Una de les dificultats més grans del procés de la pols de nanotubs de carboni en aplicacions pràctiques és, de fet, l'aglomeració, i l'agitació de pols seca normal només pot millorar la barreja macroscòpica. És molt difícil dissociar completament els paquets estables de CNT només mitjançant la barreja en sec de baixa intensitat.
Els nanotubs de carboni tenen relacions d'aspecte elevades, superfícies específiques relativament grans i fortes interaccions entre tubs, cosa que els fa propensos a formar estructures semblants a paquets o aglomerades durant la preparació, l'emmagatzematge i el transport. La investigació mostra que les interaccions de van der Waals entre CNT afavoreixen la formació de paquets i agregats, que també és un repte de dispersió de llarga durada a mesura que els nanotubs de carboni es mouen dels materials de laboratori a les aplicacions industrials. Però aquí hi ha un problema que es pot passar per alt fàcilment: "Remenar la pols negra de manera uniforme" ≠ "Dispersar realment els nanotubs de carboni". Per a les fàbriques, el que realment cal jutjar és:
L'agitació de pols seca pot trencar els aglomerats de CNT fins a la mida objectiu?
Els CNT poden entrar uniformement a la matriu?
Es tornaran a aglomerar durant el processament posterior?
La longitud del CNT s'escurçarà durant la dispersió?
Aquestes preguntes determinen si la pols de nanotubs de carboni pot realitzar, en última instància, les seves degudes funcions conductores, de reforç o de blindatge electromagnètic.
I. Per què la pols de nanotubs de carboni és especialment propensa a l'aglomeració?
La raó fonamental per la qual els nanotubs de carboni són propensos a l'aglomeració és l'efecte combinat d'una gran superfície específica i de fortes interaccions entre tubs, cosa que fa que els CNT individuals no estiguin disposats a romandre separats els uns dels altres a llarg termini.
Els nanotubs de carboni no són partícules esfèriques normals.
Tenen unes característiques molt especials:
diàmetre a nanoescala;
Escala de micres o fins i tot més llarga;
Relació d'aspecte alta;
Superfície grafitada;
Àrea de contacte efectiva relativament gran.
Quan un gran nombre de CNT entre en contacte, es formen fàcilment estructures semblants a paquets entre tubs. Els CNT formen paquets cristal·lins a causa de la forta atracció de Van der Waals, i aquest comportament d'autoagregació és un obstacle important que afecta el processament de CNT i les aplicacions pràctiques. L'alta superfície específica, la superfície hidrofòbica, les forces de van der Waals i les interaccions π-π dels CNT fan que formin agregats o estructures semblants a paquets de mides variables en molts polímers i dissolvents comuns. Per tant, l'aparició d'aglomeració en pols de nanotubs de carboni no significa necessàriament que la qualitat del producte sigui deficient.
Un cert grau d'aglomeració és en si mateix una de les característiques materials de la pols CNT.
El que realment s'ha de controlar és: quina mida són els aglomerats, quina força estan units i si es poden desaglomerar de manera efectiva després d'entrar al sistema final.
II. Què és exactament l'"aglomeració" en pols de nanotubs de carboni?
L'aglomeració en pols de CNT no és simplement unes poques partícules que s'uneixen, sinó que pot ser una estructura complexa formada pas a pas a partir de tubs individuals, estructures semblants a paquets i aglomerats secundaris més grans.
Es pot entendre simplement com tres nivells:
Primer Nivell: CNT Individual
Aquest és l'estat ideal d'un sol tub.
Segon Nivell: Paquet CNT
Múltiples nanotubs de carboni s'alineen entre si en una direcció determinada, formant un feix.
Tercer Nivell: Aglomerat Macroscòpic
Un gran nombre de paquets de CNT s'emboliquen i es compacten encara més, formant aglomerats de pols visibles o a escala de micres.
La investigació ha observat que els CNT en sistemes de dispersió inestables poden formar primer paquets aproximadament paral·lels que contenen uns 2-6 tubs, i després formar estructures d'aglomerat de xarxa tridimensionals.
Per tant: una petita partícula negra vista per la fàbrica pot no ser una "partícula" internament, sinó una gran massa de nanotubs de carboni entrellaçats.
III. L'agitació de pols seca normal pot trencar directament els nanotubs de carboni?
Pot millorar la uniformitat macroscòpica, però normalment no pot dissociar completament els paquets de CNT estables en tubs individuals ideals o estructures semblants a paquets fins.
Aquesta és la clau per entendre la "dispersió de pols seca de nanotubs de carboni".
L'equip de barreja en sec ordinari proporciona principalment:
Remenant;
convecció;
Fricció;
Compressió;
Un cert grau de cisalla.
Pot convertir la pols de CNT a partir de: Grans aglomerats → Mescla de pols relativament uniforme. Però potser no necessàriament s'aconsegueix més: aglomerats grans → aglomerats petits → feixos de CNT → dispersió individual a nivell de tub.
Les investigacions existents han comparat específicament la desaglomeració mecànica d'estat sec de CNT amb el processament humit, assenyalant que la barreja mecànica tradicional pot utilitzar forces com ara el cisallament, la compressió i la fricció per trencar aglomerats, però per als MWCNT fortament aglomerats, la capacitat de desaglomeració dels mètodes mecànics convencionals és sovint limitada.
Així, si una fàbrica diu: "Vam remenar els CNT i la pols de resina durant 30 minuts, i ja sembla uniforme".
Aquesta conclusió només pot indicar: La mescla macroscòpica és relativament uniforme. Encara no es pot demostrar: els CNT s'han dispersat completament a escala microscòpica.
IV. Per què l'agitació de pols seca pot semblar uniforme, però encara poden existir aglomerats CNT?
Perquè la uniformitat macroscòpica i la uniformitat a nanoescala són dos conceptes completament diferents.
Per exemple, s'afegeix 1 kg de nanotubs de carboni a un lot de 100 kg de resina.
Després de la barreja de pols seca, pot semblar molt uniforme des del recipient de mostreig, el color i l'aspecte visual.
Però després de l'ampliació, encara pot existir el següent:
aglomerats a nivell de 10 μm;
paquets de CNT de diversos nivells de μm;
regions locals d'alta concentració;
Les xarxes CNT no s'han desplegat completament.
Això es pot entendre amb el concepte següent:
| Nivell de dispersió | Resultat de l'observació | Representa una dispersió suficient |
|---|---|---|
| Macroscòpica | Pols negre distribuït uniformement | ❌ No necessàriament |
| 100-1000 μm | Grans aglomerats notablement reduïts | ❌ |
| 1-100 μm | Els aglomerats es redueixen encara més | ⚠️ |
| Escala submicronica | Paquets de CNT notablement reduïts | Bé |
| Nanoescala | CNTs totalment desplegats | A prop de l'estat ideal |
L'objectiu real no és que totes les aplicacions hagin d'aconseguir la "dispersió completa dels CNT individuals". L'objectiu veritablement raonable és aconseguir una escala de dispersió que coincideixi amb el rendiment final del producte.
V. Per què és més difícil la dispersió de pols seca de nanotubs de carboni que la pols normal?
L'elevada relació d'aspecte i l'alta superfície específica dels CNT els donen tendències d'entrellaçament i aglomeració més fortes en comparació amb els farcits esfèrics normals.
Es pot fer una comparació:
| Característic | Pols inorgànica ordinària | Nanotub de carboni en pols |
|---|---|---|
| Morfologia de partícules | Aproximadament granular | Tubular unidimensional |
| Relació d'aspecte | Normalment baix | Pot ser molt alt |
| Mètode de contacte | Contacte puntual/cara | Contacte línia/cara, embolcall |
| Forma d'aglomeració | Apilament de partícules | Paquets + entrellaçament + xarxa |
| Dificultat de desaglomeració | Relativament baix | Normalment més alt |
| Efecte de barreja en sec | Relativament fàcil d'aconseguir uniformitat | Més depenent de l'equip i del procés |
| Requisits de dispersió humida | Depèn del material | Molt comú |
Per tant, no es pot suposar simplement que: "Les nanopols es poden resoldre només augmentant la velocitat d'agitació". La dispersió de CNT és un problema determinat conjuntament per l'entrada d'energia, les interaccions interfacials i l'estructura del material.
VI. Com jutjar si la pols de nanotubs de carboni està realment dispersa?
No podeu mirar només el color i l'observació visual. Com a mínim, el judici hauria de combinar la mida de l'aglomerat, la morfologia microscòpica, la viscositat o el rendiment final.
Es recomana triar mètodes de prova segons l'aplicació.
| Mètode de prova | Què es pot observar | Apte per jutjar |
|---|---|---|
| SEM | Aglomerats, morfologia superficial | Materials compostos sòlids |
| TEM | Feixos CNT, estructura de tub individual | Dispersió microscòpica |
| Mida de partícules làser | Mida de partícula d'aglomerat | Dispersió líquida |
| DLS | Tendència de la mida de les partícules en fase líquida | Sistemes líquids |
| Raman | Canvis d'estructura/defecte | Conservació de l'estructura |
| TGA | CNTs i components residuals | Judici auxiliar compositiu |
| Prova de viscositat | Canvis reològics | Estabilitat de purins |
| Resistivitat | Xarxa conductora | Actuació final |
| Proves de sedimentació | Estabilitat d'emmagatzematge | Purín |
Entre aquests, les proves de rendiment final solen ser més significatives que perseguir només un determinat nombre de mida de partícules.
Perquè fins i tot si un sistema CNT sembla ben dispers al microscopi, si la conductivitat final no millora, no es pot considerar un veritable èxit del procés.
VII. Quin procés de dispersió s'ha d'utilitzar per a la pols de nanotubs de carboni?
Un enfocament relativament fiable és utilitzar un procés gradual de "premescla, desaglomeració, estabilització-verificació", en lloc d'utilitzar la màxima energia mecànica des del principi.
Pas 1: premescla
Primer permeteu que els CNT estableixin un contacte uniforme amb el material principal o el medi de dispersió.
Pas 2: augmentar gradualment la cisalla
Augmentar gradualment l'energia mecànica segons el grau d'aglomeració.
Pas 3: utilitzeu ultrasons o mòlta quan sigui necessari
Per als sistemes en fase líquida, la mida de l'aglomerat es pot reduir encara més mitjançant ultrasons, cisallament elevat o mòlta.
Pas 4: Estabilització
Utilitzeu dispersants o mètodes de modificació de superfícies adequats per al sistema per reduir la probabilitat de re-aglomeració.
Pas 5: verificació
Com a mínim, prova:
Mida de l'aglomerat;
viscositat;
Sedimentació;
longitud CNT;
Rendiment conductor final.
Aquest enfocament és coherent amb la ruta comuna de "mescla d'ultrasons-estabilització-verificació del rendiment" en la investigació de dispersió CNT. Les revisions relacionades també tracten la mescla mecànica, els ultrasons i l'estabilització com els passos principals en el disseny de dispersió de CNT en fase líquida/composite.
VIII. La dificultat de dispersió és la mateixa per a diferents pols de nanotubs de carboni?
No. El diàmetre del tub, la longitud, la puresa, l'estat de la superfície i el grau d'aglomeració afecten el procés de dispersió final.
| Paràmetre CNT | Impacte potencial en la dispersió |
|---|---|
| Diàmetre del tub més petit | Àrea de superfície específica normalment més alta, el control de l'aglomeració pot ser més difícil |
| Longitud més llarga | L'entrellat pot ser més evident |
| Gran superfície específica | La demanda de medi de dispersió/dispersant pot augmentar |
| Superfície hidrofòbica | La humectació aquosa sol ser més difícil |
| Aglomeració més estreta | Es requereix una major energia de desaglomeració |
| Funcionalització superficial | La humectabilitat pot millorar en determinats sistemes |
| Major puresa | No vol dir necessàriament una dispersió més fàcil |
| Diferents graus de grafitització | Pot afectar les interaccions superficials |
Per tant, no es pot copiar directament el d'una altra persona: "500 W + 30 minuts" i després suposar que els seus propis CNTs tindran necessàriament el mateix efecte.
Els paràmetres de dispersió de CNT s'han de determinar en combinació amb: Especificacions del material + Contingut sòlid + Mitjà + Dispersant + Equip.
IX. Com a fabricant de pols de nanotubs de carboni, com ajuda Shandong Tanfeng els clients a resoldre els problemes d'aglomeració?
Un proveïdor de CNT realment valuós no només hauria de proporcionar una taula d'especificacions de pols, sinó que també hauria d'ajudar els clients a correlacionar els paràmetres del material amb els processos de dispersió reals.
Com a fabricant de pols de nanotubs de carboni, Shandong Tanfeng pot coincidir amb l'aplicació final del client:
tipus CNT;
diàmetre del tub;
longitud;
puresa;
Superfície específica;
estat superficial;
sistema d'aplicació;
Direcció de dispersió recomanada.
Per exemple, si el client està tractant amb:
Plàstics conductors:Focus clau en el diàmetre del tub + longitud + relació d'aspecte + condicions de cisalla d'extrusió
Suspensió aquosa:Focus clau en humectació + dispersant + cisalla/ultrasò + estabilitat
Sistema NMP:Focus clau en la compatibilitat amb dissolvents + estat de dispersió + contingut sòlid + viscositat
Composició de cautxú:Focus clau en la relació d'aspecte + unió interfacial + procés de barreja
Per tant, la lògica de selecció de productes de Shandong Tanfeng pot canviar encara més de: "Quin model vendre" a: "Quin problema de dispersió ha de resoldre el client".
X. L'aglomeració en pols de nanotubs de carboni és un signe de mala qualitat?
No es pot jutjar simplement d'aquesta manera, perquè un cert grau d'aglomeració en l'estat de pols seca és un comportament comú del propi material.
El que realment cal distingir és:
Aglomeració normal de polses pot tornar a dispersar mitjançant processos raonables.
Aglomeració sobrecompactadarequereix una energia significativament més alta per obrir-se.
Aglomeració causada per l'estat superficial del materialpot requerir canviar el sistema de dispersió.
Aglomeració irreversible provocada pel tractament del procéspot haver afectat ja el rendiment del producte final.
Per tant, durant l'adquisició, no només cal: "La pols no ha de tenir absolutament cap aglomeració".
Un requisit més raonable és: "En el meu sistema objectiu i les condicions del procés, quin nivell de dispersió pot aconseguir la pols?"
XI. Preguntes freqüents
L'aglomeració és la dificultat més gran de la pols de nanotubs de carboni?
De fet, l'aglomeració és una de les dificultats bàsiques del procés en les aplicacions industrials de CNT, però no és l'única dificultat. A més de l'aglomeració, la humectació, l'estabilitat de la dispersió, la preservació de la relació d'aspecte, la viscositat, l'enllaç interfacial i l'estabilitat del lot també s'han de tenir en compte.
L'agitació de pols seca pot trencar directament els nanotubs de carboni?
Pot millorar la barreja macroscòpica, però l'agitació ordinària de pols seca normalment no pot garantir la dissociació completa dels paquets de CNT estretament lligats. Si el producte final té uns requisits elevats per a la dispersió microscòpica, normalment es necessita una cisalla més alta, un compost de fusió o una dispersió humida.
Per què els nanotubs de carboni són propensos a formar aglomerats?
Principalment relacionat amb fortes interaccions de van der Waals entre tubs, una gran superfície específica i una estructura unidimensional d'alta relació d'aspecte.
L'ecografia pot resoldre completament l'aglomeració de CNT?
No es pot garantir. L'ultrasò pot millorar significativament la dispersió en fase líquida, però l'efecte depèn de les especificacions de CNT, el mitjà, el dispersant, la concentració i l'entrada d'energia, i l'excés d'ultrasons pot provocar una reducció de la longitud del CNT.
La dispersió més fina dels nanotubs de carboni és sempre millor?
No. Cal trobar un equilibri entre la reducció d'aglomerats, l'estabilitat de la dispersió, la xarxa conductora i la preservació de la longitud de CNT.
Per a quines aplicacions és adequada la barreja en sec CNT?
La barreja en sec és relativament adequada per a la premescla de pols, la composició en sec de polímers, el masterbatch i algunes rutes de processament de pols. Si el producte final és aquós o purí NMP, normalment encara es necessiten processos de dispersió en fase líquida.
Com jutjar si la pols de CNT és fàcil de dispersar?
No pots mirar només la puresa. Es recomana comparar simultàniament el diàmetre del tub, la longitud, la superfície específica, l'estat d'aglomeració de pols i exigir als proveïdors que proporcionin dades TEM/SEM i proves de dispersió per al sistema objectiu.
Shandong Tanfeng pot proporcionar recomanacions de dispersió?
Sí. Es poden proporcionar les recomanacions corresponents del procés de concordança i dispersió del producte en funció del diàmetre del tub, la longitud, la puresa de la pols CNT i els sistemes d'aplicació aquós, NMP, resina o altres del client.
Els nanotubs de carboni no són "difícils d'agitar uniformement", sinó que cal entendre correctament el que significa la veritable dispersió
L'aglomeració de pols de nanotubs de carboni és un repte de processament típic provocat per la seva nanoestructura, i l'agitació ordinària de pols seca soluciona principalment la uniformitat macroscòpica, que no pot equivaler automàticament a la desaglomeració a nanoescala.
Per a alguns plàstics conductors, materials compostos en pols i processos de masterbatch: mescla en sec → Cisalla/extrusió elevada → El processament final es pot convertir completament en una ruta raonable.
Per a sistemes aquosos, NMP i altres líquids: Pre-humectació → Cisalla alta → Ultrasons/mòlta → Estabilització → La verificació del rendiment és normalment més adequada.
I un procés de dispersió de CNT realment excel·lent no és: "Trencar els CNT tan bé com sigui possible". Més aviat: "Utilitzar l'energia suficient per obrir aglomerats no desitjats alhora que es preserva la longitud i l'estructura efectiva dels CNT tant com sigui possible".
Aquest és també el punt més destacable a l'hora de comprar els paràmetres del material en pols de nanotubs de carboni que determinen el punt de partida i el procés de dispersió determina si realment es pot alliberar el rendiment del material.
Com a fabricant de pols de nanotubs de carboni, Shandong Tanfeng, a més de proporcionar pols de nanotubs de carboni de diferents especificacions, també pot combinar materials de dimensions com ara el diàmetre del tub, la longitud, la puresa, la superfície específica i el sistema de dispersió d'objectius segons l'aplicació final del client. Per als clients que necessiten aplicacions aquoses, NMP, compostatge de resina o plàstics conductors, en lloc de simplement comparar "quina pols de l'empresa és més barata", es recomana comparar directament l'estat d'aglomeració, la quantitat d'addició, el rendiment conductor i l'estabilitat del lot sota el mateix procés de dispersió.
El veritable valor de la pols de nanotubs de carboni no rau en l'uniformitat de la mateixa pols, sinó en si pot formar una xarxa funcional eficaç amb una estructura adequada després d'entrar al producte final.