При разработке многих передовых промышленных и специальных материалов инженеры часто сталкиваются с критическим вопросом: могут ли углеродные нанотрубки выдерживать экстремальные условия эксплуатации? Например, высоко-термостойкие покрытия вокруг аэрокосмических двигателей, анти-коррозионные покрытия для химических реакторов с сильной кислотой и щелочью или огнестойкие-материалы для кабелей высокого-напряжения. Насколько стабильны углеродные нанотрубки в условиях высокой температуры/сильной кислоты/сильных щелочей? Если эти физико-химические границы четко не поняты, добавление не только не даст ожидаемых результатов, но также может привести к серьезным инженерно-техническим авариям. Сегодня мы будем использовать реальные данные испытаний, чтобы выявить истинную эффективность углеродных нанотрубок в экстремальных условиях.
Высокая-Температурная стабильность углеродных нанотрубок: окисление – единственная ахиллесова пята
В среде инертного газа или вакуума углеродные нанотрубки могут выдерживать температуры, достигающие 3000 градусов. Однако в кислород-содержащем воздухе окислительное разложение начинается при температуре выше 400 градусов.
Углеродные нанотрубки состоят из чистых углеродных связей sp²-углерода, что придает им чрезвычайно высокую термическую стабильность. Однако на практике подавляющее большинство сред содержат кислород. Ключевым фактором, определяющим стойкость углеродных нанотрубок к окислению на воздухе, являются «плотность дефектов» и «степень графитизации» стенок трубок. Аморфные примеси углерода и атомы углерода в структурных дефектах имеют более высокую энергию и являются предпочтительными местами атаки кислорода при высоких температурах.
| Тип углеродной нанотрубки | Степень графитизации | Начальная температура окисления на воздухе (Ti) | Остаток при температуре 800 градусов в воздухе | Допустимая температура в инертном газе |
|---|---|---|---|---|
| Неочищенные многостенные-трубы (низкой чистоты) | Низкий | ~350 градусов | >5% (высокая зольность) | 2000 градусов |
| Трубки с несколькими-многослойными стенками высокой-чистоты (99 %+) | Относительно высокий | ~450 градусов | <0.5% | 2500 градусов |
| Одностенные-углеродные нанотрубки | Очень высокий | ~500 градусов | <0.1% | >2800 градусов |
(Примечание: приведенные выше данные основаны на стандарте термогравиметрического анализа ASTM E1131 со скоростью нагрева 10 градусов в минуту в воздушной атмосфере.)
Данные показывают, что если ваше приложение связано с высокотемпературной-кислородной-средой (например, высокотемпературными-теплопроводящими силиконовыми смазками или-огнестойкими пластиками), необходимо выбирать углеродные нанотрубки высокой-чистоты, прошедшие высоко-обработку отжига. В противном случае материал начнет «испаряться» при температуре выше 300 градусов.
Сильная кислотная стабильность углеродных нанотрубок: явный эффект обоюдоострого меча
Углеродные нанотрубки чрезвычайно стабильны в обычных слабых кислотах. Однако в условиях сильной кислоты, например, при нагревании смеси кислот, крышки трубок и дефекты стенок будут окислительно разрезаться, вызывая необратимые структурные повреждения.
При модификации материалов мы часто используем смешанный раствор концентрированной серной кислоты и концентрированной азотной кислоты (3:1 по объему) для «кислотной промывки» углеродных нанотрубок для прививки карбоксильных групп. Но это по сути деструктивный процесс. Согласно руководству по характеристикам ISO/TS 11308, длительная обработка сильной кислотой значительно уменьшает соотношение сторон углеродных нанотрубок, «разрезая» их на короткие трубки, что приводит к существенному снижению характеристик проводящей сети.
| Среда погружения | Условия лечения | Изменение средней длины | Изменение поверхностной функциональной группы | Изменение порога кондуктивной перколяции |
|---|---|---|---|---|
| 10% разбавленная соляная кислота (комнатная температура) | 24 часа | Почти без изменений | Никаких существенных изменений | Без изменений |
| Концентрированная серная кислота (комнатная температура) | 48 часов | Немного укороченный | Очень следовые гидроксильные группы | Немного увеличено |
| Смесь кислот (H₂SO₄:HNO₃) при 80 градусах | 2 часа | Сокращено более чем на 70% | Большое количество карбоксильных/карбонильных групп. | Significantly increased (>3 раза) |
Поэтому, если во время производства ваш продукт должен подвергаться сильным кислотным процессам (например, обработке кислотной ванной для некоторых специальных волокон), непосредственное добавление углеродных нанотрубок невозможно. Необходимо учитывать-кислотостойкие слои покрытия или корректировку последовательности процесса.
Сильная щелочная стабильность углеродных нанотрубок: удивительно превосходные характеристики
Углеродные нанотрубки обладают чрезвычайно высокой устойчивостью к сильным щелочным средам. Даже после длительного-погружения в высокотемпературную концентрированную щелочь (например, 40 % NaOH) их структурная морфология и электропроводность почти не ухудшаются.
В отличие от сильных кислот, углеродная сеть sp² углеродных нанотрубок естественным образом химически инертна к растворам щелочей. В химических анти-коррозионных покрытиях и сильнощелочных электролитах аккумуляторов (таких как воздушно-цинковые-аккумуляторы и некоторые водные аккумуляторы) углеродные нанотрубки являются идеальными проводящими наполнителями.
| Условия испытаний | Время погружения | Соотношение ID/IG в рамановской спектроскопии (характеристика дефектов) | Скорость массовой потери | Изменение проводимости |
|---|---|---|---|---|
| 40% NaOH (комнатная температура) | 720 часов | Никаких существенных изменений | <0.1% | Нет распада |
| 40% NaOH (80 градусов) | 120 часов | Никаких существенных изменений | <0.2% | Нет распада |
| 40% КОН (комнатная температура) | 720 часов | Никаких существенных изменений | <0.1% | Нет распада |
Это означает, что в области создания сильнощелочных анти-коррозионных покрытий вы можете уверенно использовать углеродные нанотрубки для улучшения анти-статической и теплопроводности покрытия, не беспокоясь о коррозии или деградации материала.
Новый материал Shandong Tanfeng: уверенность производителя в высокой-стабильности углеродных нанотрубок
Новый материал Shandong Tanfeng, улучшая степень графитации и снижая плотность дефектов стенок трубок, значительно повышает стойкость к окислению и коррозии углеродных нанотрубок, что делает его предпочтительным производителем исходных материалов для экстремальных условий эксплуатации.
Для достижения максимальной эффективности углеродных нанотрубок в условиях высоких-температур или агрессивных сред решающим фактором является качество самого материала. Новый материал Шаньдун Танфэн благодаря глубокому технологическому накоплению демонстрирует значительные преимущества:
Процесс высокотемпературного-отжига, повышающий стойкость к окислению:Компания Tanfeng New Material представляет запатентованную технологию высокотемпературного графитационного отжига после CVD-роста, устраняющую дефекты решетки в стенках трубок и повышающую начальную температуру окисления углеродных нанотрубок на воздухе до температуры выше 480 градусов, что полностью отвечает требованиям, предъявляемым к-высококонечным-температурным пластикам и теплопроводящим материалам.
Максимальное удаление примесей, снижение чувствительности к кислотам/щелочам:Ориентируясь на остатки аморфного углерода и металлических катализаторов, которые наиболее подвержены воздействию сильных кислот/щелочей, компания Shandong Tanfeng использует несколько процессов очистки для стабильного контроля содержания золы в пределах 0,5%. При отсутствии «сдерживающих» примесей коррозионная стойкость самих углеродных нанотрубок полностью высвобождается.
Индивидуальные составы,-устойчивые к атмосферным воздействиям:Для экстремальных условий эксплуатации компания Shandong Tanfeng не только предлагает порошки с высокой-стабильностью, но также предлагает маточные смеси углеродных нанотрубок со специальной обработкой пассивации поверхности, предотвращающей локальные реакции во время обработки сильными кислотами/щелочками, обеспечивая надежную гарантию материала для высокотехнологичных областей-таких как аэрокосмическая и химическая защита от-коррозии.
Стабильность углеродных нанотрубок в экстремальных условиях демонстрирует четкую закономерность: «отличная стойкость к высоким-температурам (без кислорода-) / превосходная стойкость к сильным щелочам, но восприимчивость к высокотемпературным средам, содержащим{-кислород-, и к нагреву в смеси сильных кислот». При выборе материалов важно подобрать их в соответствии с фактической температурой обработки и химической средой. Если вы ищете высококачественные-углеродные нанотрубки, которые сохраняют структурную стабильность в сложных условиях эксплуатации, компания Shandong Tanfeng New Material, благодаря своим производственным преимуществам в виде высокой кристалличности и низкого уровня дефектов, несомненно, является партнером, которому можно доверять.