Fer un masterbatch de nanotubs de carboni a partir de pols de nanotubs de carboni és una manera important d'introduir realment nanomaterials CNT d'alt rendiment al sistema de processament de plàstic. En comparació amb l'addició directa de pols de nanotubs de carboni a polímers com PP, PE, PA, ABS i PC, el masterbatch de nanotubs de carboni normalment dispersa de manera uniforme els nanotubs de carboni de major concentració en un transportador de resina mitjançant la barreja i l'extrusió de la fosa, després es dilueix al producte final segons la quantitat d'addició objectiu.
El nucli d'aquest procés no és simplement "barrejar nanotubs de carboni i plàstic junts", sinó resoldre tres problemes pràctics: com introduir CNT a la fusió del polímer, com aconseguir una dispersió efectiva amb energia termomecànica limitada i com fer que el masterbatch final sigui capaç de dilució estable i formar una xarxa conductora contínua.
I. Per què fer masterbatch amb pols de nanotubs de carboni en lloc d'afegir-lo directament al plàstic?
El motiu principal és: el masterbatch de nanotubs de carboni pot concentrar el pas de dispersió de CNT més difícil de controlar a l'etapa de predispersió d'alta concentració i, a continuació, completar l'addició final mitjançant la dilució posterior.
Tot i que la quantitat d'addició de pols CNT normalment no és elevada, la seva nanoescala, la seva elevada relació d'aspecte i la seva tendència a formar estructures aglomerades fan que no es pugui dispersar de manera ràpida i uniforme després d'entrar directament a la fusió del polímer.
Especialment per a la producció industrial, l'addició directa també aporta:
pols en pols;
Dificultat per mesurar amb precisió els CNT de traça;
Alimentació desigual;
Augment del temps de dispersió;
Diferències de lots amplificades;
Augment de la dificultat en la gestió de l'entorn de producció.
En comparació, el masterbatch equival a "posar" CNTs en un suport de polímer per endavant.
La ruta típica es pot entendre com: CNT en pols → Masterbatch CNT d'alta concentració → Dilució amb resina base → Productes plàstics conductors/antiestàtics finals.
El masterbatch de CNT normalment utilitza una càrrega més alta de CNT, i després prepara el material compost final mitjançant la dilució del masterbatch; aquest mètode ajuda a reduir la dificultat de dispersió d'afegir directament CNT, alhora que millora la comoditat operativa i la mesura de CNT.
II. Què és el Masterbatch de nanotubs de carboni?
El masterbatch de nanotubs de carboni és essencialment un material concentrat pre-dispersat de "portador de CNT + polímer d'alta concentració".
Normalment utilitza resina termoplàstica com a suport, com ara:
PP;
PE;
PA;
ABS;
PC;
PBT;
TPU;
EVA;
Altres materials termoplàstics que coincideixen amb la resina final.
De manera similar al masterbatch de color plàstic normal, el masterbatch de nanotubs de carboni també ha de passar per passos com l'extrusió, el refredament i la granulació per formar productes granulars.
Però l'enfocament tècnic del masterbatch CNT difereix del masterbatch de color normal.
El masterbatch de color normal soluciona principalment: si el pigment es pot dispersar uniformement.
El masterbatch CNT se centra més en: Si els CNT poden formar una xarxa conductora estable i contínua a nanoescala adequada per al processament final.
Per tant, el rendiment del masterbatch de nanotubs de carboni no es pot jutjar només per "si és negre".
III. Quin és el procés bàsic de producció del masterbatch de nanotubs de carboni?
La ruta típica de preparació del masterbatch de nanotubs de carboni industrial és "pre-mescla, fusió, dispersió de cisalla, extrusió, refredament, peletització, proves".
El procés bàsic es pot representar com:
Selecció de pols CNT
↓
Assecat de resina portadora
↓
Premescla de CNT i resina
↓
Alimentació de l'extrusora de doble cargol
↓
Fusió de polímers
↓
Dispersió de CNT d'alta cisalla
↓
Transport uniforme i extrusió
↓
Refrigeració
↓
Pelletització
↓
Prova de masterbatch
↓
Embalatge
El que realment determina el rendiment del producte no és el pas de "tallar en pellets", sinó la dispersió de la fosa anterior i la concordança interfacial.
IV. Per què és molt important l'extrusora de doble cargol per fer masterbatch de nanotubs de carboni?
L'extrusora de doble cargol pot proporcionar simultàniament la fusió, el transport, la mescla distributiva i la barreja dispersiva, i és l'equip bàsic que s'utilitza habitualment en la producció industrial de masterbatch termoplàstic CNT.
Després que la pols de CNT entri a l'extrusora, primer s'ha de fondre el polímer, després es generen efectes de cisalla i allargament a través de la configuració del cargol, fent que els aglomerats de CNT es dissociïn gradualment i entrin al sistema de resina.
Les àrees d'enfocament clau inclouen:
Configuració del cargol;
L/D;
Velocitat del cargol;
taxa d'alimentació;
temperatura de fusió;
Temps de residència;
Resistència al tall;
Parell;
Energia mecànica específica (SME).
La investigació mostra que la configuració del cargol, la velocitat, la sortida i el temps de residència en l'extrusió de dos cargols afecten l'estat de dispersió dels CNT al masterbatch. Per al sistema PCL/MWNT, augmentar l'entrada d'energia mecànica pot millorar la dispersió de CNT, i diferents longituds de cargol i configuracions d'elements de barreja també canvien l'efecte de dispersió final.
V. És sempre millor un contingut més elevat de CNT al masterbatch de nanotubs de carboni?
El masterbatch CNT no persegueix un contingut de nanotubs de carboni infinitament alt, però troba un equilibri entre "concentració, dificultat de dispersió, fluidabilitat de processament i eficiència de dilució final".
Les concentracions de masterbatch de CNT no són completament uniformes. Per exemple, una revisió relacionada amb la conductivitat tèrmica assenyala que les càrregues de CNT més altes són habituals en el masterbatch de CNT industrial, amb rangs típics que arriben al voltant del 15-20% en pes; mentre que la investigació sobre diferents sistemes de polímers també ha utilitzat diferents concentracions com ara el 7,5% en pes i el 10% en pes.
Per tant, una certa concentració no s'ha d'entendre com un estàndard de la indústria unificat.
| Concentració CNT Masterbatch | Característiques | Principals consideracions |
|---|---|---|
| 5% en pes | Relativament fàcil de processar | Apte per a alguns sistemes de baixa concentració |
| 7,5% en pes | Casos de recerca reals a la literatura | Equilibra la dispersió i la concentració |
| 10% en pes | Concentració comuna d'R+D | Convenient per a la posterior dilució |
| 15% en pes | Concentració relativament alta | Requisits més elevats per a equips de dispersió |
| 20% en pes | Masterbatch d'alta concentració | Requisits més elevats per a la fluïdesa de la resina i la capacitat de cisalla |
| >20% en pes | Disseny d'alta concentració | Requereix verificació per a CNT i resina específics |
Els anteriors són exemples de rangs, no estàndards universals per a tots els masterbatch CNT.
La concentració de masterbatch veritablement raonable s'ha de determinar conjuntament en funció de: especificacions de CNT + viscositat de fusió de resina + equip d'extrusió + quantitat d'addició final objectiu.
VI. Per què el diàmetre i la longitud del tub de la pols de nanotub de carboni afecten la producció de masterbatch?
L'estructura geomètrica dels mateixos CNT afecta directament la dificultat de dispersió de la fosa i el mètode final de formació de la xarxa conductora.
En termes generals, els CNT tenen relacions d'aspecte molt altes. Aquesta estructura unidimensional és alhora un avantatge important per formar xarxes conductores i augmenta la dificultat d'entrellat i dispersió durant el processament.
Les revisions de la investigació assenyalen que factors com la relació d'aspecte, l'orientació, la càrrega i la química superficial dels CNT afecten el rendiment final dels compostos polimèrics.
Per tant, encara que tots dos siguin "pols MWCNT", si:
El producte A té una longitud mitjana més llarga;
El producte B té una longitud més curta;
Els dos poden diferir en el doble cargol pel que fa a: dificultat de dispersió, sensibilitat de cisalla, viscositat de fusió i xarxa conductora final. També és per això que els fabricants professionals de CNT no poden donar als clients un paràmetre de "puresa".
VII. Quina diferència hi ha entre afegir directament pols de nanotub de carboni i utilitzar Masterbatch de nanotub de carboni?
Per al processament de plàstics a gran escala, el masterbatch normalment facilita la realització d'operacions de producció i mesurament estables, però la pols ofereix una major llibertat de formulació.
| Element de comparació | Addició directa de pols de CNT | CNT Masterbatch |
|---|---|---|
| Formulari CNT | Nano en pols | Pellets de polímer |
| Operació d'alimentació | Dosificació de pols | Dosificació de pellets |
| Control de pols | Requisits més alts | Relativament més fàcil |
| Addició de rastres | Major dificultat de mesura | Més convenient |
| Desenvolupament de la dispersió | S'ha de resoldre de manera independent | Dispersió parcial ja completada |
| Llibertat de formulació | Alt | Depèn del transportista |
| Introducció al procés | Més treball de R+D | Relativament més fàcil |
| Consistència del lot | Depèn de la pols i del processament | Depèn de la producció del masterbatch |
| Producció a gran escala | Requereix equipament madur | Més adequat per a l'alimentació estandarditzada |
| Aplicacions típiques | R+D, formulacions especials | Producció en sèrie de plàstics conductors/antiestàtics |
Això no vol dir que el masterbatch sigui necessàriament millor que la pols. Si el propi client té una capacitat de dispersió de nanomaterials madurs i necessita ajustar lliurement les formulacions de CNT, resina i additius, l'ús directament de pols pot ser més flexible.
VIII. Per a quins plàstics són adequats els masterbatch de nanotubs de carboni?
El masterbatch CNT es pot combinar amb el portador segons diferents resines termoplàstiques, utilitzades principalment per a materials conductors, antiestàtics, blindatge EMI i materials compostos funcionals.
Les matrius comunes inclouen:
PP;
PE;
PA6;
PA66;
ABS;
PC;
PBT;
TPU;
PET;
POM, etc.
Les instruccions d'aplicació inclouen:
1. Plàstics antiestàtics
Ús de CNT per formar xarxes conductores, reduint l'acumulació de càrrega superficial dels materials.
2. Plàstics conductors
S'utilitza per a sistemes de materials que requereixen una conductivitat de volum/superfície estable.
3. Materials de blindatge electromagnètic EMI
Aconseguir l'atenuació d'ones electromagnètiques mitjançant xarxes conductores i estructures materials.
4. Pel·lícules conductores
S'utilitza per a envasos, materials electrònics i pel·lícules funcionals.
5. 3Materials d'impressió D
Els compostos CNT/polímers també s'estan estudiant per a l'emmotllament per extrusió i la fabricació additiva.
6. Modificació plàstica d'enginyeria
L'addició de CNT a plàstics d'enginyeria com PA, PC i PBT es pot utilitzar per desenvolupar materials compostos que combinen funcions mecàniques i conductores.
IX. El procés és el mateix per fer masterbatch de nanotubs de carboni amb diferents resines?
La lògica bàsica del masterbatch és la mateixa, però les diferents resines requereixen una nova coincidencia del suport, la temperatura de processament, la configuració del cargol i la relació d'addició de CNT.
| Resina matricial | Focus de purins/granulats | CNT Masterbatch Focus |
|---|---|---|
| PP | Fluibilitat de fusió, compatibilitat | Balanç de conductivitat i dispersió |
| PE | Temperatura de fusió, fluïdesa | Dispersió uniforme |
| PA6/PA66 | Contingut d'humitat, temperatura de processament | Assecat i estabilitat tèrmica |
| ABS | Compatibilitat multicomponent | Rendiment de dispersió i impacte |
| PC | Temperatura de processament més alta | Estabilitat tèrmica i cisalla |
| PBT | Requisits d'assecat | Humitat i dispersió |
| TPU | Viscositat i sensibilitat tèrmica | Finestra de cisalla i processament |
| PET | Processament a alta temperatura | Estabilitat tèrmica |
Especialment per a materials amb higroscopicitat evident com PA, PET i PBT, l'estat d'assecat de la resina pot afectar directament l'estabilitat de l'extrusió i el rendiment final.
X. Per què el Masterbatch de nanotubs de carboni ha de tenir en compte la "resina portadora"?
El suport del masterbatch no és un plàstic qualsevol escollit a l'atzar, sinó que ha de mantenir una bona compatibilitat i una bona compatibilitat de processament amb la resina de processament final tant com sigui possible.
Per exemple, si el producte final utilitza PP, el masterbatch CNT basat en PP normalment és més fàcil de formular que utilitzar una resina completament diferent com a portador.
El motiu és que després que el masterbatch entri a la fosa final, ha de passar per: Fusió del masterbatch → Redistribució de CNT → Mescla amb resina base → Formació de xarxa final.
Si el suport i la resina final no són compatibles amb la suficient compatibilitat, pot provocar:
Migració desigual de la CNT;
Enriquiment local;
Dispersió deteriorada;
Disminució de les propietats mecàniques;
Fluctuacions de resistència.
Les investigacions existents també subratllen que les interaccions interfacials entre CNT i polímers i la coincidència de matrius afecten el rendiment final del material compost.
XI. Per què el rendiment conductor del masterbatch de nanotubs de carboni no es determina només pel contingut CNT?
El rendiment conductor final depèn de la xarxa conductora formada conjuntament pel contingut de CNT, l'estat de dispersió, l'estructura geomètrica de CNT, l'orientació i la matriu del polímer.
Un fenomen molt típic és: afegir més CNT no significa necessàriament que el rendiment conductor del material final augmenti en la mateixa proporció.
Perquè el que realment importa és si es forma una xarxa de percolació eficaç.
XII. Com jutjar si la dispersió del masterbatch de nanotubs de carboni està qualificada?
No podeu mirar només l'aspecte dels pellets de masterbatch. S'han de comprovar simultàniament l'aglomeració macroscòpica, la dispersió microscòpica i el rendiment elèctric final.
Es recomana establir almenys tres nivells de proves.
Primer nivell: Aspecte del Masterbatch
Observa:
Color del pellet;
Mida;
Si hi ha punts negres evidents;
Si hi ha pellets no fosos;
Si hi ha substàncies cremades.
Segon Nivell: Dispersió Microscòpica
Es pot utilitzar el següent:
microscopi òptic;
SEM;
TEM.
Observació clau: si existeixen grans aglomerats de CNT, si els CNT es distribueixen uniformement al polímer.
Tercer Nivell: Actuació Final
Més important encara, prova:
Resistència superficial;
resistivitat de volum;
Resistència a la tracció;
resistència a la flexió;
Rendiment d'impacte;
índex de fusió;
Estabilitat tèrmica.
Només d'aquesta manera podeu jutjar realment: si la dispersió de CNT s'ha convertit finalment en un rendiment de material repetible.
XIII. Per què la qualitat dels nanotubs de carboni en pols afecta directament la qualitat del Masterbatch?
Masterbatch no és un producte que pugui ocultar completament les diferències de pols. L'estructura i l'estabilitat del lot de la pols CNT en si es transmeten directament al masterbatch posterior.
Si els lots de pols CNT tenen:
diferències de diàmetre del tub;
Diferències de longitud;
diferències de puresa;
Diferències de residus metàl·lics;
Diferències de grau de grafitització;
Diferències d'estat d'aglomeració;
Aleshores, fins i tot utilitzant exactament el mateix: Resina + Cargol + Temperatura + Velocitat
Encara es poden obtenir diferents resultats: parell, viscositat, estat de dispersió i resistència.
També és per això que per al masterbatch CNT, el millor és establir un control de qualitat a partir de la font CNT, en lloc de provar només el masterbatch al final.
XIV. Per què és més valuosa la integració "CNT Powder Manufacturer + Masterbatch Manufacturer"?
Quan la pols CNT i el masterbatch es desenvolupen pel mateix sistema de subministrament, l'estructura de la matèria primera i el procés d'extrusió aigües avall es poden optimitzar en l'enllaç.
Per exemple, si un client troba: La dispersió del masterbatch no és prou estable.
L'enfocament tradicional només pot ajustar: Velocitat del cargol → Temperatura → Temps de residència.
Però el subministrament integrat pot traçar més: longitud CNT → Diàmetre del tub → Estat d'aglomeració de pols → Estat superficial → Portador de resina → Configuració de cargol → Masterbatch final.
D'aquesta manera, el camí per resoldre el problema és més complet.
XV. Com a fabricant de nanotubs de carboni, quins són els avantatges de Shandong Tanfeng en el negoci de Masterbatch?
L'avantatge principal de Shandong Tanfeng és la seva capacitat per connectar la R+D i la producció de pols CNT amb aplicacions de masterbatch de nanotubs de carboni aigües avall, proporcionant als clients solucions de suport des de matèries primeres fins a masterbatch funcional.
El negoci de Shandong Tanfeng cobreix pols de nanotubs de carboni, purins conductors de nanotubs de carboni i productes de masterbatch conductors, i té capacitats de R+D, producció i desenvolupament d'aplicacions de CNT.
Per a les empreses de modificació de plàstics que requereixen una producció massiva a llarg termini, si el proveïdor pot entendre simultàniament els materials CNT i el processament de polímers sovint és més significatiu pràcticament que simplement proporcionar una cotització en pols.
XVI. Quina diferència hi ha entre el masterbatch de nanotubs de carboni i el masterbatch de negre de carboni conductor ordinari?
Tots dos es poden utilitzar per construir xarxes conductores, però els CNT tenen una estructura unidimensional d'alta relació d'aspecte, i el seu mecanisme de formació de xarxes conductores i la quantitat d'addició necessària poden diferir dels sistemes de negre de carboni.
| Item | Masterbatch de nanotubs de carboni | Masterbatch conductor de negre de carboni |
|---|---|---|
| Formulari de farciment | Nanotubs unidimensionals | Aproximadament granular |
| Relació d'aspecte | Molt alt | Relativament baix |
| Xarxa conductora | Interconnexió de nanotubs | Contacte de partícules |
| Import addicional | Depèn del sistema | Depèn del sistema |
| Dificultat de dispersió | L'aglomeració de nanotubs requereix un control clau | L'aglomeració també requereix control |
| Impacte mecànic | També pot aportar reforç | Depèn del tipus de negre de carboni i de la quantitat d'addició |
| Aplicacions EMI | Apte per a sistemes compostos específics | Comú |
| Transparència/Requisits d'ompliment baixos | Els CNT tenen potencial | Normalment es veu afectat significativament pel color negre de carboni |
Cal assenyalar que això no és simplement "els CNT són necessàriament millors que el negre de carboni".
El que realment s'ha de comparar és: resistència objectiu + quantitat d'addició + propietats mecàniques + cost + mètode de processament + requisits d'aspecte.
Preguntes freqüents: Preguntes freqüents sobre com fer un masterbatch de nanotubs de carboni a partir de pols de nanotubs de carboni
1. Es pot afegir directament al PP la pols de nanotubs de carboni?
Sí, però el problema de la dispersió del CNT s'ha de resoldre mitjançant processos de mescla de fosa adequats. Per a la producció a gran escala, la preparació prèvia del masterbatch CNT i després la dilució és una via habitual.
2. Quanta CNT conté generalment el masterbatch de nanotubs de carboni?
No hi ha un valor fix unificat. A la literatura es poden veure diferents dissenys de lots mestres, com ara un 7,5% en pes, un 10% en pes i un 15-20% en pes. La concentració real s'ha de determinar segons el tipus de CNT, la resina i l'equip d'extrusió.
3. El masterbatch CNT requereix necessàriament un doble cargol?
No necessàriament, però l'extrusora de doble cargol és molt adequada per a masterbatch CNT termoplàstic que requereix una dispersió més forta i una producció contínua. L'equip real s'ha de determinar en funció de la capacitat i el sistema de materials.
4. És millor un contingut CNT més alt per al masterbatch?
No. Un contingut més elevat de CNT pot millorar l'eficiència de concentració, però simultàniament pot augmentar la viscositat de la fusió i la dificultat de dispersió. Cal trobar una finestra de procés adequada per a l'equip.
5. Es pot utilitzar el masterbatch de nanotubs de carboni per a PA?
Sí. El masterbatch CNT es pot desenvolupar per a plàstics d'enginyeria com PA6 i PA66, però es necessita un control clau per a l'assecat de la resina, la temperatura de processament, la concordança del portador i el rendiment conductor final.
6. Es pot utilitzar el masterbatch de nanotubs de carboni per a plàstics antiestàtics?
Sí. Els CNT poden formar xarxes conductores en polímers, de manera que es poden utilitzar en alguns sistemes de material de blindatge antiestàtics, conductors i EMI.
7. Què és més adequat per a fàbriques de plàstic, masterbatch CNT o pols CNT?
Depèn de la capacitat de desenvolupament de materials de la fàbrica. Les empreses amb capacitat de dispersió de nanomaterials madurs poden triar pols; Les empreses que esperen reduir la dificultat de manipulació de pols i desenvolupament de dispersió poden considerar el masterbatch.
8. Pot Shandong Tanfeng proporcionar pols de nanotubs de carboni i masterbatch?
Sí. El sistema de productes públics de Shandong Tanfeng cobreix tant la pols de nanotubs de carboni com el Masterbatch conductor, i posseeix capacitats de R+D, producció i desenvolupament d'aplicacions CNT, i pot dur a terme la combinació i personalització de materials al voltant de diferents aplicacions.
Shandong Tanfeng ha desplegat pols de nanotubs de carboni, purins de nanotubs de carboni i masterbatch de nanotubs de carboni, capaços d'estendre des de l'extrem de la matèria primera CNT fins a l'extrem de l'aplicació aigües avall, proporcionant idees de desenvolupament personalitzades i de combinació de materials per a sistemes de polímers com PP, PE, PA, ABS i PC. El negoci de la companyia cobreix R+D, producció, desenvolupament d'aplicacions i productes de masterbatch conductors de CNT.
Per als clients que desitgen introduir realment CNT de materials de laboratori a la producció massiva de plàstics, en lloc de comprar un lot de pols de CNT sol i explorar per si sols, és millor establir directament una solució de material completa al voltant de les especificacions de CNT en pols, resina portadora, concentració de masterbatch, procés d'extrusió i indicadors de resistència finals.
Aquest també és un pas clau perquè els nanotubs de carboni passin de "nano pols" a "materials funcionals que es poden processar a gran escala".