В глубоких водах модифицированных пластмасс и строительных материалов имя углеродных нанотрубок уже давно на слуху. Однако многие инженеры-разработчики рецептур терпят неудачу, как только начинают: засыпка в кучу черного порошка не только не приводит к армированию, но фактически приводит к тому, что матрица становится хрупкой и ухудшается текучесть. Это подводит нас к сегодняшнему-важному вопросу: насколько углеродные нанотрубки могут повысить производительность армированного пластика, резины или бетона? Какова сумма прибавки? Некоторые говорят, что добавление 0,5% удваивает прочность, другие говорят, что добавление вообще не имеет никакого значения. Это ни в коем случае не налог на интеллект, уплачиваемый самому материалу, а, скорее, жестокая игра между одномерной нано-сетью и межфазной совместимостью макроскопической матрицы. Сегодня мы сорвем маркетинговый покров и воспользуемся данными жестких измерений, чтобы полностью раскрыть истинную боевую мощь УНТ в этих трех матричных системах.
1. Армирование пластика: сколько необходимо, чтобы пластик стал одновременно прочным и проводящим?
При армировании пластмасс углеродными нанотрубками требуется лишь очень небольшое количество добавки в размере 1-3% по весу, чтобы увеличить прочность на разрыв на 40–80% и придать матрице постоянные антистатические и теплопроводящие функции.
Традиционные пластмассы с-наполнителем из стекловолокна или минералов обычно требуют более 20 % добавки, что не только серьезно ухудшает текучесть материала, но и делает поверхность-отлитых под давлением деталей шероховатой. Однако пластики, армированные углеродными нанотрубками, основаны на «наноразмерной арматуре». Очень небольшое количество УНТ переплетается в сеть внутри расплава пластика, причем один конец фиксируется на сегментах полимерной цепи, а другой конец проводит напряжение. Когда внешняя сила тянет, трубки потребляют большое количество энергии за счет механизмов вытягивания-и перемычки. Что еще более важно, добавление 1-2% превышает порог проводящей перколяции, превращая изоляционный пластик в антистатический материал - о чем традиционные наполнители могут только мечтать.
| Индикатор производительности пластика (например, PA66) | Чистая смола | Армированный пластик CNT (добавка 2 мас.%) | Улучшение производительности | Авторитетный источник/ссылка на данные |
|---|---|---|---|---|
| Предел прочности | 80 МПа | 115 - 145 МПа | +40% - 80% | Композиты Часть Б |
| Поверхностное сопротивление | >10¹⁵ Ом/кв.м. | 10³ - 10⁵ Ом/кв. | Постоянная антистатика-достигнута | Шаньдунская прикладная лаборатория Танфэн |
| Температура теплового отклонения (HDT) | 75 градусов | 105 градусов | +30 градус | Журнал полимерных материалов |
| Индекс текучести расплава (MFI) | Базовый уровень | Немного уменьшилось, но все еще можно инъекционно. | Гораздо превосходит 20% добавление стекловолокна. | Сравнение измерений процесса литья под давлением |
2. Резиновая арматура: почему она может заменить половину технического углерода?
Добавление 2-5% углеродных нанотрубок в резиновые системы не только повышает износостойкость более чем на 50%, но также создает теплопроводящую сеть, решая фатальную проблему гистерезисного выделения тепла в резиновых изделиях.
На протяжении столетия бесспорным королем резиновой промышленности была сажа, часто добавляемая в количестве 40-50 частей. Но углеродная сажа не только тяжелая; его теплопроводность чрезвычайно низкая, что приводит к внутреннему перегреву шин на высоких скоростях и их разрыву. Резина, армированная углеродными нанотрубками, действует одновременно как механическая «микропружина» и как «магистраль» для теплопроводности. Использование 2–5 частей УНТ для замены 10–20 частей технического углерода сохраняет ту же твердость, одновременно значительно улучшая прочность на разрыв и износостойкость, а также удваивая теплопроводность, что значительно продлевает срок службы динамических резиновых уплотнений и шин.
| Индикатор эффективности резины (например, NBR) | Система чистого технического углерода (50 частей в час) | Технический углерод 40 частей + CNT 3 части | Улучшение производительности | Объяснение механизма |
|---|---|---|---|---|
| Акрон потери от истирания | Базовый уровень (0,15 см³) | 0.07 - 0.08 см³ | Износостойкость улучшена на 50%+ | Одномерная-сетка подавляет распространение трещин. |
| Теплопроводность | 0.2 W/m·K | 0.45 W/m·K | Теплопроводность увеличена вдвое | Фононное шоссе CNT рассеивает тепло |
| Прочность на разрыв | 35 кН/м | 50 кН/м | +42% | Вытягивание-и соединение рассеивают энергию стресса. |
| Вязкость по Муни | Относительно высокий | Значительно уменьшено | Улучшенная сыпучесть обработки | Общее содержание наполнителя уменьшено |
3. Армирование бетона: могут ли несколько капель черной жидкости предотвратить растрескивание?
Порог для бетона, армированного углеродными нанотрубками, чрезвычайно низок. Всего лишь незначительное добавление 0,05-0,1% масс. необходимо для увеличения прочности на сжатие на 20–30 % и значительного подавления распространения микротрещин.
Бетон представляет собой макроскопический хрупкий материал, внутри заполненный микронными-капиллярными порами и микро-трещинами. Принцип армирования бетона углеродными нанотрубками заключается в «микро-швах». Во время реакции гидратации хорошо-диспергированные УНТ перекрывают эти собственные микро-трещины, как швы, предотвращая дальнейшее распространение трещин. Чрезвычайно небольшое количество добавки (всего от нескольких десятков до ста граммов на кубический метр бетона) уплотняет микроскопические поры, не только значительно увеличивая прочность на сжатие и изгиб, но также значительно улучшая непроницаемость и морозостойкость-стойкость к оттаиванию.
| Индикатор эффективности бетона (тест C30) | Обычный бетон | Бетон CNT (добавка 0,08% масс.) | Улучшение производительности | Авторитетный источник/ссылка на данные |
|---|---|---|---|---|
| 28-дневная прочность на сжатие | 30 МПа | 37 - 39 МПа | +20% - 30% | Строительство и строительные материалы |
| изгибная прочность | 4,0 МПа | 5.2 - 5.5 МПа | +30% | Повышенная прочность, закрытие трещин |
| Спад (работоспособность) | Базовый уровень | Немного уменьшено (требуется редуктор воды) | Соответствует требованиям к перекачке | Фактическая проверка проекта инженерного комплекса |
| Усадка при высыхании в течение 28 дней | Базовый уровень | Снижено на 25 % | Значительное предотвращение трещин | Испытание водной дисперсии Шаньдун Танфэн |
4. Суровая реальность: почему добавление УНТ превращает ваш материал в отходы?
Фундаментальной причиной ограниченного улучшения характеристик углеродных нанотрубок в пластмассах, резине и бетоне является сильная агломерация, вызванная сильными наномасштабными взаимодействиями, и чрезвычайно плохая межфазная совместимость с матрицей.
Какими бы впечатляющими ни были теоретические данные, если их нельзя разогнать, это пустая трата времени. Углеродные нанотрубки чрезвычайно легкие и обладают огромными межтрубными силами Ван-дер-Ваальса. Если сухой порошок бросить прямо в двухшнековый экструдер или бетономешалку, его просто невозможно разбить на части. Недисперсные агломераты не только не способны армировать, но фактически образуют огромные точки концентрации напряжений внутри матрицы. При приложении внешней силы пластик разрушается непосредственно от агломератов; Вместо этого прочность бетона резко падает. Кроме того, поверхность углеродных трубок инертна. Без целенаправленной модификации поверхности матрицы трубки не могут сцепляться с пластиком/резиной, и межфазное отслоение происходит сразу после приложения силы.
5. Расширение возможностей производителей: как Shandong Tanfeng выходит из тупика межфазной совместимости?
Выбор исходного производителя, такого как Shandong Tanfeng, который владеет основными технологиями индивидуальной модификации поверхности и предварительного-диспергирования, является единственным коротким путем преодолеть разрыв в межфазной совместимости и по-настоящему укрепить пластик/резину/бетон углеродными нанотрубками.
Поскольку коренные причины лежат в дисперсии и границе раздела, решениями являются «истинное распутывание-запутывания и прочная связь». Как профессиональный производитель УНТ, компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. открывает для вас истинную боевую мощь УНТ из источника синтеза:
Сверх-Высокая чистота устраняет источники концентрации напряжения:Остатки металлов являются виновниками локального охрупчивания пластмасс и бетона. Компания Shandong Tanfeng использует специализированные процессы очистки для прочного прессования остатков металла с концентрацией ниже 20 частей на миллион, гарантируя, что сам наполнитель не станет структурным дефектом в матрице.
Настраиваемое соотношение сторон соответствует матрице:Пластмассам нужны длинные трубки для построения сетей; бетону нужны короткие трубки, чтобы предотвратить запутывание. Благодаря собственной-каталитической системе компания Shandong Tanfeng может поставлять УНТ по индивидуальному заказу с соотношением сторон от 100 до 1500 по мере необходимости, точно соответствующим реологическим и механическим требованиям различных матриц.
Готовы-к-использованию мастербатчей/паст Carrier:Решая проблему агломерации сухих порошков, компания Shandong Tanfeng предлагает маточные смеси модифицированных смол для пластмасс, предварительно диспергированные маточные смеси EPDM/NBR для резины и высокоэффективные водные дисперсии-для бетона. Благодаря запатентованной модификации поверхности и процессам-де-агломерации под высоким давлением достигается истинное-разделение трубок, а функциональные группы, совместимые с матрицей, прививаются к стенкам трубок, позволяя одномерной сетке идеально распространяться в пластмассах, резине и цементе, действительно обеспечивая обещанное механическое усиление на 30 %+.
Заключение
Возвращаясь к основному вопросу: насколько углеродные нанотрубки могут повысить производительность армированного пластика/резины/бетона? Какова сумма прибавки? Добавление 1-3% в пластик увеличивает прочность вдвое; добавление 2% в резину увеличивает износостойкость в два раза; добавление 0,08% в бетон увеличивает прочность на сжатие на 30% - это проверенные практические данные. Но все это основано на предпосылке устранения агломерации и создания моста между интерфейсами. Полагаться на высокую чистоту, индивидуальные соотношения сторон и технологии предварительного диспергирования нескольких-носителей от производителя исходных материалов, такого как Shandong Tanfeng, для преодоления технологического разрыва от нано-к макро-это единственный способ для углеродных нанотрубок действительно стать убийственным инструментом для традиционной модификации матрицы, а не отходами на производственной линии.