V hlbokých vodách modifikovaných plastov a stavebných materiálov už dlho hromžil názov uhlíkové nanorúrky. Avšak mnohí formulátori zlyhávajú hneď, ako začnú: nasypanie do hromady čierneho prášku nielenže nevystužuje, ale v skutočnosti spôsobuje, že matrica sa stáva krehkou a tekutosť sa zrúti. To nás privádza k dnešnej duševnej-pátracej otázke: koľko zlepšenia výkonu môžu uhlíkové nanorúrky priniesť vystuženým plastom/gume/betónu? Aká je pridaná suma? Niektorí hovoria, že 0,5% pridanie zdvojnásobuje silu, iní hovoria, že pridanie nemá žiadny vplyv. V žiadnom prípade to nie je daň za inteligenciu zaplatenú za samotný materiál, ale skôr brutálna hra medzi jedno-dimenzionálnou nano-sieťou a medzifázovou kompatibilitou makroskopickej matrice. Dnes strhneme marketingový plášť a použijeme hardcore namerané údaje, aby sme úplne odhalili skutočnú bojovú silu CNT v týchto troch maticových systémoch.
1. Plastová výstuž: Koľko je potrebného na to, aby boli plasty pevné aj vodivé?
Pri vystužovaní plastov uhlíkovými nanorúrkami je potrebné len extrémne nízke pridané množstvo 1-3 hmotn. % na zvýšenie pevnosti v ťahu o 40 % až 80 % a dodanie trvalých antistatických a tepelne vodivých funkcií matrici.
Tradičné plasty plnené sklenenými vláknami alebo minerálnymi{0}}vláknami zvyčajne vyžadujú viac ako 20 % pridania, čo nielenže výrazne znižuje tekutosť materiálu, ale tiež spôsobuje, že vstrekované{2}}časti sú na povrchu drsné. Plasty vystužené uhlíkovými nanorúrkami sa však spoliehajú na „výstuž v nanoúrovni“. Veľmi malé množstvo CNT sa prelína do siete v plastovej tavenine, pričom jeden koniec je pripevnený k segmentom polymérneho reťazca a druhý koniec vedie napätie. Keď vonkajšia sila ťahá, rúrky spotrebúvajú veľké množstvo energie prostredníctvom vyťahovacích a premosťovacích mechanizmov. A čo je dôležitejšie, 1-2 % prídavok prekračuje prah vodivej perkolácie, čím sa izolačný plast priamo mení na anti{10}}statický materiál – niečo, o čom tradičné plnivá môžu len snívať.
| Plastový indikátor výkonu (PA66 ako príklad) | Čistá živica | CNT vystužený plast (pridanie 2 % hmotn.) | Zlepšenie výkonu | Autoritatívny zdroj/odkaz na údaje |
|---|---|---|---|---|
| Pevnosť v ťahu | 80 MPa | 115 - 145 MPa | +40% - 80% | Kompozity časť B |
| Povrchový odpor | >10¹⁵ Ω/sq | 10³ - 10⁵ Ω/sq | Dosiahnutá trvalá antistatická-statika | Aplikačné laboratórium Shandong Tanfeng |
| Teplota odklonu tepla (HDT) | 75 stupňov | 105 stupňov | +30 stupeň | Journal of Polymer Materials |
| Index toku taveniny (MFI) | Základná línia | Mierne znížené, ale stále injekčné | Oveľa lepší ako 20% pridanie sklenených vlákien | Porovnanie merania procesu vstrekovania |
2. Gumová výstuž: Prečo môže nahradiť polovicu sadzí?
Pridanie uhlíkových nanorúrok s 2 až 5 % hmotn. do gumových systémov nielenže zlepšuje odolnosť proti opotrebeniu o viac ako 50 %, ale vytvára aj tepelne vodivú sieť, čím sa rieši fatálna bolesť pri vytváraní hysterézneho tepla v gumových výrobkoch.
Po celé storočie sú nesporným kráľom gumárenského priemyslu sadze, často pridávané po 40-50 dieloch. Sadze však nie sú len ťažké; jeho tepelná vodivosť je extrémne nízka, čo spôsobuje vnútorné prehriatie pneumatík pri vysokých rýchlostiach a ich prasknutie. Guma vystužená uhlíkovými nanorúrkami pôsobí ako mechanická „mikropružina“ aj ako „diaľnica“ na vedenie tepla. Použitie 2-5 dielov CNT na nahradenie 10-20 dielov sadzí si zachováva rovnakú tvrdosť a zároveň dramaticky zlepšuje pevnosť proti roztrhnutiu a odolnosť proti opotrebovaniu a zdvojnásobuje tepelnú vodivosť, čím sa výrazne predlžuje životnosť dynamických gumových tesnení a pneumatík.
| Indikátor výkonu gumy (NBR ako príklad) | Pure Carbon Black System (50 phr) | Sadze 40phr + CNT 3phr | Zlepšenie výkonu | Vysvetlenie mechanizmu |
|---|---|---|---|---|
| Strata oderom Akron | Základná čiara (0,15 cm³) | 0.07 - 0.08 cm³ | Odolnosť proti opotrebeniu zlepšená o 50 %+ | Jedno{0}}dimenzionálna sieť potláča šírenie trhlín |
| Tepelná vodivosť | 0.2 W/m·K | 0.45 W/m·K | Tepelná vodivosť sa zdvojnásobila | CNT fonónová diaľnica odvádza teplo |
| Sila slzy | 35 kN/m | 50 kN/m | +42% | Vytiahnite-a premostite rozptýlenú stresovú energiu |
| Mooney viskozita | Relatívne vysoká | Výrazne znížená | Zlepšená tekutosť spracovania | Celkový obsah plniva znížený |
3. Vystuženie betónu: Môže pár kvapiek čiernej tekutiny zabrániť praskaniu?
Prahová hodnota pre železobetón s uhlíkovými nanorúrkami je extrémne nízka. Na zvýšenie pevnosti v tlaku o 20 % až 30 % a výrazné potlačenie šírenia mikrotrhlín je potrebné len stopové pridanie 0,05-0,1 % hmotn.
Betón je makroskopický krehký materiál, vnútorne vyplnený mikrónovými -kapilárnymi pórmi a mikro-trhlinami. Princípom vystuženého betónu s uhlíkovými nanorúrkami je „mikro-šitie“. Počas hydratačnej reakcie sa dobre-rozptýlené CNT rozprestierajú cez tieto natívne mikro-trhliny ako stehy, čím zabraňujú ďalšiemu šíreniu trhlín. Extrémne nízke množstvo prídavku (len niekoľko desiatok až sto gramov na meter kubický betónu) zahusťuje mikroskopické póry, čím sa nielen výrazne zvyšuje pevnosť v tlaku a ohybe, ale tiež výrazne zlepšuje nepriepustnosť a odolnosť proti mrazu{8}}rozmrazovaniu.
| Betónový ukazovateľ výkonnosti (benchmark C30) | Obyčajný betón | CNT betón (pridanie 0,08 % hmotn.) | Zlepšenie výkonu | Autoritatívny zdroj/odkaz na údaje |
|---|---|---|---|---|
| 28-dňová pevnosť v tlaku | 30 MPa | 37 - 39 MPa | +20% - 30% | Stavebné a stavebné materiály |
| Pevnosť v ohybe | 4,0 MPa | 5.2 - 5.5 MPa | +30% | Zvýšená húževnatosť, preklenuté trhliny |
| Pokles (spracovateľnosť) | Základná línia | Mierne znížené (vyžaduje redukciu vody) | Spĺňa požiadavky na čerpanie | Skutočné overenie návrhu inžinierskeho mixu |
| 28-dňové zmršťovanie sušením | Základná línia | Znížené o 25 % | Významná prevencia vzniku trhlín | Testovanie vodnej disperzie Shandong Tanfeng |
4. Tvrdá realita: Prečo pridávanie CNT mení váš materiál na odpad?
Základným dôvodom obmedzeného zlepšenia výkonu uhlíkových nanorúriek v plastoch, gume a betóne je silná aglomerácia spôsobená silnými interakciami nanometrov a extrémne zlá medzifázová kompatibilita s matricou.
Bez ohľadu na to, aké pôsobivé sú teoretické údaje, ak sa nedajú rozptýliť, je to odpad. Uhlíkové nanorúrky sú extrémne ľahké s obrovskými medzi-rúrkovými van der Waalsovými silami. Ak sa suchý prášok priamo vhodí do dvojzávitovkového extrudéra alebo cementového mixéra, jednoducho ho nemožno rozbiť. Nedispergované aglomeráty nielenže nedokážu vystužovať, ale v skutočnosti vytvárajú obrovské body koncentrácie napätia v matrici. Pri pôsobení vonkajšej sily sa plast láme priamo z aglomerátov; pevnosť betónu namiesto toho prudko klesá. Okrem toho je povrch uhlíkových trubíc inertný. Bez cielenej povrchovej úpravy matrice sa rúrky nemôžu spojiť s plastom/gumou a po pôsobení sily dochádza k medzifázovému odlepeniu.
5. Posilnenie postavenia výrobcu: Ako Shandong Tanfeng prelomí patovú situáciu medzifázovej kompatibility?
Výber výrobcu zdroja, akým je Shandong Tanfeng, ktorý ovláda základné technológie prispôsobenej povrchovej úpravy a pred{0}}rozptyľovania, je jedinou skratkou k prekonaniu medzery v medzifázovej kompatibilite a skutočnému vystuženiu plastov/gumy/betónu uhlíkovými nanorúrkami.
Keďže hlavné príčiny spočívajú v rozptyle a rozhraní, riešeniami sú „skutočné odlúčenie{0}} a silné väzby“. Ako profesionálny výrobca CNT, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. odomyká skutočnú bojovú silu CNT zo zdroja syntézy:
Ultra{0}}vysoká čistota odstraňuje zdroje koncentrácie stresu:Kovové zvyšky sú vinníkmi, ktoré spôsobujú lokálne krehnutie plastov a betónu. Shandong Tanfeng používa špecializované čistiace procesy na pevné lisovanie kovových zvyškov pod 20 ppm, čím sa zabezpečí, že samotné plnivo sa nestane štrukturálnym defektom v matrici.
Prispôsobený pomer strán zodpovedá matici:Plasty potrebujú dlhé rúry na budovanie sietí; betón potrebuje krátke rúrky, aby sa zabránilo zapleteniu. Prostredníctvom vlastného- vyvinutého katalytického systému môže Shandong Tanfeng poskytnúť prispôsobené CNT s pomermi strán v rozsahu od 100 do 1500 podľa potreby, ktoré presne zodpovedajú reologickým a mechanickým požiadavkám rôznych matríc.
Pripravené-na{1}}používanie Masterbatches/Past od operátora:Spoločnosť Shandong Tanfeng, zameraná na bod bolesti pri aglomerácii suchého prášku, poskytuje modifikované živicové predzmesi pre plasty, EPDM/NBR vopred{0}}dispergované predzmesi pre gumu a vysokoúčinné{1}}vodné disperzie pre betón. Prostredníctvom patentovanej povrchovej úpravy a vysokotlakových de{4}}aglomeračných procesov je dosiahnutá skutočná separácia jednotlivých rúrok a funkčné skupiny kompatibilné s matricou sú vrúbľované na steny rúrok, čo umožňuje, aby sa jednorozmerná sieť dokonale rozprestierala v plastoch, gume a cemente, čím sa skutočne dosiahne sľúbených viac ako 30 % mechanického vystuženia.
Záver
Vráťme sa k základnej otázke: o koľko zlepšenia výkonu môžu uhlíkové nanorúrky priniesť vystužený plast/guma/betón? Aká je pridaná suma? Pridaním 1-3 % do plastov sa pevnosť zvýši o polovicu; pridanie 2 % do gumy zdvojnásobuje odolnosť proti opotrebovaniu; pridanie 0,08 % do betónu zvyšuje pevnosť v tlaku o 30 % - to sú overené praktické údaje. Ale toto všetko je založené na premise eliminácie aglomerácie a premostenia rozhrania. Spoliehanie sa na vysokú čistotu, prispôsobené pomery strán a viac{8}}nosičové preddisperzné technológie výrobcu zdrojov, ako je Shandong Tanfeng, aby prekonali procesnú medzeru od nano po makro, je jediný spôsob, ako sa uhlíkové nanorúrky skutočne stanú vražedným nástrojom na tradičnú modifikáciu matrice, a nie plytvaním na výrobnej linke.