Yuqori sifatli o'tkazuvchan plastmassalar, litiy batareya elektrodlari va ilg'or qoplamalar sohasida uglerod nanotubalari (CNTs) mukammal mexanik va elektr xususiyatlari tufayli ajralmas nano o'lchamdagi qo'shimchalarga aylandi. Biroq, haqiqiy qayta ishlash jarayonida muhandislar ko'pincha halokatli og'riqli nuqtaga duch kelishadi: uglerod nanotubalarining bir xil bo'lmagan-dispersiyasi bilan nima qilish kerak? O'zlarining juda yuqori tomonlar nisbati va kuchli van der Waals trubalararo kuchlari tufayli, CNTlar zich aglomeratlar hosil qilib, to'plamlarga o'ralashib qolishga juda moyil. Dispersiya muvaffaqiyatsizlikka uchraganidan so'ng, nafaqat samarali uch o'lchovli o'tkazgich tarmog'i hosil bo'lmaydi, balki aglomeratlar material ichidagi kuchlanish kontsentratsiyasi nuqtalariga aylanadi, bu esa mahalliy qarshilikning keskin oshishiga va mexanik xususiyatlarning keskin pasayishiga olib keladi. Ushbu maqola dispersiya buzilishining asosiy mantiqini chuqur tahlil qiladi va amaliy muhandislik echimlarini taqdim etadi.
1. Asosiy sabab: Nega uglerod nanotubalari doimo birga yig'ilib qoladi?
Uglerod nanotubalarining-bir xil dispersiyasining asosiy sababi ularning juda yuqori nisbati va kuchli van-der-Vaals kuchlari-nerasi tufayli yuzaga keladigan qaytarilmas aglomeratsiyadadir.
Fizik-kimyoviy nuqtai nazardan, individual CNTning sirt energiyasi juda yuqori. Termodinamik barqarorlikka yaqinlashish uchun tizim muqarrar ravishda sirt energiyasini kamaytirish uchun aglomeratsiyalanadi. Tegishli adabiyotlar ko'p devorli uglerod nanotubalarining o'ziga xos sirt maydoni odatda 200-400 m²/g orasida ekanligini ta'kidlaydi. Quvurlar orasidagi masofa taxminan 0,34 nm ga kamaygandan so'ng, van der Waals tortishish nanometriga bir necha elektron voltga yetishi mumkin. Bu tortishish an'anaviy mexanik aralashtirish bilan ta'minlangan kesish kuchidan ancha yuqori bo'lib, oddiy aralashtirish jarayonlari ularni ajratib olishni mutlaqo imkonsiz qiladi. Bundan tashqari, sintez jarayonida CNTdagi muqarrar nuqsonlar va amorf uglerod aralashmalari ham qattiq aglomeratlar hosil bo'lishini kuchaytiradigan "bog'lovchi" rolini o'ynaydi.
2. Jismoniy mexanik de{1}}Aglomeratsiya: kesish va ultratovush uskunasini qanday tanlash mumkin?
Jismoniy dispersiya usuli quvurlar orasidagi jismoniy chalkashlikni sindirish uchun yuqori{0}}zichlikdagi energiyani tashqaridan majburan kiritishni o'z ichiga oladi va dastlabki de-aglomeratsiyaga erishish uchun zarur yo'ldir.
Uglerod nanotubalarining bir xil bo'lmagan{0}}dispersiyasi dilemmasi bilan duch kelganda, jismoniy usul birinchi qadamdir. Umumiy usullarga ultratovush dispersiyasi va yuqori-qirqishli silliqlash kiradi. Ultrasonik kavitatsiya natijasida hosil bo'lgan mikro{4}}reaktiv ta'sir kuchi yuzlab MPa ga etib, chigallashgan CNT to'plamlarini samarali ravishda ajratib olishi mumkin. Uchta{6}}valonli frezalash esa, rulon oralig'ini aniq sozlash orqali kuchli kesish kuchini ta'minlaydi. Ammo shuni bilish kerakki, haddan tashqari ultratovush CNTlarni buzishi, ularning nisbatlarini kamaytirishi va o'tkazuvchanlik va mustahkamlovchi ta'sirini zaiflashtirishi mumkin.
| Dispersiya uskunalari | Harakat mexanizmi | Kesish/energiya zichligi | Bir martalik davolash vaqti | CNT sinishi xavfi | Amaldagi tizim |
|---|---|---|---|---|---|
| Ultrasonik prob | Kavitatsiya mikro{0}}jet ta'siri | Extremely high (>1000 Vt/sm²) | 10-30 min | High (aspect ratio loss >30%) | Kichik partiyadagi laboratoriya shlamlari |
| Uchta{0}vakatli tegirmon | Mexanik siqish va kesish | High (linear speed difference >10 m/s) | 3-5 tsikl | O'rta (kuchli nazorat qilish qobiliyati) | Yuqori-qovushqoqlikdagi qatronlar/silikonlar |
| Yuqori-Tezlik disperser | Makroskopik konveksiya va yirtish | Oʻrtacha-past | 60-120 min | Juda past | Past-qovushqoqlikdagi eritmani oldindan aralashtirish- |
3. Kimyoviy sirt modifikatsiyasi: cho'ktirmasdan uzoq{1}}muddatli barqaror dispersiyaga qanday erishish mumkin?
Kimyoviy sirt modifikatsiyasi uglerod nanotubalarining ikkilamchi aglomeratsiyasini inhibe qilish va-uzoq muddatli barqaror dispersiyaga erishishning asosiy vositasidir.
Jismoniy dispersiya majburiy de-aglomeratsiyadir. Energiyani kiritish to'xtatilgandan so'ng, CNT tezda ikkilamchi chalkashlikka uchraydi. Shuning uchun, uglerod nanotubalarining bir xil boʻlmagan{3}}dispersiyasi muammosining asosiy yechimi sirtni oʻzgartirishda yotadi. Bu asosan kovalent bog'lanishning modifikatsiyasi va kovalent bo'lmagan bog'lanishning-qoplamasiga bo'linadi. Kovalent bog‘lanish modifikatsiyasi (masalan, aralash kislotali oksidlanish orqali karboksil guruhlarini kiritish) gidrofillikni sezilarli darajada yaxshilashi mumkin bo‘lsa-da, sp² gibrid konjugatsiyalangan strukturani yo‘q qilib, ichki o‘tkazuvchanlikning 20%-50% pasayishiga olib keladi. Kovalent boʻlmagan bogʻlanish modifikatsiyasi (masalan, sirt faol moddalar SDS, SDBS yoki polimer dispersantlarni qoʻshish) quvur devori tuzilishini buzmasdan barqaror dispersiyaga erishish uchun p-p stacking yoki sterik toʻsiq effektlaridan foydalanadi.
| O'zgartirish usuli | Harakat mexanizmi | O'tkazuvchanlikni saqlash | Dispersiya barqarorligi (30 kundan keyin) | Xarajatlarning oshishi | Jarayonning murakkabligi | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Aralash kislotali oksidlanish (kovalent) | -OH/-COOH gidrofil guruhlari bilan tanishtiradi | 50%-70% | Zo'r ( | Zeta salohiyati | >40 mV) | Past | Yuqori (neytralgacha yuvishni talab qiladi) |
| Sirt faol modda (-kovalent bo'lmagan) | Sirt tarangligini / ikki qatlamli repulsiyani pasaytiradi | 80%-90% | Yaxshi (harorat/pH ta'siriga oson) | Past | Past | ||
| Polimer dispersant (-kovalent bo'lmagan) | Sterik to'siq va ankraj guruhlari | 90%-98% | Zo'r (deyarli joylashmagan) | Nisbatan yuqori | O'rta |
Ma'lumot uchun ma'lumot: Shandong Tanfeng New Material laboratoriyasi tomonidan epoksi qatronlar tizimlarida turli modifikatorlar uchun o'tkazuvchanlik va barqarorlik sinovlari.
4. Tizimni moslashtirish va joylashtirishni shakllantirish: Manbadan qanday qilib o'lik nuqtalarning tarqalishini oldini olish mumkin?
CNTlarni quyi oqim matritsasi bilan yuqori darajada mos keladigan dispers xamirga tayyorlash sanoatda qo'llash ostonasini kesib o'tishning eng maqbul yo'lidir.
Haqiqiy ishlab chiqarish liniyalarida CNT quruq kukunini to'g'ridan-to'g'ri matritsaga qo'shish va aralashtirish dispersiya buzilishiga olib keladigan keng tarqalgan xatodir. Turli xil qutbli erituvchilar va qatronlar CNT uchun juda boshqacha namlash qobiliyatiga ega. Masalan, -polar bo'lmagan PE/PP qatronlari polar{3}}o'zgartirilgan CNTlarni umuman namlay olmaydi. Shuning uchun, yuqori{8}}konsentratsiyali masterbatch yoki pasta tayyorlash uchun CNTlarni aniq erituvchi yoki monomerda oldindan de-aglomeratsiya qilish, so'ngra suyultirish va aralashtirish - dispersiya samaradorligini -oldindan-dispersiyalash strategiyasini qabul qilish dispersiya samaradorligini uch baravarga oshirishi mumkin.
5. To'g'ridan-to'g'ri ishlab chiqaruvchilarni etkazib berishning afzalliklari: Shandong Tanfeng sanoatning tarqalish qiyinchiliklarini qanday hal qiladi?
In situ modifikatsiya qilish imkoniyatiga ega manba ishlab chiqaruvchini tanlash va toʻgʻridan-toʻgʻri{1}}dispers mahsulotlarni olish sinov{2}}va{3}}xatolar xarajatlarini kamaytirish va partiya barqarorligini taʼminlashning yakuniy yechimidir.
Bozorda CNT mahsulotlarining aralash sifatiga duch kelgan ko'plab quyi oqim korxonalari "sotib olingan kukunni tarqatib bo'lmaydi" botqog'iga tushib qolgan. Tajribali mahalliy CNT ishlab chiqaruvchisi sifatida Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. sintez oxiridan dispersiya dizayniga aralashib, almashtirib bo'lmaydigan asosiy afzalliklarga ega:
In-Situ modifikatsiya texnologiyasi:CVD sintez bosqichida katalizatorni tartibga solish va harorat maydonini optimallashtirish orqali quvurlar orasidagi dastlabki chalkashlik kuchi kamayadi, bu esa qattiq aglomeratlarni tubdan kamaytiradi. Ultrasonik dispersiya vaqti an'anaviy tijorat kukuniga nisbatan 40% ga qisqartiriladi.
Moslashtirilgan joylashtirish kutubxonasi:Shandong Tanfeng nafaqat yuqori sifatli quruq kukunni, balki turli xil-disperslangan pastalarni, jumladan, suvga{2}}yog'ga{3}}asoslangan (NMP/DMF) va qatron-asoslarini ham taqdim etadi. Qattiq pasta tarkibini aniq nazorat qilish mumkin, D90 zarrachalarining barqaror o'lchami 5 mkm dan past va 6 oy turgandan keyin qattiq cho'kish bo'lmaydi.
Miqdoriy sifat nazorati kafolati:Shandong viloyati Yangi Materiallar Laboratoriyasi platformasiga tayangan holda, Shandong Tanfeng tomonidan yuborilgan CNTlarning har bir partiyasi TEM morfologiyasi tasvirlari, XRD tozaligi tahlili va aylanish yopishqoqligi egri chiziqlari bilan birga keladi, bu esa partiyaga qarshilikning o'zgarishini ta'minlaydi.<5%, providing downstream customers with a "ready-to-use" experience.
Xulosa
Asl savolga qaytsak: uglerod nanotubalarining-bir xilda tarqalishi haqida nima qilish kerak? Bu hech qanday oddiy muammo emas, uni ustaxonada yana bir nechta mikserni ishga tushirish orqali hal qilish mumkin. Bu termodinamika, suyuqliklar mexanikasi va sirt kimyosini o'z ichiga olgan tizimli muhandislik loyihasidir. Aglomeratsiya mexanizmini tanib olishdan tortib, fizik kesish va kimyoviy modifikatsiyani oqilona birlashtirishgacha, etuk{3}}disperslangan pasta - ni joriy qilishgacha bo'lgan har bir bosqichda ilmiy ma'lumotlar qo'llab-quvvatlanishi talab etiladi. Uglerodli nanotubalar bilan ishlaganda, ilovalarni tushunadigan va moslashtirilgan dispersiya yechimlarini taqdim eta oladigan Shandong Tanfeng kabi manba ishlab chiqaruvchisi bilan chuqur hamkorlik qilish, shubhasiz, nanomateriallarga o'zining "nano o'lchamli" samaradorligini ko'rsatishga imkon beruvchi yorliqdir.