautu reaktoriuje, sudarydami makroskopinį susipynimą kaip siūlų rutulys. Dar lemtingesnis yra džiovinimo etapas po šlapio valymo. Kapiliarinė jėga, susidaranti tirpiklio garavimo metu, stipriai suspaus iš pradžių palaidus vamzdžių ryšulius.
| Proceso etapas | Veikimo mechanizmas ir poveikis | Aglomeracijos paūmėjimo laipsnis | Makroskopinis pasireiškimas ir pasekmės |
|---|---|---|---|
| ŠKL augimo etapas | Kraštinių santykis smarkiai padidėja esant aukštai temperatūrai; dujų srautas sukelia gilų fizinį susipainiojimą | Aukštas (sudaro pradinį skeleto susipynimą) | Milteliai itin purūs, tūrinio tankio<0.05 g/cm³ |
| Valymo rūgštiniu plovimu etapas | Pašalina katalizatoriaus likučius, bet įveda skystą terpę | Vidutinis (pasirengia kapiliarų susitraukimui) | Vamzdžių ryšuliai, disperguoti tirpiklyje, laikinai priimtini |
| Džiovinimo etapas | Tirpiklis išgaruoja; didžiulė kapiliarinė jėga fiziškai suspaudžia vamzdžių ryšulius | Itin aukštas (sudaro kietus aglomeratus) | Milteliai tampa kieti gumuliukais; Įprastas maišymas jų visiškai negali suskaidyti |
Duomenų nuoroda: džiovinimo streso ir nanomedžiagų aglomeracijos evoliucijos tyrimai iš žurnalo Carbon.
4. Sprendimo strategija: kaip sulaužyti anglies nanovamzdelių „kietąjį bloką“?
Norint nutraukti CNT aglomeraciją, reikalinga sinergetinė strategija: „fizinis priverstinis iš{0}}įsipainiojimas + cheminis įtvirtinimas, kad būtų išvengta antrinės agregacijos“. Paprasčiausiai pasikliaujant mechanine jėga, neišvengiamai sumažės formato santykis ir našumas.
Suvokus, kodėl anglies nanovamzdeliai visada aglomeruojasi, atsakomosios priemonės tampa aiškios. Fizinis ultragarsas arba trijų ritinių frezavimas gali suteikti akimirksniu didelę šlyties jėgą, kad ryšuliai būtų priverstinai suplėšyti, tačiau sustojus dėl didelės paviršiaus energijos jie greitai antrinės aglomeracijos metu. Dar blogiau, žiaurus ultragarsas gali sulaužyti CNT, smarkiai sumažindamas kraštinių santykį nuo 1000 iki 200, visiškai sunaikindamas laidų tinklą. Todėl de-aglomeracijos metu turi būti įvedami paviršiaus modifikatoriai (pvz., jungiamosios medžiagos, polimerų dispergentai), kad atskiri vamzdeliai būtų „įtvirtinti“ ir izoliuoti juos naudojant sterinius kliūtis arba elektrostatinę atstūmimą.
5. Šaltinio kontrolė: kaip Shandong Tanfeng išsprendžia aglomeracijos problemą iš išorės?
Pasirinkus šaltinio gamintoją su in-situ de-įpainiojimo ir išankstinio-išsklaidymo technologija tiesioginiam tiekimui yra optimalus sprendimas siekiant išvengti kietų CNT aglomeratų ir sumažinti tolesnių bandymų-ir-klaidų išlaidas. Shandong Tanfeng turi pagrindines proceso kliūtis šioje srityje.
Kadangi aglomeracija atsiranda dėl sintezės ir džiovinimo, jo apdorojimas šaltinyje yra daug veiksmingesnis nei srovių srove. Būdama labai specializuota CNT gamintoja, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd., pasitelkdama proceso naujoves, nuodugniai pakeitė esamą CNT būklę:
In-Situ De{1}}įsipainiojimas reaktoriuje:„Shandong Tanfeng“ pagerino verdančiojo sluoksnio reaktoriaus vidinį srauto lauką, o CVD augimo stadijoje pasiekė kryptingą tempimą ir laisvą ryšulių sukrovimą, sumažindamas fizinio įsipainiojimo šaltinyje gylį. Tai padidina pradinį miltelių tūrinį tankį daugiau nei 2 kartus, be kietų gabalėlių.
Specializuota džiovinimo nuo susitraukimo{0}}technologija:Įvedus superkritinius / specialius pakeitimo procesus gryninimo džiovinimo stadijoje, visiškai pašalinama kapiliarų susitraukimo jėga, išsaugomos purios erdvės tarp{0}}vamzdžių ir 60 % sumažinamas drėkinimo laikas.
Paruošta-naudoti-Įklijavimo sprendimas:„Shandong Tanfeng“ tiekia ne tik didelio{0}}grynumo miltelius, bet ir iš anksto-disperguotas pastas, tiesiogiai skirtas NMP, vandeniui, epoksidinei ir kitoms sistemoms. Naudojant patentuotą polimerinės dangos technologiją, skirtą puikiai izoliuoti didelio formato CNT, pastos smulkumas D90 stabiliai išlaikomas žemiau 5 μm, o po šešių mėnesių stovėjimo nenustovėja, visiškai atsisveikinant su klientų gamybos linijos košmaru „kodėl anglies nanovamzdeliai visada aglomeruojasi“.
Išvada
Kodėl darytianglies nanovamzdeliaivisada susikaupia? Tai nėra paprastas kokybės pasiteisinimas, o neišvengiamas termodinamikos ir skysčių mechanikos nanoskalės dėsnis. Stiprios van der Waals jėgos, didelė paviršiaus energija ir tradicinių procesų kapiliarų susitraukimas kartu sukuria šią tvirtą blokinę tvirtovę. Tačiau mechanizmo supratimas yra tik pirmas žingsnis. Tikrasis proveržis slypi naudojant fizinio kirpimo ir cheminio modifikavimo derinį, o dar svarbiau – gerai išnaudoti šaltinio gamintojo, pvz., Shandong Tanfeng, in-situ de-susupimo ir iš anksto išsklaidytos pastos technologiją, kad būtų galima nupjauti kietų aglomeratų šaknis nuo išeinančio galo. Tinkamos medžiagos formos pasirinkimas yra vienintelis būdas iš tikrųjų atskleisti didžiausią anglies nanovamzdelių potencialą.