Na výzkumných a vývojových linkách a výrobních linkách vodivých povlaků-na bázi vody, nových pojiv na bázi vody-pro lithiové baterie nebo tepelně vodivých chladicích fólií jsou uhlíkové nanotrubice velmi oblíbené díky svým dokonalým vodivým a tepelně vodivým sítím. Inženýři však často narazí na první krok výroby: jak rozptýlit uhlíkové nanotrubice ve vodě? Při pohledu na plovoucí černé vločky v kádince a tvrdý sediment na dně propadá nespočet lidí zoufalství. Kvůli silné hydrofobnosti a mezi-trubkovým van der Waalsovým silám se CNT shlukují hned po vstupu do vody a konvenční míchání nemůže vůbec vytvořit stejnoměrnou vodnou disperzi. Tento článek se bude přímo zabývat tímto bodem bolesti a použije hardcore data k odstranění logiky vodné disperze uhlíkových nanotrubic.
1. Sledování dilematu: Proč se uhlíkové nanotrubice velmi snadno shlukují a potápějí ve vodě?
Základní důvod, proč se uhlíkové nanotrubice velmi snadno aglomerují a srážejí ve vodě, spočívá v jejich extrémně vysoké povrchové hydrofobnosti a silné inter{0}}trubkové van der Waalsově přitažlivosti, díky čemuž je systém vysoce termodynamicky nestabilní.
Stěna trubice CNT je tvořena válcováním sp² hybridizovaných grafenových listů a tento vysoce polarizovaný konjugovaný povrch je ze své podstaty hydrofobní. Když se neupravený prášek CNT nasype do vody, molekuly vody se nemohou šířit a smáčet stěnu trubky a obrovské mezipovrchové napětí odpuzuje vodu. Současně, aby se snížila extrémně vysoká povrchová energie, trubky k sobě pevně přilnou prostřednictvím silných van der Waalsových sil. Ve srovnání s organickými rozpouštědly (jako je NMP) je kvůli vysokému povrchovému napětí vody (~72 mN/m) ještě obtížnější prolomit tento termodynamicky nestabilní stav.
| Systém rozpouštědel | Povrchové napětí | Smáčivost pro CNT | Stav disperze CNT | Trvání stability |
|---|---|---|---|---|
| Deionizovaná voda | 72,8 mN/m | Very poor (contact angle >120 stupňů) | Rychlé shlukování a potápění | <10 minutes |
| Ethanol | 22,0 mN/m | Střední | Lze dočasně pozastavit | Několik hodin |
| NMP | 40,7 mN/m | Vynikající (dobré rozpouštědlo) | Snadno se rozloží do jednotlivých zkumavek | Několik dní až několik týdnů |
2. Fyzikální ultrazvuk: Proč praská trubice, ale přesto má za následek potopení?
Přestože fyzikální ultrazvuk může poskytnout okamžitou vysokou-smykovou kavitační sílu k násilnému roztržení svazků CNT, nemůže změnit jejich hydrofobní povahu a jakmile se zastaví, nevyhnutelně dojde k rychlé sekundární aglomeraci.
Když čelíme problému, jak rozptýlit uhlíkové nanotrubice ve vodě, první reakcí mnoha lidí je použití ultrazvuku. Kavitační efekt sondového sonikátoru může skutečně generovat mikro-zásahy o velikosti stovek MPa, které rozbijí zamotané svazky. Problém je ale v tom, že čerstvě rozbité hydrofobní CNT mají extrémně vysokou povrchovou energii a jsou ve vodě v extrémně aktivním stavu; v okamžiku, kdy se ultrazvuk zastaví, okamžitě hledají společníky, aby se znovu shlukli. Ještě fatálnější je, že prodloužení doby působení ultrazvuku ve snaze o disperzní efekt přímo přeruší CNT, což způsobí, že poměr stran klesne z tisíců na desítky, což zcela zničí vodivou síť.
| Metoda fyzikální disperze | Mechanismus působení | Energetická hustota | Poškození poměru stran | Čas do sekundární aglomerace a potopení |
|---|---|---|---|---|
| Mechanické míchání | Makroskopická smyková konvekce | Nízká (<10 W/cm³) | Téměř žádný | Po zastavení se ihned potopí |
| Ultrazvuk do koupele | Kavitační efekt | Střední (10–50 W/cm³) | Mírný | 10-30 minut |
| Ultrazvuková sonda | Výkonná kavitační mikro-tryska | Extremely high (>100 W/cm³) | Severe (breakage rate >50%) | 1-2 hodiny |
3. Chemická úprava: Jak udělat uhlíkové nanotrubice skutečně kompatibilní s vodou?
Jediným způsobem, jak dosáhnout dlouhodobě-stabilní disperze uhlíkových nanotrubic ve vodě, je chemická úprava povrchu. Zavedením hydrofilních skupin nebo obalením amfifilních molekul je zásadně zabráněno tomu, aby se zkumavky z termodynamické perspektivy znovu přiblížily.
Strategie kořenového-léčení, jak rozptýlit uhlíkové nanotrubice ve vodě, je nanést na stěnu trubice „hydrofilní povlak“. Existují dvě hlavní cesty: modifikace kovalentní vazby a modifikace ne-kovalentní vazby. Modifikace kovalentní vazby (jako je vaření ve smíšené kyselině) přímo leptá karboxylové skupiny (-COOH) a hydroxylové skupiny (-OH) na stěnu trubice, což poskytuje vynikající hydrofilitu, ale ničí konjugovanou strukturu sp², což způsobuje významný pokles vodivosti. Modifikace ne-kovalentní vazby (přidání povrchově aktivních látek nebo polymerních dispergačních činidel) využívá vlastnosti, že se jeden konec adsorbuje na stěnu trubky a druhý konec zasahuje do vody, čímž se dosáhne suspenze prostřednictvím sterické zábrany nebo elektrostatického odpuzování, přičemž se dokonale zachovává vlastní vodivost CNT.
| Metoda modifikace | Mechanismus působení | Zeta potenciál (ukazatel stability) | Zachování vodivosti | Typická přídavná částka |
|---|---|---|---|---|
| Smíšená kyselá oxidace (kovalentní) | Povrchové roubování -COOH, silná hydrofilita | -40 ~ -55 mV (Výborně) | 50% - 70% | Není potřeba žádné další přidávání |
| Povrchově aktivní látka s malou molekulou (SDS atd.) | Tvoří micely, dvouvrstvé odpuzování | -30 ~ -45 mV (dobré) | 80% - 90% | 0,5%-2% hmoty CNT |
| Polymerní disperzant (PVP, atd.) | Adsorpce kotvící skupiny + sterická zábrana dlouhého-řetězce | -45 ~ -60 mV (Výborně) | 90% - 98% | 1%-5% hmoty CNT |
*Odkaz na údaje: Laboratorní měření stability nového materiálu Shandong Tanfeng pro vodné disperze 2 % hmotn. CNT s různými modifikátory na bázi vody-.*
4. Průlom výrobce: Jak se Shandong Tanfeng vymaní z mrtvého cyklu „Obtížné rozptýlení vs. ztráta výkonu“?
Volba výrobce zdroje, jako je Shandong Tanfeng, s možnostmi -úpravy a pasty na místě{1}}pro přímou dodávku pasty CNT na bázi vody-, je optimálním řešením, jak se vyhnout pokusům-a{4}}nákladům na chyby-rozptylování a zajistit bezztrátový výkon.
Zjistit, jak vlastními silami rozptýlit uhlíkové nanotrubice ve vodě, zahrnuje nejen velké investice do zařízení a nebezpečí kyselého zpracování, ale také velmi snadno způsobuje kolísání výnosu výrobní linky kvůli nekompatibilitě systému receptur. Jako profesionální výrobce CNT zasahuje Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. u zdroje a poskytuje zákazníkům to nejlepší řešení „připravené-k{4}}použití:
Technologie hydrofilní modifikace in{0}}na místě:Shandong Tanfeng opouští vysoce destruktivní následnou- oxidaci smíšených kyselin a zavádí speciální regulaci hydrofilního katalyzátoru během fáze syntézy CVD, což způsobuje, že stěna trubice CNT má ze své podstaty mikropóry a polární skupiny-obsahující kyslík. Tím se zmenšuje kontaktní úhel mezi pevnými-kapaliny o více než 60 % bez poškození konjugované vodivé struktury.
Vlastní knihovna pasty na bázi vody-: 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 vysokorychlostním odstřeďování při 3000 ot./min po dobu 30 minut nedochází k žádné sedimentaci.
Extrémně jednoduché přizpůsobení procesu:Díky pastě na vodní bázi Shandong Tanfeng- již zákazníci nemusí vybavovat drahé ultrazvukové zařízení. K přímému ředění vodou lze použít konvenční pneumatické míchací nebo nízkorychlostní dispergátory, čímž se zkrátí doba míchání na výrobní lince z několika hodin na 15 minut.
Závěr
Vrátíme se k původní otázce: jak rozptýlit uhlíkové nanotrubice ve vodě? Násilné použití fyzického ultrazvuku k jejich rozdělení není v žádném případě správný přístup. K zásadnímu odříznutí cesty k sekundární aglomeraci od termodynamického kořene je nutné spolehnout se na sílu chemické modifikace, vnášení hydrofilních skupin nebo obalování tenzidy. Náklady na pokus-a-omyly spojené s prozkoumáním této cesty na vlastní pěst jsou však extrémně vysoké. Nejracionálnější volbou je využít technickou akumulaci výrobce zdrojů, jako je Shandong Tanfeng, a přímo přijmout jejich zralou vodu -před-dispergovanou pastu. Nechte profesionální úpravu provést profesionály a vy si jednoduše vychutnáte maximální výkon, který nanomateriál přináší.