U poljima novih energetskih baterija, vodljivih kompozita, visoko{0}}prevlaka i još mnogo toga, ugljikove nanocijevi igraju sve važniju ulogu zahvaljujući svojim izvrsnim električnim, toplinskim i mehaničkim svojstvima. Međutim, problem koji muči i inženjere za istraživanje i razvoj i proizvođače je taj što ugljikove nanocijevi imaju izuzetno slabu disperzibilnost i vrlo su sklone aglomeraciji, stvarajući "zapetljane lopte" koje ozbiljno ograničavaju potpunu realizaciju njihove izvedbe. Ovaj će članak detaljno analizirati temeljne razloge za poteškoće u disperziji ugljikovih nanocijevi, sustavno prikazati glavne metode za poboljšanje CNT disperzibilnosti i kombinirati najnovije-tehnologije modificiranja površine kako bi vam pružio potpuni vodič od načela do prakse. U isto vrijeme, kao profesionalni proizvođač ugljikovih nanocijevi, Shandong Tanfeng New Material je otkrio nove materijale u procesima disperzije također je vrijedan pažnje.
1. Zašto je ugljikove nanocijevi tako teško raspršiti? - Tri temeljna uzroka
Bit poteškoća u raspršivanju ugljikovih nanocijevi leži u njihovim fizičkim karakteristikama na nanomjeri - jakim van der Waalsovim silama, iznimno visokom omjeru širine i visine i hidrofobnoj površini. Ova tri faktora叠加 dovode do nepovratne tendencije prema aglomeraciji.
1. Izuzetno snažne van der Waalsove sile
Van der Waalsova interakcija između-ugljičnih nanocijevi s jednom stijenkom može doseći ~500 eV/µm, daleko premašujući onu tipičnih nanočestica. Glatka i visoko konjugirana površina CNT-a, u kombinaciji s π-π interakcijama slaganja, dodatno pojačava među-veznu silu cijevi, čineći ih sklonim čvrstom agregiranju u snopove ili "zapetljane lopte".
2. Ultra-visoki omjer slike
Omjer širine i visine ugljikovih nanocijevi obično prelazi 1000, što znači da se čak i s malim brojem cijevi mogu lako ispreplesti jedna s drugom kako bi oblikovale tro-dimenzionalnu mrežnu strukturu. Jednom kada se zapetljaju, vrlo ih je teško rastaviti samo uobičajenim miješanjem.
3. Visoko hidrofobna površina s nedostatkom aktivnih funkcionalnih skupina
Sp² ugljični kostur ugljikovih nanocijevi izuzetno je kemijski inertan, pokazuje slabu sposobnost vlaženja u polarnim i ne-polarnim otapalima. Površini nedostaju funkcionalne skupine dostupne za kemijsko vezanje, što znači da nema "točaka učvršćivanja" između CNT-a i materijala matrice (kao što su polimeri ili otapala), što otežava stvaranje stabilnih interakcija.
2. Glavne metode za poboljšanje CNT disperzibilnosti - Usporedba triju strategija
Metode za poboljšanje disperzibilnosti CNT-a mogu se podijeliti u tri strategije: mehanička disperzija, kovalentna modifikacija i ne-kovalentna modifikacija. Svaka ima svoje prednosti i nedostatke, au praksi se obično koristi kombinacija više strategija.
| Vrsta strategije | Reprezentativna tehnologija | Temeljni princip | Prednosti | Nedostaci |
|---|---|---|---|---|
| Mehanička disperzija | Ultrazvučna obrada, kuglično glodanje, glodanje s tri{0}}valjka | Primjenjuje vanjsku fizičku energiju za razbijanje van der Waalsovih sila između aglomerata | Izravan rad, pogodan za -obradu velikih razmjera | Može oštetiti CNT strukturu, skratiti duljinu cijevi |
| Kovalentna modifikacija | Kisela oksidacija, klorirana oksidacija | Presađuje funkcionalne skupine kao što su karboksil i hidroksil na CNT površinu | Snažno lijepljenje, snažno međufazno spajanje s matricom | Uništava sp² strukturu, žrtvuje neka električna/mehanička svojstva |
| Ne-kovalentna modifikacija | Adsorpcija površinski aktivnih tvari, polimerno omatanje | Surfaktanti/polimeri adsorbiraju se na površinu CNT-a, održavajući disperziju kroz steričku smetnju ili elektrostatsko odbijanje | Čuva intrinzičnu CNT strukturu, blag rad | Uvodi "nečistoće", vodljivost se može smanjiti, stabilnost relativno slabija |
Mehanička disperzija: najizravnija fizikalna metoda
Ultrazvučna obrada je najčešće korištena metoda u laboratorijima, koja stvara efekte kavitacije u otapalima za "razbijanje" aglomerata. Mljevenje s kuglicama i mljevenje s tri-valjka prikladno je za serijsku obradu visoko{2}}viskoznih kaša. Međutim, važno je kontrolirati unos energije, jer pretjerano mehaničko djelovanje može nepovratno skratiti CNT i povećati strukturne nedostatke.
Kovalentna modifikacija: "cijepljenje" funkcionalnih skupina na CNT
Kovalentna modifikacija uvodi skupine koje sadrže kisik-, dušik- ili acil klorid-na CNT površinu, mijenjajući njen površinski polaritet i povećavajući afinitet s otapalima. Na primjer, oksidacija klor dioksida (ClO₂·) može nježno uvesti hidroksilne, karbonilne i karboksilne skupine na površinu CNT-a na sobnoj temperaturi, dok u velikoj mjeri čuva cjevasti okvir. Otpor oksidiranog CNT filma samo je oko 3 puta veći od otpora neoksidiranog filma (na 25 stupnjeva: 0,045 vs. 0.016 Ω·cm). Ova metoda značajno poboljšava disperzibilnost vode uz održavanje vodljivosti.
Ne-kovalentna modifikacija: korištenje "omatanja" umjesto "kalemljenja"
Ne-kovalentna modifikacija koristi surfaktante ili polimere za fizičku adsorpciju na površinu CNT-a bez uništavanja konjugirane strukture. Istraživanja su pokazala da se nakon ne-kovalentne funkcionalizacije CNT-a s površinski aktivnim tvarima kao što su natrijev dodecilbenzensulfonat (SDBS) i cetiltrimetilamonijev bromid (CTAB), suspenzija s početnom koncentracijom od 2 g/L stabilizira nakon 240 sati skladištenja, s konačnom koncentracijom koja se stabilizira na 1,68-1,84 g/L, malo varirajući ovisno o vrsti površinski aktivne tvari.
3. Kako odrediti je li disperzija dobra? - Detekcija i kvantitativna evaluacija
Svaka od tradicionalnih metoda detekcije ima ograničenja. Tehnologija NMR niskog{1}}polja može brzo i ne-destruktivno kvantitativno procijeniti stanje disperzije ugljikovih nanocijevi na molekularnoj razini.
Za procjenu rezultata disperzije, tradicionalne metode uključuju lasersku analizu veličine čestica (na koju lako utječe viskoznost), mjerenje viskoznosti (loša točnost) i SEM/TEM (malo vidno polje, slaba reprezentativnost). Tehnologija nuklearne magnetske rezonancije niskog-polja (NMR-niskog polja) nudi novi pristup: otkrivanjem vremena opuštanja (T2) vodikovih protona (molekula otapala) u kaši, može se zaključiti o specifičnoj površini i stanju disperzije čestica. Kraći T2 označava veću specifičnu površinu i bolju disperziju. Ova metoda je brza (nekoliko minuta), ne-destruktivna i točna.
4. Industrijska praksa novog materijala Shandong Tanfeng
Shandong Tanfeng New Material, putem svojih-razvijenih disperzanata i treće-generacije CVD opreme, postigao je-veliku proizvodnju CNT praha i vodljive paste, sa stabilnim vremenom disperzije paste većim od 3 mjeseca.
Kao profesionalni proizvođač ugljikovih nanocijevi, Shandong Tanfeng New Material pruža industrijsko rješenje za problem disperzije. Njegova vodljiva pasta od ugljikovih nanocijevi (model FB-121) koristi jedinstveni proces disperzije koji učinkovito otvara CNT aglomerate i održava stabilnu disperziju više od 3 mjeseca, uz dobru protočnost i jednostavnost korištenja za kupce.
Osim toga, glavni tim tvrtke dolazi sa Fakulteta za znanost i inženjerstvo materijala na Sveučilištu Zhejiang. Njegova samo-razvijena treća{2}}generacija horizontalne CVD opreme smanjuje vrijeme reakcije na 30-45 minuta, s izlaznom čistoćom većom od 98%. Što se tiče proizvodnje, njegov dioničar ima kemijsku bazu za pročišćavanje ispiranjem kiselinom s kapacitetom od 5000 tona u Yanchengu, Jiangsu, koja pruža podršku industrijskom lancu za CNT pročišćavanje i kompatibilnost sa disperzantima.
5. Disperzija je "prva prepreka" za CNT aplikacije
Poteškoće u raspršivanju ugljikovih nanocijevi određene su njihovom fizičkom prirodom, ali kombinacijom mehaničke disperzije i strategija kovalentne/ne{0}}kovalentne modifikacije definitivno se može postići stabilna disperzija. Na industrijskoj razini, domaći proizvođači kao što je Shandong Tanfeng New Material već su ponudili zrela rješenja vodljive paste.
Glavni uzroci poteškoća s disperzijom: van der Waals forces (~500 eV/µm) + ultra-high aspect ratio (>1000) + hidrofobna inertna površina.
Osnovni putovi poboljšanja:Mehanička disperzija (fizičko otvaranje) + kovalentna modifikacija (cijepljenje funkcionalnih skupina, povećanje afiniteta) + ne-kovalentna modifikacija (adsorpcija površinski aktivne tvari, održavanje strukturnog integriteta).
Reference kvantitativnih pokazatelja:Nakon oksidacije klor dioksida, otpor se povećava samo 3 puta; nakon disperzije surfaktanta, suspenzija ostaje stabilna 240 sati, s koncentracijom održavanom na 1,68-1,84 g/L.
Industrijska rješenja:Novi materijal Shandong Tanfeng pruža vodljivu pastu od ugljikovih nanocijevi sa stabilnom disperzijom dužom od 3 mjeseca, prikladnu za novu energiju, automobilsku, zrakoplovnu i druga polja.