В исследованиях и разработках модифицированных пластмасс, аккумуляторов и специальных покрытий углеродные нанотрубки действительно являются «промышленной добавкой» для улучшения производительности. Однако многие инженеры терпят неудачу с самого начала: добавление слишком малого количества не дает никакого эффекта, добавление слишком большого количества не только приводит к резкому росту затрат, но также приводит к слипанию порошка, что приводит к сбою в обработке. Каково подходящее количество добавляемых углеродных нанотрубок? Это ни в коем случае не число, полученное на основе догадок, а жесткий показатель, определяемый порогом просачивания материаловедения и реологии. Слепое накопление материала будет только контрпродуктивным. Сегодня мы воспользуемся реальными количественными данными, чтобы детально разобрать сумму прибавки в разных сценариях.
1. Основная логика: почему больше углеродных нанотрубок не всегда лучше?
Количество добавляемых углеродных нанотрубок должно превышать «порог перколяции», чтобы сформировать проводящую сеть, но после превышения порога улучшение производительности будет иметь уменьшающуюся отдачу, а вязкость системы будет увеличиваться в геометрической прогрессии, серьезно ухудшая технологичность.
Чтобы выяснить, какое количество углеродных нанотрубок является подходящим, вы должны сначала понять теорию перколяции. Когда количество добавки очень мало, трубки изолированы в матрице и не проводят электричество. Когда количество добавки достигает критической точки (порога перколяции), трубки мгновенно перекрываются, образуя трехмерную проникающую сетку, а проводимость подскакивает на несколько порядков. Однако, как только вы пересечете эту точку перегиба и продолжите добавлять материал, увеличение проводимости станет очень постепенным, но запутывание, вызванное наночастицами с высоким-аспектным-отношением, приведет к резкому увеличению вязкости системы. В процессах литья под давлением или экструзии большое количество добавки означает чрезвычайно высокий крутящий момент шнека, очень плохую текучесть и сильное охрупчивание.
| Диапазон сумм добавления | Состояние проводящей сети | Макроскопическое изменение проводимости | Увеличение вязкости системы | Обработка и механическое воздействие |
|---|---|---|---|---|
| Ниже порога (<0.5%) | Изолированные острова, не связанные между собой | Изолятор (<10⁻⁸ S/m) | Очень маленький | Отличная текучесть, отсутствие эффекта армирования. |
| Зона перколяции (0,5-2%) | Мгновенное проникновение в сеть | Экспоненциальный скачок (10⁻⁴~10¹ См/м) | Увеличение 50%-100% | Текучесть начинает снижаться, антистатический уровень |
| Overload Zone (>3%) | Избыточность и перекрытие сети | Медленное увеличение (период плато) | Surge of >300% | Чрезвычайно сложна в обработке, охрупчивание смолы, концентрация напряжений. |
2. Сценарий проводящего пластика: как точно расположить анти-статичные и проводящие сорта?
В проводящих пластиках количество добавляемых много-углеродных нанотрубок обычно составляет от 1%-5%, тогда как для одностенных углеродных нанотрубок требуется всего 0,05–0,5%. Чрезмерное добавление серьезно ухудшит ударную вязкость и блеск поверхности пластика.
Что касается подходящего количества добавляемых углеродных нанотрубок, наиболее типичным полигоном для испытаний является модификация пластика. Различные целевые значения удельного сопротивления определяют количество добавления. Для достижения антистатического уровня (10⁶-10⁹ Ом/кв.) достаточно 1-2% МУНТ. Для достижения уровня электромагнитного экранирования (<10² Ω/sq), 3-5% is needed. However, it must be noted that when the MWCNT addition amount exceeds 4%, the notched impact strength of most engineering plastics (such as PC, PA) will drop sharply by more than 30%, and the surface of injection-molded parts will become rough and matte.
| Целевой уровень производительности | Поверхностное сопротивление | Рекомендуемое дополнение MWCNT | Рекомендуемое дополнение SWCNT | Влияние на механические свойства |
|---|---|---|---|---|
| Анти-статическая оценка | 10⁶ - 10⁹ Ом/кв. | 1.0 - 2.0 вес.% | 0.05 - 0.2 вес.% | Небольшое, прочность на растяжение слегка увеличивается |
| Проводящий класс | 10³ - 10⁶ Ом/кв. | 2.0 - 3.5 вес.% | 0.2 - 0.5 вес.% | Средняя, сила удара начинает снижаться |
| Класс электромагнитной защиты | < 10³ Ω/sq | 4.0 - 8.0 вес.% | 0.5 - 2.0 вес.% | Тяжелая, материал становится хрупким, трудно поддается обработке. |
Ссылка на данные: данные испытаний двухшнековой экструзии в лаборатории нового материала Шаньдун Танфэн в матрице ПК.
3. Проводящая добавка для литиевых батарей: где предельная разница между 0,02% и 1%?
В катодах литиевых батарей количество добавляемых одно-углеродных нанотрубок обычно составляет 0,02%-0,1%, а много-углеродных нанотрубок – 0,5%–1,5%. Слишком низкое значение не может создать проводящую сеть большого радиуса действия, а слишком высокое вытеснит пространство активного материала и чрезвычайно ухудшит характеристики покрытия электродов.
Когда приходится бороться с подходящим количеством добавляемых углеродных нанотрубок в области литиевых батарей, это, по сути, игра между «плотностью энергии» и «электронной проводимостью». Сами углеродные нанотрубки не хранят литий; добавление слишком большого количества косвенно снижает долю катодного порошка (LFP/NCM), что напрямую снижает емкость батареи. Кроме того, высокая концентрация УНТ приведет к развитию сильной тиксотропии суспензии, что сделает покрытие электрода очень склонным к появлению царапин или трещин при высыхании.
| Система катодных материалов | Состав проводящей добавки | Тип CNT и сумма добавления | Снижение удельного сопротивления электродного листа | Вязкость суспензии/Характеристики покрытия |
|---|---|---|---|---|
| Литий-железо-фосфат (LFP) | СП + МУНТ | МУНТ 0.8 - 1.2 мас.% | Снижение 40%-50% | Среднее, обычное покрытие |
| Тройной материал (NCM811) | СП + МУНТ | МУНТ 0.5 - 0.8 мас.% | Снижение 30%-40% | Хороший, легко распределяется |
| Высокое-никель/кремний-углерод | СП + ОСНТ | ОСУНТ 0.02 - 0.1 мас.% | Сокращение 60%-80% | Низкая вязкость, необходимо контролировать гелеобразование |
4. Покрытия и клеи: экстремальное перетягивание-войны- между вязкостью и проводимостью
В жидких системах с низкой-вязкостью (таких как покрытия на водной-основе, эпоксидные клеи) добавление более 1,5 % углеродных нанотрубок очень легко приводит к гелеобразованию и разрушению. Необходимо полагаться на высокое соотношение сторон и технологию предварительного-диспергирования, чтобы контролировать количество добавляемого вещества в безопасном диапазоне 0,5%–1,5%.
Толерантность систем жидких смол намного ниже, чем у пластмасс. Без мощного сдвига двухшнекового-шнекового экструдера большие количества УНТ в жидкостях с низкой-вязкостью очень легко подвергаются седиментации или образуют сетчатый гель, в результате чего смола превращается в «черное тесто», которое невозможно распылить. Каково подходящее количество углеродных нанотрубок на данный момент? Ответ заключается в том, чтобы использовать как можно меньше трубок с высоким-аспектом-соотношения. Например, только 0,1% ОСУНТ могут сделать эпоксидную смолу проводящей, в то время как МУНТ, возможно, потребуется добавить до 1% для достижения того же эффекта, а 1% МУНТ уже удвоили вязкость.
5. Прорыв в производстве: как Shandong Tanfeng поможет вам добиться большей производительности с меньшими добавками?
Выбор исходного производителя, такого как Shandong Tanfeng, с высоким-аспектом-индивидуальной настройки соотношения сторон и технологией изготовления пасты-может значительно снизить порог перколяции композитного материала, достигая чрезвычайно высокой проводимости и механических характеристик при очень низком количестве добавок, полностью избегая риска ухудшения обработки.
Если вы всегда попадаете в ловушку отсутствия эффекта при слишком малом количестве добавок и не можете обработать слишком большое количество, проблема, вероятно, связана с самим сырьем. Недостаточное соотношение сторон, слишком низкая чистота и неспособность к диспергированию — все это приведет к тому, что фактический порог перколяции будет намного выше теоретического значения, что вынудит вас постоянно добавлять больше материала. Как профессиональный производитель УНТ, компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. с помощью фундаментальных технологий помогает вам довести количество добавляемых материалов до предела:
Настройка сверхвысокого-соотношения сторон: The percolation threshold is inversely proportional to the aspect ratio. Through precise catalysis, Shandong Tanfeng provides multi-walled/single-walled carbon nanotubes with an aspect ratio >1000. При том же количестве добавления вероятность перекрытия увеличивается более чем в 3 раза, что позволяет уменьшить количество добавляемых МУНТ в аккумуляторной системе LFP с 1,2% до 0,6%, сохраняя при этом чрезвычайно низкое сопротивление электродного листа.
Ультра-Вычитание высокой чистоты:Остатки металлического катализатора разрушают проводящую сеть и вызывают само-разряд батареи. Шаньдун Танфэн использует специальный процесс очистки, обеспечивающий чистоту МУНТ более 99,9%. Без примесей, «занимающих пространство», эффективное количество добавки становится чище.
Готовы-к-использованию решения для вставки:Чтобы полностью исключить «ложную высокую добавку», вызванную агломерацией порошка, компания Shandong Tanfeng предлагает предварительно-диспергированные пасты для растворителей NMP, систем на водной-основе и систем на основе чистых смол. Размер дисперсных частиц микронного-уровня (D90<5 μm) ensures that every gram of CNTs in the formulation is playing its role, helping you painfully squeeze out a 5%-10% profit margin on the formulation sheet.
Заключение
Возвращаясь к основному вопросу: каково подходящее количество добавляемых углеродных нанотрубок? Ответ ни в коем случае не просто 1% или 2%, а точное критическое значение, совместно определяемое соотношением сторон, полярностью матрицы и методами обработки. Вы можете остановиться, как только будет достигнут порог перколяции; Слепое добавление большего количества материала приведет только к обратным последствиям из-за вязкости и охрупчивания. Чтобы по-настоящему достичь «следовых количеств с высокой эффективностью», оптимальным решением, позволяющим вырваться из трясины «увеличения количества без увеличения эффективности», является использование высокого-соотношения-соотношений, высокой-чистоты и предварительно диспергированных пастообразных продуктов, поставляемых таким производителем, как Shandong Tanfeng.