Является ли агломерация самой большой трудностью порошка углеродных нанотрубок?

Одной из самых больших технологических трудностей при практическом применении порошка углеродных нанотрубок действительно является агломерация, и обычное перемешивание сухого порошка обычно может только улучшить макроскопическое смешивание. Очень трудно полностью отделить стабильные пучки УНТ только с помощью сухого смешивания низкой-интенсивности.

Углеродные нанотрубки имеют высокое соотношение сторон, относительно большие удельные площади поверхности и сильные взаимодействия между-трубками, что делает их склонными к образованию связок-подобных или агломерированных структур во время подготовки, хранения и транспортировки. Исследования показывают, что ван-дер-ваальсовые взаимодействия между УНТ способствуют образованию пучков и агрегатов, что также является давней-проблемой диспергирования, поскольку углеродные нанотрубки переходят из лабораторных материалов в промышленное применение. Но здесь есть проблема, которую легко упустить из виду: «Равномерное перемешивание черного порошка» ≠ «Правильное диспергирование углеродных нанотрубок». Что действительно необходимо оценить в отношении заводов, так это:

Может ли перемешивание сухого порошка разрушить агломераты УНТ до целевого размера?

Могут ли УНТ равномерно войти в матрицу?

Будут ли они повторно-агломерироваться во время последующей обработки?

Будет ли длина УНТ сокращаться при диспергировании?

Эти вопросы определяют, сможет ли порошок углеродных нанотрубок в конечном итоге выполнять свои функции проводящей, армирующей или электромагнитной защиты.

I. Почему порошок углеродных нанотрубок особенно склонен к агломерации?

Фундаментальной причиной склонности углеродных нанотрубок к агломерации является совокупный эффект высокой удельной поверхности и сильных взаимодействий между трубками, из-за чего отдельные УНТ не желают оставаться отделенными друг от друга в течение длительного времени.

Углеродные нанотрубки — это не обычные сферические частицы.

Они имеют особые характеристики:

Наноразмерный диаметр;

Микронный-масштаб или даже больше;

Высокое соотношение сторон;

Графитированная поверхность;

Относительно большая эффективная площадь контакта.

Когда большое количество УНТ вступает в контакт, между трубками легко образуются структуры, похожие на пучки-. УНТ образуют кристаллические пучки из-за сильного притяжения Ван-дер-Ваальса, и такое поведение само-агрегации является важным препятствием, влияющим на обработку и практическое применение УНТ. Высокая удельная поверхность, гидрофобная поверхность, силы Ван-дер-Ваальса и π-π-взаимодействия УНТ заставляют их образовывать агрегаты или пучковые -подобные структуры разных размеров во многих полимерах и обычных растворителях. Таким образом, появление агломераций в порошке углеродных нанотрубок не обязательно означает плохое качество продукта.

Определенная степень агломерации сама по себе является одной из характеристик порошка УНТ.

Что действительно необходимо контролировать, так это размер агломератов, насколько они тесно связаны и можно ли их эффективно де-деагломерировать после попадания в конечную систему.

II. Что такое «агломерация» в порошке углеродных нанотрубок?

Агломерация в порошке УНТ представляет собой не просто слипание нескольких частиц, а может представлять собой сложную структуру, постепенно формируемую из отдельных трубок, пучков-подобных структур и более крупных вторичных агломератов.

Его можно просто понимать как три уровня:

Первый уровень: индивидуальный CNT

Это идеальное состояние с одной-лампой.

Второй уровень: Комплект CNT

Несколько углеродных нанотрубок выравниваются друг с другом в определенном направлении, образуя пучок.

Третий уровень: макроскопический агломерат.

Большое количество пучков УНТ еще больше переплетаются и уплотняются, образуя агломераты порошка видимого или микронного масштаба.

Исследования показали, что УНТ в нестабильных дисперсионных системах могут сначала образовывать примерно параллельные пучки, содержащие около 2-6 трубок, а затем образовывать трехмерные сетчатые агломератные структуры.

Следовательно: Маленькая черная частица, которую видит завод, может быть не «частицей» внутри, а большой массой переплетенных углеродных нанотрубок.

III. Может ли обычный сухой порошок при перемешивании напрямую разрушить углеродные нанотрубки?

Он может улучшить макроскопическую однородность, но, как правило, не может полностью разделить стабильные пучки УНТ на идеальные отдельные трубки или тонкие структуры, подобные пучкам.

Это ключ к пониманию «дисперсии сухого порошка углеродных нанотрубок».

Обычное оборудование для сухого смешивания в основном обеспечивает:

Перемешивание;

Конвекция;

Трение;

Сжатие;

Определенная степень сдвига.

Он может превратить порошок УНТ из: Крупных агломератов → Относительно однородной порошковой смеси. Но это не обязательно может привести к дальнейшему достижению: Большие агломераты → Мелкие агломераты → Пучки УНТ → Дисперсия по уровням в отдельных трубках.

Существующие исследования специально сравнивали механическую деагломерацию УНТ в сухом-состоянии-с мокрой обработкой, указывая на то, что традиционное механическое смешивание может использовать такие силы, как сдвиг, сжатие и трение, для разрушения агломератов, но для плотно агломерированных МУНТ возможности де-агломерации обычных механических методов часто ограничены.

Итак, если на заводе говорят: «Мы перемешивали УНТ и порошок смолы в течение 30 минут, и он уже выглядит однородным».

Этот вывод может лишь указывать на то, что макроскопическое перемешивание относительно однородно. Пока невозможно доказать: УНТ полностью диспергированы в микроскопическом масштабе.

IV. Почему перемешивание сухого порошка может выглядеть однородным, но агломераты УНТ все еще могут существовать?

Потому что макроскопическая однородность и наноразмерная однородность — это два совершенно разных понятия.

Например, к партии смолы весом 100 кг добавляется 1 кг углеродных нанотрубок.

После смешивания сухого порошка он может выглядеть очень однородным в зависимости от контейнера для отбора проб, цвета и внешнего вида.

Но после увеличения все еще может существовать следующее:

агломераты уровня 10 мкм-;

Несколько пучков УНТ уровня -мкм-;

Местные регионы с высокой-концентрацией населения;

Сети CNT развернуты не полностью.

Это можно понять с помощью следующей концепции:

Фактическая цель состоит не в том, что все приложения должны достичь «полного рассеивания отдельных УНТ». По-настоящему разумной целью является достижение масштаба дисперсии, соответствующего характеристикам конечного продукта.

V. Почему диспергировать сухой порошок углеродных нанотрубок сложнее, чем обычный порошок?

Высокое соотношение сторон и высокая удельная поверхность УНТ придают им более сильную склонность к перепутыванию и агломерации по сравнению с обычными сферическими наполнителями.

Сравнение можно провести:

Поэтому нельзя просто предположить, что: «Нанопорошки можно растворить, просто увеличив скорость перемешивания». Дисперсия УНТ — это проблема, определяемая в совокупности затратой энергии, межфазными взаимодействиями и структурой материала.

VI. Как определить, действительно ли порошок углеродных нанотрубок диспергирован?

Вы не можете просто смотреть на цвет и визуальное наблюдение. Как минимум, оценка должна учитывать размер агломерата, микроскопическую морфологию, вязкость или конечные характеристики.

Рекомендуется выбирать методы тестирования в соответствии с применением.

Среди них окончательные испытания производительности зачастую более значимы, чем достижение только определенного размера частиц.

Потому что даже если система УНТ выглядит хорошо диспергированной под микроскопом, но конечная проводимость не улучшается, это нельзя считать настоящим успехом процесса.

VII. Какой процесс диспергирования следует использовать для порошка углеродных нанотрубок?

Относительно надежный подход заключается в использовании поэтапного процесса «предварительного-смешивания-де-агломерации-стабилизации-проверки», а не использования максимальной механической энергии с самого начала.

Шаг 1. Предварительное-смешивание

Во-первых, позвольте УНТ установить равномерный контакт с основным материалом или дисперсионной средой.

Шаг 2: Постепенно увеличивайте сдвиг

Постепенно увеличивайте механическую энергию в зависимости от степени агломерации.

Шаг 3. При необходимости используйте ультразвук или шлифовку

В жидкофазных системах размер агломератов можно дополнительно уменьшить с помощью ультразвука, сильного сдвига или измельчения.

Шаг 4: Стабилизация

Используйте диспергаторы или методы модификации поверхности, подходящие для системы, чтобы снизить вероятность повторной агломерации.

Шаг 5: Проверка

Как минимум, проверьте:

Размер агломерата;

Вязкость;

Седиментация;

длина УНТ;

Финальное проводящее выступление.

Этот подход соответствует обычному пути «смешивания-ультразвуковой-стабилизации-проверки эффективности» в исследованиях дисперсии УНТ. В соответствующих обзорах механическое смешивание, ультразвук и стабилизация также рассматриваются как основные этапы разработки жидкой-фазовой/композитной дисперсии УНТ.

VIII. Одинакова ли сложность дисперсии для разных порошков углеродных нанотрубок?

Нет. Диаметр, длина, чистота, состояние поверхности и степень агломерации трубки влияют на окончательный процесс диспергирования.

Следовательно, нельзя напрямую скопировать чужое: «500 Вт + 30 минут», а затем предположить, что его собственные УНТ обязательно достигнут того же эффекта.

Параметры дисперсии УНТ должны определяться в сочетании со следующими параметрами: Спецификации материала + Содержание твердых веществ + Среда + Диспергатор + Оборудование.

IX. Как производитель порошка углеродных нанотрубок, как Shandong Tanfeng помогает клиентам решать проблемы агломерации?

По-настоящему ценный поставщик УНТ должен не просто предоставить таблицу технических характеристик порошка, но также помочь клиентам сопоставить параметры материала с реальными процессами диспергирования.

Как производитель порошка углеродных нанотрубок, компания Shandong Tanfeng может адаптироваться к конечному варианту применения клиента:

тип УНТ;

Диаметр трубки;

Длина;

Чистота;

Удельная площадь поверхности;

Поверхностное состояние;

Система приложений;

Рекомендуемое направление рассеивания.

Например, если клиент имеет дело с:

Проводящие пластмассы:Основное внимание уделяется диаметру трубы + длине + соотношению сторон + условиям сдвига при экструзии.

Водная суспензия:Основное внимание уделяется смачиванию + диспергатору + сдвигу/ультразвуку + стабильности.

Система НМП:Основное внимание уделяется совместимости с растворителями + дисперсионному состоянию + содержанию твердых веществ + вязкости.

Резиновая смесь:Основное внимание уделяется соотношению сторон + межфазному соединению + процессу смешивания.

Таким образом, логика выбора продукта Shandong Tanfeng может перейти от «Какую модель продавать» к «Какую проблему дисперсии необходимо решить покупателю».

X. Является ли агломерация порошка углеродных нанотрубок признаком плохого качества?

Об этом нельзя судить просто так, поскольку определенная степень агломерации в состоянии сухого порошка является обычным поведением самого материала.

Что действительно следует выделить, так это:

Нормальная агломерация порошкамогут быть повторно-рассеяны с помощью разумных процессов.

Чрезмерно-уплотненная агломерациядля открытия требуется значительно большая энергия.

Агломерация, вызванная состоянием поверхности материаламожет потребоваться изменение дисперсионной системы.

Необратимая агломерация, вызванная технологической обработкойвозможно, уже повлияло на конечные характеристики продукта.

Поэтому при закупке не требуйте просто: «Порошок не должен иметь абсолютно никаких агломераций».

Более разумное требование: «Какого уровня дисперсии может достичь порошок в моей целевой системе и условиях процесса?»

XI. Часто задаваемые вопросы

Является ли агломерация самой большой трудностью порошка углеродных нанотрубок?

Агломерация действительно является одной из основных трудностей процесса промышленного применения УНТ, но это не единственная трудность. Помимо агломерации, также необходимо учитывать смачивание, стабильность дисперсии, сохранение аспектного соотношения, вязкость, межфазное соединение и стабильность партии.

Может ли перемешивание сухого порошка напрямую разрушить углеродные нанотрубки?

Это может улучшить макроскопическое перемешивание, но обычное перемешивание сухого порошка обычно не может гарантировать полную диссоциацию прочно связанных пучков УНТ. Если к конечному продукту предъявляются высокие требования к микроскопическому диспергированию, обычно требуется дополнительная высокая скорость сдвига, компаундирование в расплаве или влажное диспергирование.

Почему углеродные нанотрубки склонны к образованию агломератов?

В основном это связано с сильными межтрубными ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, высокой удельной поверхностью и одномерной структурой с высоким соотношением сторон.

Может ли ультразвук полностью решить проблему агломерации УНТ?

Это не может быть гарантировано. Ультразвук может значительно улучшить дисперсию жидкой-фазы, но эффект зависит от характеристик УНТ, среды, диспергатора, концентрации и затрат энергии, а чрезмерный ультразвук может привести к уменьшению длины УНТ.

Всегда ли более тонкая дисперсия углеродных нанотрубок лучше?

Нет. Необходимо найти баланс между уменьшением агломератов, стабильностью дисперсии, проводящей сеткой и сохранением длины УНТ.

Для каких применений подходит сухое смешивание CNT?

Сухое смешивание относительно подходит для предварительного-смешивания порошков, сухого смешивания полимеров, маточных смесей и некоторых способов обработки порошков. Если конечный продукт представляет собой водную суспензию или суспензию NMP, обычно все равно необходимы процессы диспергирования жидкой фазы.

Как определить, легко ли диспергировать порошок УНТ?

Вы не можете просто смотреть на чистоту. Рекомендуется одновременно сравнивать диаметр, длину трубок, удельную площадь поверхности, состояние агломерации порошка и требовать от поставщиков предоставления данных TEM/SEM и данных испытаний на дисперсию для целевой системы.

Может ли компания Shandong Tanfeng предоставить рекомендации по рассеиванию?

Да. Соответствующие рекомендации по подбору продукта и процессу диспергирования могут быть предоставлены в зависимости от диаметра трубки, длины, чистоты порошка УНТ, а также водных систем, NMP, смол или других систем нанесения, используемых заказчиком.

Углеродные нанотрубки нетрудно равномерно перемешать.-Скорее, необходимо правильно понимать, что означает настоящая дисперсия.

Агломерация порошка углеродных нанотрубок является типичной проблемой обработки, вызванной его наноструктурой, и обычное перемешивание сухого порошка в основном решает проблему макроскопической однородности, которая не может автоматически приравниваться к наномасштабной де-агломерации.

Для некоторых проводящих пластиков, порошковых композиционных материалов и маточных смесей процессы: сухое смешивание → высокая скорость сдвига/экструзия → окончательная обработка могут стать вполне разумным маршрутом.

Для водных систем, NMP и других жидких систем обычно более подходящим является предварительное-смачивание → Высокая скорость сдвига → Ультразвук/измельчение → Стабилизация → Проверка рабочих характеристик.

И по-настоящему превосходный процесс диспергирования УНТ не заключается в следующем: «Разрушение УНТ как можно более мелкое». А скорее: «Использование достаточной энергии для открытия нежелательных агломератов при максимальном сохранении эффективной длины и структуры УНТ».

Это также наиболее примечательный момент при покупке порошка углеродных нанотрубок.-Параметры материала определяют отправную точку, а процесс диспергирования определяет, действительно ли могут быть реализованы характеристики материала.

Как производитель порошка углеродных нанотрубок, компания Shandong Tanfeng, помимо предоставления порошка углеродных нанотрубок различных характеристик, также может подбирать материалы по таким размерам, как диаметр трубки, длина, чистота, удельная поверхность и целевая система дисперсии в соответствии с конечным применением клиента. Клиентам, которым необходимы водные смеси, NMP, смеси смол или проводящие пластики, вместо простого сравнения «порошок какой компании дешевле» рекомендуется напрямую сравнивать состояние агломерации, количество добавок, проводящие характеристики и стабильность партии в одном и том же процессе диспергирования.

Истинная ценность порошка углеродных нанотрубок заключается не в том, насколько однородным выглядит сам порошок, а в том, может ли он сформировать эффективную функциональную сеть с соответствующей структурой после попадания в конечный продукт.