В исследованиях и разработках модифицированных пластиков, аккумуляторов и антистатических покрытий углеродные нанотрубки уже давно стали почетными гостями в проводящих составах. Однако многие инженеры, только начинающие работу, часто задаются душераздирающим вопросом: насколько углеродные нанотрубки могут улучшить электропроводность? Некоторые люди добавляют 0,5% и получают проводящий пластик 10 см/м, в то время как другие добавляют 3% и все еще борются с краем изолятора. Насколько большой скачок проводимости может вызвать этот материал, ни в коем случае не является вопросом догадок или простого копирования литературы. Сегодня мы отбросим громкие теории и воспользуемся надежными данными производственной линии, чтобы тщательно раскрыть преимущества проводимости углеродных нанотрубок.
1. Основной механизм: как углеродные нанотрубки достигают скачка проводимости на порядок--?
Углеродные нанотрубки могут увеличить проводимость изолирующих полимеров на 8–12 порядков. Суть заключается в их чрезвычайно высоком соотношении сторон, которое мгновенно создает физически перекрывающуюся трехмерную проводящую сеть.
Чтобы понять, насколько углеродные нанотрубки могут улучшить электропроводность, необходимо сначала понять «порог перколяции». Проводимость матрицы из чистой смолы (например, полиэтилена, поликарбоната) обычно составляет порядка 10⁻¹⁴ См/м, что делает ее абсолютным изолятором. Когда добавляются углеродные нанотрубки, как только их количество пересекает критическую точку (порог перколяции), трубки мгновенно перекрываются, образуя сетку, электроны получают путь, а проводимость подвергается экспоненциальному скачку, прямо подскакивая до порядка 10⁻² или даже 10² См/м. Этот внезапный переход от изоляции к проводимости абсолютно не имеет себе равных при использовании традиционной сферической проводящей сажи (которая требует большого количества добавок для образования пленки покрытия).
2. Одностенные-против многостенных-стенных: насколько велика количественная разница в улучшении проводимости между трубчатыми конструкциями?
Одно-углеродные нанотрубки благодаря своим идеальным баллистическим транспортным свойствам и чрезвычайно большому аспектному соотношению имеют эффективность повышения проводимости в 5–10 раз выше, чем у много-углеродных нанотрубок, с чрезвычайно низким порогом перколяции.
Когда возникает вопрос о том, насколько углеродные нанотрубки могут улучшить электропроводность, ответы, которые дают одностенные (ОУНТ) и много-стенные (МУНТ), кардинально различаются. Одностенные-трубки имеют чрезвычайно малые радиальные размеры (~1 нм), могут достигать длины в десятки микрон, иметь соотношение сторон, превышающее тысячу, и иметь очень мало дефектов, поэтому электроны практически не рассеиваются во время транспорта. С другой стороны, многостенные трубы имеют межслойное рассеяние дефектов. Это приводит к тому, что плотность сети и связность узлов, создаваемая одностенными трубками, намного превосходят плотность много-трубок при той же сумме добавления.
| Ключевой показатель проводимости | Одностенные-углеродные нанотрубки (ОУНТ) | Много-углеродные нанотрубки со стенками (МУНТ) |
|---|---|---|
| Собственная проводимость | 10⁶ - 10⁷ См/м (баллистический транспорт) | 10⁴ - 10⁵ См/м (имеется рассеяние) |
| Порог перколяции | 0.01 - 0.1 вес.% | 0.5 - 3.0 вес.% |
| Проводимость при добавлении 1 мас.% | 10³ - 10⁴ S/m | 10¹ - 10² S/m |
| Влияние на цвет матрицы | Очень небольшое количество добавок может обеспечить проводимость, может быть светлым-окрашенным. | Требует высокого сложения, может быть только чисто черным |
3. Разбивка сценариев применения: насколько углеродные нанотрубки могут улучшить проводимость в различных системах?
В разных матрицах и целевых системах улучшение проводимости, которое могут обеспечить углеродные нанотрубки, сильно различается. Кристаллические полимеры с высокой-полярностью обычно легче достигают более высокого скачка проводимости, чем аморфные полимеры с низкой-полярностью.
Оценивая, насколько углеродные нанотрубки могут улучшить электропроводность, невозможно отделить себя от конкретных сценариев применения. Целью литиевых батарей является снижение сопротивления пластинчатого электрода. В пластмассах это делается для обеспечения анти-статической защиты или защиты от электромагнитных помех. В покрытиях это резкое падение поверхностного сопротивления. Полярность матрицы, вязкость расплава и сила сдвига при обработке напрямую влияют на морфологию сети углеродных нанотрубок в конечном продукте.
| Сценарий применения | Целевой показатель эффективности | Рекомендуемый тип CNT | Типичная сумма добавления | Диапазон улучшения проводимости |
|---|---|---|---|---|
| Антистатический-пластик | Поверхностное сопротивление 10⁶-10⁹ Ом/кв.м. | МУНТ | 1.0 - 2.5 вес.% | Изолятор → Антистатический класс (улучшение на 8 порядков) |
| ЭМИ экранирующие пластмассы | Volume conductivity >10² S/m | МУНТ/ОСУНТ | 3.0 - 8.0 % масс. / 0,5–2 % масс. | Изолятор → Проводящий класс (улучшение на 12 порядков) |
| Проводящая добавка для литиевых батарей | Electrode sheet resistivity reduction >40% | ОСУНТ (несколько-стенок) | 0.02 - 0.1 вес.% | По сравнению с чистым техническим углеродом внутреннее сопротивление резко падает, пропускная способность улучшается. |
| -Антистатическое-покрытие на водной основе | Поверхностное сопротивление<10⁶ Ω/sq | Паста из МУНТ на водной-основе | 1.5 - 3.0 мас.% (сухой вес) | Изоляционное покрытие → Постоянная антистатика-(улучшение на 9 порядков). |
Ссылка на данные: Многосистемная база данных измерений из Шаньдунского центра исследований и разработок новых материалов Танфэн.
4. Реальная-болевая точка мира: почему ваша формула не может достичь сверх-высокой проводимости, описанной в литературе?
Из-за трудностей с дисперсией и сдвиговым разрушением на реальных производственных линиях фактический эффект улучшения проводимости углеродных нанотрубок в промышленных продуктах часто достигает лишь около 30% от теоретического значения.
Многие люди добавляют 0,5% УНТ, основываясь на литературе, только для того, чтобы обнаружить, что измеренное удельное сопротивление все еще смехотворно велико. Почему? Потому что в литературе используется зондовая ультразвуковая обработка + центробежное ручное-смешивание для идеального диспергирования, а на производственной линии используются двух-шнековые экструдеры или бисерные мельницы. Хотя высокая сила сдвига может раскрыть агломераты, она также безжалостно обрезает углеродные нанотрубки. Как только соотношение сторон резко падает с 1000 до 100, сеть перколяции разрывается, и проводимость, естественно, значительно снижается. Не говоря уже о нераспавшихся твердых агломератах, которые не только не проводят электричество, но и становятся точками концентрации напряжений.
5. Расширение возможностей производителей: как Shandong Tanfeng помогает клиентам достичь предельного предела проводимости углеродных нанотрубок?
Выбор исходного производителя, такого как Shandong Tanfeng, который владеет основными технологиями -аспектной-индивидуализации и изготовления паст-, может эффективно избежать потери аспектного соотношения и агломерации, реализуя максимальный потенциал проводимости углеродных нанотрубок при чрезвычайно низких количествах добавок.
Если вы всегда боретесь с тем, насколько углеродные нанотрубки могут улучшить электропроводность, но вас постоянно сдерживает плохая диспергируемость порошка, проблема, вероятно, кроется в сырье. Являясь профессиональным производителем УНТ, компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. сокращает потери проводимости в источнике синтеза, обеспечивая бескомпромиссную производительность:
Настройка сверх-высокого соотношения сторон: Conductivity is positively correlated with aspect ratio. Through precise catalysis, Shandong Tanfeng provides multi-walled and single-walled tubes with aspect ratios >1500. По сравнению с обычными коммерческими трубками (соотношение сторон<300), the overlap nodes increase by more than 5 times at the same addition amount, allowing 2% addition to achieve the conductivity effect of 5%.
Технология-удаления-предотвращения запутывания-на месте:Чтобы решить проблему перелома, вызванного сильным сдвигом, компания Shandong Tanfeng использует технологию-развития-на месте на этапе синтеза, сохраняя пучки труб свободными и не плотно агломерированными. Далее по течению их можно смачивать и диспергировать при низкой силе сдвига, максимально сохраняя соотношение сторон. Показатели проводимости улучшены более чем на 40 % по сравнению с традиционным твердым-агломерированным порошком.
Готовы-к-использованию проводящей пасты:Компания Shandong Tanfeng предлагает предварительно-диспергированные пасты для систем на основе NMP, на водной{1}}и смоляной-основе с микронной-настоящей одно-дисперсией в одной трубке (D90).<5 μm), completely eliminating secondary agglomeration. In lithium battery and coating systems, the paste products allow carbon nanotubes to exert 100% of their effectiveness, with measured electrode sheet resistivity significantly reduced, helping customers achieve more extreme conductivity targets at lower cost.
Заключение
Возвращаясь к исходному вопросу: сколько можноуглеродные нанотрубкиулучшить электропроводность? От 8-порядка-прыжка-величины анти-статических характеристик до 12-порядка-прыжка-величины защиты от электромагнитных помех, его потенциал огромен. Однако все это основано на предположении, что вы можете достичь порога перколяции, выбрать правильный тип трубки и преодолеть технологические препятствия, связанные с дисперсией и поломкой трубки. Вместо того, чтобы бороться с некачественным порошком на производственной линии, лучше использовать технические возможности производителя исходного сырья, такого как Shandong Tanfeng, используя индивидуальные продукты с высоким-пропорциональным соотношением и предварительно диспергированные пасты, чтобы превратить каждый грамм углеродных нанотрубок в самый мощный проводящий двигатель в вашей рецептуре.