Na výskumných a vývojových linkách a výrobných linkách vodivých povlakov na báze vody-, nových spojív na báze vody- lítiových batérií alebo tepelne vodivých chladiacich fólií sú uhlíkové nanorúrky veľmi obľúbené vďaka svojim dokonalým vodivým a tepelne vodivým sieťam. Inžinieri však často narazia na prvý krok výroby: ako rozptýliť uhlíkové nanorúrky vo vode? Pri pohľade na plávajúce čierne vločky v kadičke a tvrdý sediment na dne nespočetné množstvo ľudí upadá do zúfalstva. V dôsledku silnej hydrofóbnosti a medzi-trubkových van der Waalsových síl sa CNT zhlukujú hneď po vstupe do vody a bežné miešanie vôbec nemôže vytvoriť jednotnú vodnú disperziu. Tento článok sa bude priamo zaoberať týmto bolestivým bodom pomocou tvrdých údajov na odstránenie logiky vodnej disperzie uhlíkových nanorúrok.
1. Sledovanie dilemy: Prečo sa uhlíkové nanorúrky veľmi ľahko zhlukujú a potopia vo vode?
Základný dôvod, prečo sa uhlíkové nanorúrky veľmi ľahko aglomerujú a vyzrážajú vo vode, spočíva v ich extrémne vysokej povrchovej hydrofóbnosti a silnej medzi{0}}rúrkovej van der Waalsovej príťažlivosti, vďaka čomu je systém vysoko termodynamicky nestabilný.
Stena rúrky CNT je tvorená valcovaním sp² hybridizovaných grafénových listov a tento vysoko polarizovaný konjugovaný povrch je vo svojej podstate hydrofóbny. Keď sa neupravený prášok CNT naleje do vody, molekuly vody sa nemôžu šíriť a zvlhčovať stenu trubice a obrovské medzifázové napätie odpudzuje vodu. Zároveň, aby sa znížila extrémne vysoká povrchová energia, rúrky k sebe pevne priľnú prostredníctvom silných van der Waalsových síl. V porovnaní s organickými rozpúšťadlami (ako je NMP), vysoké povrchové napätie vody (~72 mN/m) ešte viac sťažuje prelomenie tohto termodynamicky nestabilného stavu.
| Systém rozpúšťadiel | Povrchové napätie | Zmáčavosť pre CNT | Stav disperzie CNT | Trvanie stability |
|---|---|---|---|---|
| Deionizovaná voda | 72,8 mN/m | Very poor (contact angle >120 stupňov) | Rýchle zhlukovanie a potápanie | <10 minutes |
| Etanol | 22,0 mN/m | Stredná | Môže dočasne pozastaviť | Niekoľko hodín |
| NMP | 40,7 mN/m | Vynikajúce (dobré rozpúšťadlo) | Ľahko sa rozloží do jednotlivých skúmaviek | Niekoľko dní až niekoľko týždňov |
2. Fyzikálny ultrazvuk: Prečo láme rúrky, ale stále má za následok potopenie?
Hoci fyzikálna ultrasonikácia môže poskytnúť okamžitú vysokú{0}}strižnú kavitačnú silu na násilné roztrhnutie zväzkov CNT, nemôže zmeniť ich hydrofóbnu povahu a po zastavení nevyhnutne dochádza k rýchlej sekundárnej aglomerácii.
Keď čelíme problému, ako rozptýliť uhlíkové nanorúrky vo vode, prvou reakciou mnohých ľudí je použitie ultrazvuku. Kavitačný efekt sondového sonikátora môže skutočne generovať mikro-zásahy v stovkách MPa, čím sa rozbijú zamotané zväzky. Problém je však v tom, že čerstvo rozbité hydrofóbne CNT majú extrémne vysokú povrchovú energiu a sú vo vode v mimoriadne aktívnom stave; v momente, keď sa ultrazvuk zastaví, okamžite hľadajú spoločníkov, aby sa znova spojili. Ešte fatálnejšie je, že predĺženie času ultrazvuku v snahe o disperzný efekt priamo zníži CNT, čo spôsobí, že pomer strán klesne z tisícok na desiatky, čím sa úplne zničí vodivá sieť.
| Fyzikálna disperzná metóda | Mechanizmus účinku | Energetická hustota | Poškodenie pomeru strán | Čas do sekundárnej aglomerácie a potopenia |
|---|---|---|---|---|
| Mechanické miešanie | Makroskopická šmyková konvekcia | Nízka (<10 W/cm³) | Takmer žiadne | Ponorí sa ihneď po zastavení |
| Ultrazvuk do kúpeľa | Kavitačný efekt | Stredná (10 – 50 W/cm³) | Mierne | 10-30 minút |
| Ultrazvuková sonda | Výkonná kavitačná mikro-tryska | Extremely high (>100 W/cm³) | Severe (breakage rate >50%) | 1-2 hodiny |
3. Chemická úprava: Ako urobiť uhlíkové nanorúrky skutočne kompatibilné s vodou?
Jediným spôsobom, ako dosiahnuť dlhodobo{0}}stabilnú disperziu uhlíkových nanorúriek vo vode, je chemická úprava povrchu. Zavedením hydrofilných skupín alebo obalením amfifilných molekúl sa trubiciam zásadne zabráni, aby sa z termodynamickej perspektívy opäť priblížili.
Stratégia koreňového-liečenia, ako rozptýliť uhlíkové nanorúrky vo vode, je umiestniť na stenu trubice „hydrofilný plášť“. Existujú dva hlavné spôsoby: modifikácia kovalentnej väzby a modifikácia ne-kovalentnej väzby. Modifikácia kovalentnej väzby (ako je varenie v zmiešanej kyseline) priamo leptá karboxylové skupiny (-COOH) a hydroxylové skupiny (-OH) na stenu trubice, čo poskytuje vynikajúcu hydrofilitu, ale ničí konjugovanú štruktúru sp², čo spôsobuje výrazné zníženie vodivosti. Modifikácia ne-kovalentnej väzby (pridanie povrchovo aktívnych látok alebo polymérnych dispergačných činidiel) využíva charakteristiku, že jeden koniec sa adsorbuje na stenu trubice a druhý koniec zasahuje do vody, čím sa dosiahne suspenzia prostredníctvom stérickej prekážky alebo elektrostatického odpudzovania, pričom sa dokonale zachováva vlastná vodivosť CNT.
| Metóda modifikácie | Mechanizmus účinku | Zeta potenciál (ukazovateľ stability) | Zachovanie vodivosti | Typické pridané množstvo |
|---|---|---|---|---|
| Zmiešaná kyslá oxidácia (kovalentná) | Povrchové štepenie -COOH, silná hydrofilita | -40 ~ -55 mV (vynikajúce) | 50% - 70% | Nie je potrebné žiadne ďalšie pridávanie |
| Povrchovo aktívna látka s malou molekulou (SDS atď.) | Tvorí micely, dvojvrstvové odpudzovanie | -30 ~ -45 mV (dobré) | 80% - 90% | 0,5 % - 2 % hmoty CNT |
| Polymérny disperzant (PVP atď.) | Adsorpcia kotviacej skupiny + stérická prekážka s dlhým-reťazcom | -45 ~ -60 mV (vynikajúce) | 90% - 98% | 1%-5% hmoty CNT |
*Odkaz na údaje: Laboratórne merania stability nového materiálu Shandong Tanfeng pre vodné disperzie 2 % hmotn. CNT s rôznymi modifikátormi na-vodnej báze.*
4. Prielom výrobcu: Ako sa Shandong Tanfeng vymaní z mŕtveho cyklu „ťažké rozptýlenie vs. strata výkonu“?
Výber výrobcu zdroja, akým je Shandong Tanfeng s možnosťami na -úpravu a výrobu pasty{1}}na mieste na priamu dodávku pasty CNT na báze vody-, je optimálnym riešením, ako sa vyhnúť pokusom-a{4}}nákladom na chybu-rozptyľovania a zabezpečiť bezstratový výkon.
Zistenie, ako svojpomocne rozptýliť uhlíkové nanorúrky vo vode, zahŕňa nielen veľké investície do zariadenia a nebezpečenstvo kyslého spracovania, ale tiež veľmi ľahko spôsobuje kolísanie výnosu výrobnej linky v dôsledku nekompatibility systému formulácií. Ako profesionálny výrobca CNT spoločnosť Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. zasahuje pri zdroji a poskytuje zákazníkom to najlepšie riešenie „pripravené-na{4}}použitie:
In{0}}technológia hydrofilnej modifikácie in situ:Shandong Tanfeng opúšťa vysoko deštruktívnu post{0}}zmiešanú kyslú oxidáciu a zavádza špeciálnu reguláciu hydrofilného katalyzátora počas fázy syntézy CVD, čo spôsobuje, že stena trubice CNT má vo svojej podstate mikropóry a polárne skupiny-obsahujúce kyslík. Tým sa zmenšuje kontaktný uhol medzi pevnými-kvapalinami o viac ako 60 % bez poškodenia konjugovanej vodivej štruktúry.
Prispôsobená knižnica pasty-na vodnej báze: Targeting different applications such as water-based conductive coatings and water-based battery systems, Shandong Tanfeng provides customized aqueous dispersions with solid content options ranging from 1% to 10%. Using a proprietary compounded polymer steric stabilizer, the paste fineness D90 is stably maintained below 5 μm, the absolute Zeta potential value is >45 mV a po vysokorýchlostnom odstreďovaní pri 3000 otáčkach za minútu počas 30 minút nedochádza k sedimentácii.
Extrémne jednoduché prispôsobenie procesu:Používaním pasty na vodnej báze Shandong Tanfeng-nepotrebujú následní zákazníci už vybavovať drahé ultrazvukové zariadenia so sondou. Na priame riedenie vodou je možné použiť konvenčné pneumatické miešanie alebo nízkorýchlostné dispergátory, čím sa skráti čas miešania na výrobnej linke z niekoľkých hodín na 15 minút.
Záver
Vráťme sa k pôvodnej otázke: ako rozptýliť uhlíkové nanorúrky vo vode? Násilné používanie fyzického ultrazvuku na ich rozbitie nie je v žiadnom prípade správny prístup. Na zásadné odrezanie cesty k sekundárnej aglomerácii od termodynamického koreňa je potrebné spoľahnúť sa na silu chemickej modifikácie, vnášania hydrofilných skupín alebo obaľovania povrchovo aktívnymi látkami. Náklady na pokus-a{3}}omyly spojené s vlastným preskúmaním tejto cesty sú však mimoriadne vysoké. Najracionálnejšou voľbou je využiť technickú akumuláciu výrobcu zdrojov, ako je Shandong Tanfeng, a priamo prijať ich zrelú vodnú-vopred-dispergovanú pastu. Nechajte profesionálov vykonať profesionálnu úpravu a vy si jednoducho vychutnáte maximálny výkon, ktorý nanomateriál prináša.