Czy aglomeracja jest największą trudnością w przypadku proszku nanorurek węglowych?

Jedną z największych trudności procesowych proszku nanorurek węglowych w praktycznych zastosowaniach jest rzeczywiście aglomeracja, a zwykłe mieszanie suchego proszku zazwyczaj może jedynie poprawić mieszanie makroskopowe. Całkowite oddzielenie stabilnych wiązek CNT za pomocą samego mieszania na sucho o niskiej intensywności jest bardzo trudne.

Nanorurki węglowe mają wysokie współczynniki kształtu, stosunkowo duże powierzchnie właściwe i silne interakcje między rurkami, co czyni je podatnymi na tworzenie wiązkowych lub aglomerowanych struktur podczas przygotowania, przechowywania i transportu. Badania pokazują, że interakcje van der Waalsa między nanorurkami CNT sprzyjają tworzeniu się wiązek i agregatów, co stanowi również długotrwałe wyzwanie w zakresie dyspersji, w miarę jak nanorurki węglowe przechodzą z materiałów laboratoryjnych do zastosowań przemysłowych. Istnieje jednak problem, który łatwo przeoczyć: „Równomierne mieszanie czarnego proszku” ≠ „Prawdziwe rozproszenie nanorurek węglowych”. W przypadku fabryk tak naprawdę należy ocenić:

Czy mieszanie suchego proszku może rozbić aglomeraty CNT do docelowej wielkości?

Czy CNT mogą równomiernie wejść do matrycy?

Czy podczas późniejszego przetwarzania ponownie się zlepią?

Czy długość CNT ulegnie skróceniu podczas dyspersji?

Pytania te określają, czy proszek nanorurek węglowych może ostatecznie spełniać swoje funkcje przewodzące, wzmacniające lub ekranujące elektromagnetycznie.

I. Dlaczego proszek nanorurek węglowych jest szczególnie podatny na aglomerację?

Podstawowym powodem, dla którego nanorurki węglowe są podatne na aglomerację, jest połączony efekt dużej powierzchni właściwej i silnych oddziaływań między rurkami, co sprawia, że ​​poszczególne nanorurki nie chcą pozostać oddzielone od siebie w dłuższej perspektywie.

Nanorurki węglowe nie są zwykłymi kulistymi cząsteczkami.

Mają bardzo szczególne cechy:

Średnica w nanoskali;

Skala mikronowa lub nawet większa długość;

Wysoki współczynnik kształtu;

Grafitowana powierzchnia;

Stosunkowo duża efektywna powierzchnia styku.

Kiedy styka się duża liczba nanorurek CNT, pomiędzy rurami łatwo tworzą się struktury przypominające wiązki. CNT tworzą wiązki krystaliczne ze względu na silne przyciąganie van der Waalsa, a to zachowanie samoagregacyjne stanowi ważną przeszkodę wpływającą na przetwarzanie CNT i praktyczne zastosowania. Duża powierzchnia właściwa, powierzchnia hydrofobowa, siły van der Waalsa i interakcje π-π nanorurek CNT powodują, że tworzą one agregaty lub struktury przypominające wiązki o różnych rozmiarach w wielu polimerach i popularnych rozpuszczalnikach. Dlatego pojawienie się aglomeracji w proszku nanorurek węglowych niekoniecznie oznacza, że ​​jakość produktu jest niska.

Pewien stopień aglomeracji sam w sobie jest jedną z cech materiałowych proszku CNT.

Tak naprawdę należy kontrolować: jak duże są aglomeraty, jak ściśle są związane i czy można je skutecznie rozdzielić po wejściu do układu końcowego.

II. Czym dokładnie jest „aglomeracja” w proszku nanorurek węglowych?

Aglomeracja w proszku CNT to nie tylko kilka cząstek sklejających się ze sobą, ale może to być złożona struktura utworzona krok po kroku z pojedynczych rurek, struktur wiązkowych i większych aglomeratów wtórnych.

Można to po prostu rozumieć jako trzy poziomy:

Poziom pierwszy: Indywidualny CNT

Jest to idealny stan pojedynczej rury.

Drugi poziom: pakiet CNT

Wiele nanorurek węglowych ustawia się względem siebie w określonym kierunku, tworząc wiązkę.

Poziom trzeci: makroskopowy aglomerat

Duża liczba wiązek CNT dodatkowo splata się i zagęszcza, tworząc widoczne aglomeraty proszku w skali mikronowej.

W badaniach zaobserwowano, że nanorurki CNT w niestabilnych układach dyspersyjnych mogą najpierw tworzyć w przybliżeniu równoległe wiązki zawierające około 2–6 rurek, a następnie dalej tworzyć trójwymiarowe struktury aglomeratów sieciowych.

Zatem: Mała czarna cząstka widziana przez fabrykę może nie być „cząstką” wewnętrznie, ale dużą masą splecionych ze sobą nanorurek węglowych.

III. Czy zwykłe mieszanie suchego proszku może bezpośrednio rozbić nanorurki węglowe?

Może poprawić jednorodność makroskopową, ale zazwyczaj nie może całkowicie zdysocjować stabilnych wiązek CNT na idealne pojedyncze rurki lub drobne struktury przypominające wiązki.

To jest klucz do zrozumienia „dyspersji suchego proszku nanorurek węglowych”.

Zwykły sprzęt do mieszania na sucho zapewnia głównie:

Poruszający;

Konwekcja;

Tarcie;

Kompresja;

Pewien stopień ścinania.

Może przekształcić proszek CNT z: dużych aglomeratów → stosunkowo jednolitej mieszaniny proszków. Ale niekoniecznie musi to oznaczać dalsze osiągnięcie: Duże aglomeraty → Małe aglomeraty → Wiązki CNT → Indywidualna dyspersja na poziomie rurki.

W istniejących badaniach w szczególności porównano mechaniczną deaglomerację CNT w stanie suchym z przetwarzaniem na mokro, wskazując, że tradycyjne mieszanie mechaniczne może wykorzystywać siły, takie jak ścinanie, ściskanie i tarcie, do rozbijania aglomeratów, ale w przypadku ściśle zaglomerowanych MWCNT zdolność deaglomeracji konwencjonalnych metod mechanicznych jest często ograniczona.

Tak więc, jeśli fabryka mówi: „Mieszaliśmy razem nanorurki CNT i proszek żywiczny przez 30 minut i już wyglądało to jednolicie”.

Ten wniosek może jedynie wskazywać: Mieszanie makroskopowe jest stosunkowo jednolite. Nie można jeszcze tego udowodnić: nanorurki CNT zostały całkowicie rozproszone w skali mikroskopowej.

IV. Dlaczego mieszanie suchego proszku może wyglądać jednolicie, ale aglomeraty CNT mogą nadal istnieć?

Ponieważ jednorodność makroskopowa i jednolitość w nanoskali to dwie zupełnie różne koncepcje.

Na przykład 1 kg nanorurek węglowych dodaje się do 100 kg partii żywicy.

Po zmieszaniu suchego proszku może on wyglądać bardzo jednolicie, biorąc pod uwagę kolor i wygląd pojemnika na próbkę.

Ale po powiększeniu mogą nadal istnieć:

Aglomeraty o grubości 10 μm;

Wiązki CNT na poziomie kilku μm;

Lokalne regiony o dużej koncentracji;

Sieci CNT nie są w pełni rozwinięte.

Można to zrozumieć za pomocą następującego pojęcia:

Rzeczywistym celem nie jest to, aby we wszystkich zastosowaniach osiągnięto „całkowite rozproszenie poszczególnych nanorurek CNT”. Naprawdę rozsądnym celem jest osiągnięcie skali dyspersji odpowiadającej wydajności produktu końcowego.

V. Dlaczego dyspersja suchego proszku nanorurek węglowych jest trudniejsza niż w przypadku zwykłego proszku?

Wysoki współczynnik kształtu i duża powierzchnia właściwa nanorurek CNT powodują, że mają one silniejszą tendencję do splątania i aglomeracji w porównaniu ze zwykłymi wypełniaczami sferycznymi.

Można dokonać porównania:

Dlatego nie można po prostu założyć, że: „Nanoproszki można rozpuścić, po prostu zwiększając prędkość mieszania”. Dyspersja CNT to problem, na który wpływają łącznie pobór energii, interakcje międzyfazowe i struktura materiału.

VI. Jak ocenić, czy proszek nanorurek węglowych jest naprawdę rozproszony?

Nie można patrzeć wyłącznie na kolor i obserwację wzrokową. Ocena powinna obejmować co najmniej wielkość aglomeratu, morfologię mikroskopową, lepkość lub wydajność końcową.

Zaleca się dobór metod badawczych w zależności od zastosowania.

Wśród nich końcowe testy wydajności są często bardziej znaczące niż samo ustalanie określonej liczby wielkości cząstek.

Ponieważ nawet jeśli pod mikroskopem system CNT wygląda na dobrze rozproszony, jeśli końcowa przewodność nie ulegnie poprawie, nie można tego uznać za prawdziwy sukces procesu.

VII. Jaki proces dyspersji należy zastosować w przypadku proszku nanorurek węglowych?

Stosunkowo niezawodnym podejściem jest zastosowanie stopniowanego procesu „wstępnego mieszania, rozbijania, stabilizacji, weryfikacji” zamiast stosowania od początku maksymalnej energii mechanicznej.

Krok 1: Wstępne mieszanie

Najpierw pozwól nanorurkom CNT nawiązać równomierny kontakt z głównym materiałem lub ośrodkiem dyspersyjnym.

Krok 2: Stopniowo zwiększaj ścinanie

Stopniowo zwiększaj energię mechaniczną w zależności od stopnia aglomeracji.

Krok 3: W razie potrzeby użyj ultradźwięków lub szlifowania

W przypadku układów w fazie ciekłej wielkość aglomeratów można dodatkowo zmniejszyć za pomocą ultradźwięków, wysokiego ścinania lub mielenia.

Krok 4: Stabilizacja

Stosować środki dyspergujące lub metody modyfikacji powierzchni odpowiednie dla systemu, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo ponownej aglomeracji.

Krok 5: Weryfikacja

Przetestuj co najmniej:

Wielkość aglomeratu;

Lepkość;

Osadzanie;

długość CNT;

Ostateczna wydajność przewodząca.

Podejście to jest zgodne z powszechną metodą „mieszania-ultradźwięków-stabilizacji-weryfikacji wydajności” w badaniach dyspersji CNT. Powiązane recenzje traktują również mieszanie mechaniczne, ultradźwięki i stabilizację jako główne etapy projektowania dyspersji CNT w fazie ciekłej/kompozytu.

VIII. Czy trudność dyspersji jest taka sama dla różnych proszków nanorurek węglowych?

Nie. Średnica rury, długość, czystość, stan powierzchni i stopień aglomeracji wpływają na końcowy proces dyspersji.

Dlatego nie można bezpośrednio skopiować cudzego: „500 W + 30 minut”, a następnie założyć, że jego własne CNT koniecznie osiągną ten sam efekt.

Parametry dyspersji CNT należy określić w połączeniu z: specyfikacją materiału + zawartością substancji stałych + medium + dyspergatorem + sprzętem.

IX. Jako producent proszku nanorurek węglowych, w jaki sposób Shandong Tanfeng pomaga klientom rozwiązywać problemy aglomeracji?

Naprawdę wartościowy dostawca CNT powinien nie tylko udostępnić tabelę specyfikacji proszku, ale powinien także pomóc klientom w korelowaniu parametrów materiału z rzeczywistymi procesami dyspersji.

Jako producent proszku nanorurek węglowych, Shandong Tanfeng może dopasować się do końcowego zastosowania klienta:

typ CNT;

Średnica rury;

Długość;

Czystość;

Powierzchnia właściwa;

Stan powierzchni;

System aplikacji;

Zalecany kierunek dyspersji.

Na przykład, jeśli klient ma do czynienia z:

Przewodzące tworzywa sztuczne:Główny nacisk położony jest na średnicę rury + długość + współczynnik kształtu + warunki ścinania przy wytłaczaniu

Wodna zawiesina:Główny nacisk na zwilżanie + środek dyspergujący + ścinanie/ultradźwięki + stabilność

Układ NMP:Główny nacisk na kompatybilność rozpuszczalników + stan dyspersji + zawartość substancji stałych + lepkość

Mieszanka gumowa:Główny nacisk na współczynnik kształtu + wiązanie międzyfazowe + proces mieszania

Dlatego logika wyboru produktów w firmie Shandong Tanfeng może dalej zmieniać się od: „Jaki model sprzedać” do: „Jaki problem z dyspersją musi rozwiązać klient”.

X. Czy aglomeracja proszku nanorurek węglowych jest oznaką złej jakości?

Nie można tego po prostu ocenić w ten sposób, ponieważ pewien stopień aglomeracji w stanie suchego proszku jest powszechnym zachowaniem samego materiału.

To, co naprawdę wymaga rozróżnienia, to:

Normalna aglomeracja proszkumożna ponownie rozproszyć za pomocą rozsądnych procesów.

Aglomeracja nadmiernie zagęszczonaotwarcie wymaga znacznie większej energii.

Aglomeracja spowodowana stanem powierzchni materiałumoże wymagać zmiany układu dyspersyjnego.

Nieodwracalna aglomeracja spowodowana obróbką procesowąmogły mieć już wpływ na działanie produktu końcowego.

Dlatego podczas zakupów nie wystarczy po prostu wymagać: „Proszek nie może mieć absolutnie żadnej aglomeracji”.

Bardziej rozsądnym wymaganiem jest: „Jaki poziom dyspersji może osiągnąć proszek w docelowym systemie i warunkach procesu?”

XI. Często zadawane pytania

Czy aglomeracja jest największą trudnością proszku nanorurek węglowych?

Aglomeracja jest rzeczywiście jedną z głównych trudności procesowych w zastosowaniach przemysłowych CNT, ale nie jest to jedyna trudność. Oprócz aglomeracji należy również wziąć pod uwagę zwilżanie, stabilność dyspersji, zachowanie proporcji, lepkość, wiązanie międzyfazowe i stabilność partii.

Czy mieszanie suchego proszku może bezpośrednio rozbić nanorurki węglowe?

Może poprawić mieszanie makroskopowe, ale zwykłe mieszanie suchego proszku zazwyczaj nie gwarantuje całkowitej dysocjacji ściśle związanych wiązek CNT. Jeśli produkt końcowy ma wysokie wymagania dotyczące dyspersji mikroskopowej, zazwyczaj potrzebne jest dalsze mieszanie przy wysokim ścinaniu, mieszanie w stanie stopionym lub dyspersja na mokro.

Dlaczego nanorurki węglowe mają skłonność do tworzenia aglomeratów?

Głównie związane z silnymi interakcjami między lampami van der Waalsa, dużą powierzchnią właściwą i jednowymiarową strukturą o wysokim współczynniku kształtu.

Czy ultradźwięki mogą całkowicie rozwiązać aglomerację CNT?

Nie można tego zagwarantować. Ultradźwięki mogą znacznie poprawić dyspersję fazy ciekłej, ale efekt zależy od specyfikacji CNT, medium, środka dyspergującego, stężenia i pobranej energii, a nadmierne ultradźwięki mogą powodować zmniejszenie długości CNT.

Czy drobniejsza dyspersja nanorurek węglowych jest zawsze lepsza?

Nie. Należy znaleźć równowagę pomiędzy redukcją aglomeratów, stabilnością dyspersji, siecią przewodzącą i zachowaniem długości CNT.

Do jakich zastosowań nadaje się mieszanie na sucho CNT?

Mieszanie na sucho jest stosunkowo odpowiednie do wstępnego mieszania proszku, mieszania polimerów na sucho, przedmieszek i niektórych sposobów przetwarzania proszku. Jeśli produktem końcowym jest zawiesina wodna lub NMP, zazwyczaj nadal potrzebne są procesy dyspersji w fazie ciekłej.

Jak ocenić, czy proszek CNT jest łatwy do zdyspergowania?

Nie można po prostu patrzeć na czystość. Zaleca się jednoczesne porównanie średnicy rury, długości, powierzchni właściwej, stanu skupienia proszku i wymaganie od dostawców dostarczenia danych z testów TEM/SEM i dyspersji dla systemu docelowego.

Czy Shandong Tanfeng może przedstawić zalecenia dotyczące dyspersji?

Tak. Można zapewnić odpowiednie zalecenia dotyczące dopasowywania produktów i procesu dyspersji w oparciu o średnicę rury, długość, czystość proszku CNT oraz wodne, NMP, żywicowe lub inne systemy aplikacji klienta.

Nanorurki węglowe nie są „trudne do równomiernego wymieszania” – raczej należy właściwie zrozumieć, co oznacza prawdziwa dyspersja

Aglomeracja proszku nanorurek węglowych jest typowym wyzwaniem technologicznym wynikającym z jego nanostruktury, a zwykłe mieszanie suchego proszku rozwiązuje głównie problem jednorodności makroskopowej, której nie można automatycznie utożsamić z deaglomeracją w skali nano.

W przypadku niektórych przewodzących tworzyw sztucznych, proszkowych materiałów kompozytowych i procesów przedmieszek: Mieszanie na sucho → Wysokie ścinanie/wytłaczanie → Końcowa obróbka może całkowicie stać się rozsądną metodą.

W przypadku układów wodnych, NMP i innych cieczy: Zwilżanie wstępne → Silne ścinanie → Ultradźwięki/szlifowanie → Stabilizacja → Zwykle bardziej odpowiednia jest weryfikacja wydajności.

A naprawdę doskonały proces dyspersji CNT nie polega na: „Rozbijaniu CNT tak drobno, jak to możliwe”. A raczej: „Wykorzystanie wystarczającej ilości energii do otwarcia niepożądanych aglomeratów przy jednoczesnym zachowaniu efektywnej długości i struktury nanorurek CNT w jak największym stopniu”.

Jest to również najbardziej godny uwagi punkt przy zakupie proszku nanorurki węglowej. Parametry materiału określają punkt wyjścia, a proces dyspersji określa, czy rzeczywiście można uwolnić wydajność materiału.

Jako producent proszku nanorurek węglowych, Shandong Tanfeng, oprócz dostarczania proszku nanorurek węglowych o różnych specyfikacjach, może również dopasowywać materiały pod względem takich wymiarów, jak średnica rury, długość, czystość, powierzchnia właściwa i docelowy system dyspersji zgodnie z ostatecznym zastosowaniem klienta. W przypadku klientów potrzebujących zastosowań wodnych, NMP, mieszanek żywicowych lub przewodzących tworzyw sztucznych, zamiast po prostu porównywać „proszek której firmy jest tańszy”, bardziej zaleca się bezpośrednie porównanie stanu aglomeracji, ilości dodanego, właściwości przewodzących i stabilności partii w tym samym procesie dyspersji.

Prawdziwa wartość proszku nanorurek węglowych nie polega na tym, jak jednolity wygląda sam proszek, ale na tym, czy po wejściu do produktu końcowego może utworzyć skuteczną sieć funkcjonalną o odpowiedniej strukturze.