Что делать с неоднородной-дисперсией углеродных нанотрубок?

В области производства высококачественных проводящих пластиков-, электродов для литиевых батарей и современных покрытий углеродные нанотрубки (УНТ) стали незаменимыми нанодобавками благодаря своим превосходным механическим и электрическим свойствам. Однако во время фактической обработки инженеры часто сталкиваются с фатальной проблемой: что делать с неоднородной дисперсией углеродных нанотрубок? Из-за чрезвычайно высокого соотношения сторон и сильных межтрубных сил Ван-дер-Ваальса УНТ очень склонны к спутыванию в пучки, образуя плотные агломераты. При нарушении дисперсии не только не может быть сформирована эффективная трехмерная проводящая сеть, но и агломераты также становятся точками концентрации напряжений внутри материала, что приводит к резкому увеличению местного сопротивления и резкому падению механических свойств. В этой статье будет глубоко проанализирована основная логика отказа дисперсии и предложены практические инженерные решения.

1. Основная причина: почему углеродные нанотрубки всегда слипаются?

Основная причина неоднородной-дисперсии углеродных нанотрубок заключается в их чрезвычайно высоком аспектном отношении и необратимой агломерации, вызванной сильными межтрубными силами Ван-дер-Ваальса.

С физико-химической точки зрения поверхностная энергия отдельной УНТ чрезвычайно высока. Чтобы достичь термодинамической стабильности, система неизбежно агломерируется, чтобы уменьшить поверхностную энергию. В соответствующей литературе указывается, что удельная поверхность много-углеродных нанотрубок обычно составляет от 200-400 м²/г. Как только расстояние между трубками уменьшится примерно до 0,34 нм, притяжение Ван-дер-Ваальса может достигать нескольких электрон-вольт на нанометр. Это притяжение намного превышает силу сдвига, обеспечиваемую обычным механическим перемешиванием, что делает их распутывание в обычных процессах смешивания принципиально невозможным. Кроме того, неизбежные дефекты и примеси аморфного углерода в УНТ при синтезе также действуют как «связующие», усугубляя образование жестких агломератов.

2. Физико-механическая де-агломерация: как выбрать режущее и ультразвуковое оборудование?

Метод физического диспергирования предполагает насильственный ввод энергии высокой-плотности извне, чтобы разорвать физическое перепутывание между трубками, и является необходимым способом достижения предварительной де-агломерации.

Когда вы сталкиваетесь с дилеммой неоднородной-дисперсии углеродных нанотрубок, физический метод является первым шагом. Распространенные методы включают ультразвуковое диспергирование и измельчение с высоким-сдвиговым усилием. Ударная сила микро-струи, создаваемая ультразвуковой кавитацией, может достигать сотен МПа, эффективно разрывая запутанные пучки УНТ. Трех-фрезерование, с другой стороны, обеспечивает высокую силу сдвига за счет точной регулировки зазора между валками. Однако важно помнить, что чрезмерное воздействие ультразвука может разрушить УНТ, уменьшив их соотношение сторон и вместо этого ослабив их проводящие и усиливающие эффекты.

3. Химическая модификация поверхности: как добиться долговременной-стабильной дисперсии без осаждения?

Химическая модификация поверхности – это основной способ ингибировать вторичную агломерацию углеродных нанотрубок и достигать долговременной-стабильной дисперсии.

Физическое рассеивание — это вынужденная де-агломерация. Как только поступление энергии прекратится, УНТ быстро подвергнутся вторичной запутанности. Таким образом, фундаментальное решение проблемы неоднородного-диспергирования углеродных нанотрубок заключается в модификации поверхности. В основном это подразделяется на модификацию ковалентной связи и покрытие не-ковалентной связью. Хотя модификация ковалентной связи (например, введение карбоксильных групп посредством смешанного кислотного окисления) может значительно улучшить гидрофильность, она разрушает sp²-гибридную сопряженную структуру, вызывая снижение собственной проводимости на 20%-50%. Модификация не-ковалентной связи (например, добавление поверхностно-активных веществ SDS, SDBS или полимерных диспергаторов) использует эффекты π-π-стакинга или стерических затруднений для достижения стабильной дисперсии без разрушения структуры стенки трубки.

Ссылка на данные: испытания проводимости и стабильности, проведенные лабораторией новых материалов Шаньдун Танфэн для различных модификаторов в системах эпоксидных смол.

4. Сопоставление систем и формирование пасты: как избежать дисперсионных тупиков из источника?

Преобразование УНТ в дисперсную пасту, которая хорошо совместима с последующей матрицей, является оптимальным путем преодоления порога промышленного применения.

На реальных производственных линиях прямое добавление сухого порошка УНТ в матрицу и перемешивание является распространенной ошибкой, которая приводит к нарушению диспергирования. Растворители и смолы разной полярности обладают совершенно разной смачивающей способностью УНТ. Например, не-полярные смолы ПЭ/ПП вообще не могут смачивать полярные-модифицированные УНТ. Таким образом, принятие стратегии «предварительного-диспергирования» -заранее де-агломерации УНТ в определенном растворителе или мономере для приготовления маточной смеси или пасты с высокой-концентрацией, а затем разбавление и смешивание - может повысить эффективность диспергирования более чем в три раза.

5. Преимущества прямых поставок производителя: как компания Shandong Tanfeng решает проблемы дисперсии в отрасли?

Выбор исходного производителя с возможностью изменения-на месте и непосредственного получения предварительно-диспергированных продуктов – это оптимальное решение, позволяющее снизить затраты на пробные-и-ошибки и обеспечить стабильность партии.

Столкнувшись с неоднозначным качеством продукции УНТ на рынке, многие перерабатывающие предприятия застряли в трясине «купленного порошка невозможно рассеять». Являясь опытным отечественным производителем УНТ, компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. вмешивается в разработку дисперсии со стороны синтеза, обладая незаменимыми основными преимуществами:

Технология модификации-на месте:На этапе CVD-синтеза за счет регулирования катализатора и оптимизации температурного поля начальная сила переплетения между трубками снижается, что существенно снижает образование твердых агломератов. Время ультразвукового диспергирования сокращается на 40% по сравнению с обычным коммерческим порошком.

Настраиваемая библиотека вставки:Компания Shandong Tanfeng производит не только высококачественный-сухой порошок, но и различные предварительно-диспергированные пасты, в том числе на водной-основе,-на основе масла (NMP/DMF) и на основе смол-. Содержание твердого вещества в пасте точно контролируется, стабильный размер частиц D90 менее 5 мкм и отсутствие жесткого оседания после 6 месяцев выдержки.

Количественный контроль качества:Опираясь на платформу Лаборатории новых материалов провинции Шаньдун, каждая партия УНТ, поставляемая компанией Shandong Tanfeng, сопровождается морфологическими изображениями TEM, рентгеновским анализом чистоты и кривыми вращательной вязкости, гарантируя, что колебания сопротивления от партии-к-партиям исключены.<5%, providing downstream customers with a "ready-to-use" experience.

Заключение

Возвращаясь к исходному вопросу: что делать с неоднородной-дисперсией углеродных нанотрубок? Это далеко не простая проблема, которую можно решить, просто запустив в цеху еще несколько миксеров. Это систематический инженерный проект, включающий термодинамику, механику жидкости и химию поверхности. От распознавания механизма агломерации до разумного сочетания физического сдвига и химической модификации и введения зрелой предварительно-диспергированной пасты - каждый шаг требует научного подтверждения. При работе с углеродными нанотрубками-углубленное сотрудничество с таким производителем исходных материалов, как Shandong Tanfeng, который разбирается в области применения и может предоставить индивидуальные решения для дисперсии, несомненно, является кратчайшим путем, позволяющим наноматериалам действительно проявлять свою «наномасштабную» эффективность.