Výroba předsměsi uhlíkových nanotrubiček z prášku uhlíkových nanotrubiček

Výroba předsměsi uhlíkových nanotrubiček z prášku uhlíkových nanotrubiček je důležitým způsobem, jak skutečně zavést vysoce výkonné nanomateriály CNT do systému zpracování plastů. Ve srovnání s přímým přidáváním prášku uhlíkových nanotrubiček do polymerů, jako jsou PP, PE, PA, ABS a PC, předsměs uhlíkových nanotrubiček obvykle nejprve rovnoměrně disperguje uhlíkové nanotrubičky s vyšší koncentrací do pryskyřicového nosiče prostřednictvím míšení v tavenině a vytlačování, poté se ředí na konečný produkt podle cílového množství přidání.

Jádrem tohoto procesu není pouhé „smíchání uhlíkových nanotrubiček a plastu dohromady“, ale řešení tří praktických problémů: Jak dostat CNT do taveniny polymeru, jak dosáhnout efektivní disperze při omezené termomechanické energii a jak vyrobit finální masterbatch schopnou stabilního ředění a vytvoření souvislé vodivé sítě.

I. Proč vyrábět předsměs z prášku z uhlíkových nanotrubiček místo přímého přidávání do plastu?

Hlavním důvodem je: Předsměs z uhlíkových nanotrubic může koncentrovat nejobtížněji ovladatelný krok disperze CNT ve fázi předdisperze s vysokou koncentrací a poté dokončit konečné přidání pomocí následného ředění.

I když přidané množství prášku CNT není typicky vysoké, jeho nanoměřítko, vysoký stranový poměr a tendence tvořit aglomerované struktury znamenají, že se nemusí po přímém vstupu do taveniny polymeru rychle a rovnoměrně rozptýlit.

Zejména pro průmyslovou výrobu přináší přímé přidávání také:

Práškový prach;

Potíže s přesným měřením trasovacích CNT;

Nerovnoměrné krmení;

Zvýšená doba rozptylu;

Zesílené rozdíly šarží;

Zvýšená obtížnost správy produkčního prostředí.

Ve srovnání s tím je předsměs ekvivalentní „vložení“ CNT do polymerního nosiče předem.

Typickou cestu lze chápat jako: CNT prášek → Vysokokoncentrovaný CNT masterbatch → Ředění základní pryskyřicí → Finální vodivé/antistatické plastové produkty.

CNT masterbatch typicky používá vyšší náplň CNT, poté připravuje finální kompozitní materiál ředěním masterbatch; tato metoda pomáhá snížit obtížnost rozptylu přímého přidávání CNT a zároveň zlepšuje provozní pohodlí a dávkování CNT.

II. Co je předsměs z uhlíkových nanotrubic?

Předsměs z uhlíkových nanotrubiček je v podstatě předem dispergovaný koncentrovaný materiál "vysokokoncentrovaného CNT + polymerního nosiče."

Obvykle používá jako nosič termoplastickou pryskyřici, jako například:

PP;

PE;

PA;

ABS;

PC;

PBT;

TPU;

EVA;

Jiné termoplastické materiály odpovídající finální pryskyřici.

Podobně jako u běžné plastové barevné předsměsi musí předsměs z uhlíkových nanotrubic také projít kroky, jako je extruze, chlazení a peletizace, aby se vytvořily granulované produkty.

Technické zaměření CNT předsměsi se však od běžných barevných předsměsí liší.

Běžná barevná předsměs řeší hlavně: Zda lze pigment rovnoměrně rozptýlit.

CNT masterbatch se zaměřuje více na: Zda mohou CNT tvořit stabilní, souvislou nanorozměrovou vodivou síť vhodnou pro finální zpracování.

Výkonnost předsměsi uhlíkových nanotrubiček proto nelze posuzovat pouze podle toho, „zda je černá“.

III. Jaký je základní výrobní proces pro předsměs uhlíkových nanotrubiček?

Typickou cestou přípravy předsměsi průmyslových uhlíkových nanotrubic je "předmísení-tavení-smyková disperze-extruze-chlazení-peletizace-testování".

Základní proces lze znázornit takto:

Výběr prášku CNT

↓

Sušení nosné pryskyřice

↓

Předmísení CNT a pryskyřice

↓

Dvoušnekové podávání extrudéru

↓

Tavení polymeru

↓

CNT vysokosmyková disperze

↓

Rovnoměrná doprava a vytlačování

↓

Chlazení

↓

Peletování

↓

Masterbatch testování

↓

Obal

To, co skutečně určuje výkonnost produktu, není krok „řezání na pelety“, ale předchozí disperze taveniny a přizpůsobení rozhraní.

IV. Proč je dvoušnekový extrudér velmi důležitý pro výrobu předsměsi uhlíkových nanotrubiček?

Dvoušnekový extrudér může současně zajišťovat tavení, dopravu, distributivní míchání a disperzní míchání a je základním zařízením běžně používaným při průmyslové výrobě termoplastické předsměsi CNT.

Poté, co prášek CNT vstoupí do extruderu, je třeba polymer nejprve roztavit, poté se prostřednictvím šnekové konfigurace vytvoří efekty smyku a prodloužení, což způsobí, že aglomeráty CNT se postupně oddělují a vstupují do systému pryskyřice.

Mezi klíčové oblasti zaměření patří:

Konfigurace šroubů;

L/D;

Rychlost šroubu;

Rychlost krmení;

teplota tání;

doba pobytu;

Pevnost ve smyku;

Točivý moment;

Specifická mechanická energie (SME).

Výzkum ukazuje, že konfigurace šneku, rychlost, výkon a doba zdržení při vytlačování se dvěma šneky ovlivňují disperzní stav CNT v předsměsi. U systému PCL/MWNT může zvýšení vstupu mechanické energie zlepšit disperzi CNT a různé délky šneků a konfigurace směšovacích prvků také mění konečný disperzní efekt.

V. Je vyšší obsah CNT v předsměsi uhlíkových nanotrubic vždy lepší?

CNT masterbatch nesleduje nekonečně vysoký obsah uhlíkových nanotrubiček, ale nachází rovnováhu mezi "koncentrací, obtížností disperze, tekutostí zpracování a účinností konečného ředění."

Koncentrace CNT předsměsi nejsou zcela jednotné. Například přehled týkající se tepelné vodivosti poukazuje na to, že vyšší zatížení CNT je běžné v průmyslové předsměsi CNT, přičemž typické rozsahy dosahují přibližně 15–20 % hmotn.; zatímco výzkum různých polymerních systémů také používal různé koncentrace, jako je 7,5 % hmotn. a 10 % hmotn.

Proto by určitá koncentrace neměla být chápána jako jednotný oborový standard.

Výše uvedené jsou příklady rozsahů, nikoli univerzální standardy pro všechny předsměsi CNT.

Skutečně rozumná koncentrace předsměsi by měla být stanovena společně na základě: specifikací CNT + viskozity taveniny pryskyřice + vytlačovacího zařízení + cílového konečného množství přidaného množství.

VI. Proč průměr trubky a délka prášku z uhlíkových nanotrubiček ovlivňují výrobu předsměsi?

Geometrická struktura samotných CNT přímo ovlivňuje obtížnost disperze taveniny a konečný způsob tvorby vodivé sítě.

Obecně řečeno, CNT mají velmi vysoké poměry stran. Tato jednorozměrná struktura je jak důležitou výhodou pro vytváření vodivých sítí, tak zvyšuje obtížnost zapletení a rozptylu během zpracování.

Přehledy výzkumu poukazují na to, že faktory jako poměr stran, orientace, zatížení a povrchová chemie CNT ovlivňují konečný výkon polymerních kompozitů.

Proto, i když jsou oba „práškem MWCNT“, pokud:

Produkt A má delší průměrnou délku;

Výrobek B má kratší délku;

Tyto dva se mohou u dvojitého šneku lišit z hlediska: obtížnosti disperze, citlivosti na smyk, viskozity taveniny a konečné vodivé sítě. To je také důvod, proč profesionální výrobci CNT nemohou dát zákazníkům jen parametr "čistoty".

VII. Jaký je rozdíl mezi přímým přidáním prášku z uhlíkových nanotrubiček a použitím předsměsi uhlíkových nanotrubiček?

Pro zpracování plastů ve velkém měřítku, předsměs obvykle usnadňuje dosažení stabilního dávkování a výrobních operací, ale prášek nabízí větší volnost při formulaci.

To neznamená, že masterbatch je nutně lepší než prášek. Pokud má zákazník sám vyzrálou schopnost disperze nanomateriálů a potřebuje volně upravit složení CNT, pryskyřice a aditiv, pak přímé použití prášku může být flexibilnější.

VIII. Pro jaké plasty jsou předsměsi z uhlíkových nanotrubic vhodné?

CNT masterbatch může být přizpůsoben nosiči podle různých termoplastických pryskyřic, které se používají hlavně pro vodivé, antistatické, EMI stínění a funkční kompozitní materiály.

Mezi běžné matrice patří:

PP;

PE;

PA6;

PA66;

ABS;

PC;

PBT;

TPU;

PET;

POM atd.

Pokyny k aplikaci zahrnují:

1. Antistatické plasty

Použití CNT k vytvoření vodivých sítí, snížení akumulace povrchového náboje materiálů.

2. Vodivé plasty

Používá se pro materiálové systémy vyžadující stabilní objemovou/povrchovou vodivost.

3. Materiály pro elektromagnetické stínění EMI

Dosažení útlumu elektromagnetických vln pomocí vodivých sítí a materiálových struktur.

4. Vodivé filmy

Používá se pro obaly, elektronické materiály a funkční fólie.

5. 3D tiskové materiály

CNT/polymerní kompozity jsou také studovány pro vytlačování a aditivní výrobu.

6. Technické úpravy plastů

Přidání CNT do technických plastů, jako jsou PA, PC a PBT, lze použít k vývoji kompozitních materiálů kombinující mechanické a vodivé funkce.

IX. Je postup stejný pro výrobu předsměsi uhlíkových nanotrubiček s různými pryskyřicemi?

Základní logika předsměsi je stejná, ale různé pryskyřice vyžadují opětovné sladění nosiče, teploty zpracování, konfigurace šneku a poměru přidávání CNT.

Zejména u materiálů se zjevnou hygroskopicitou, jako jsou PA, PET a PBT, může stav sušení pryskyřice přímo ovlivnit stabilitu vytlačování a konečný výkon.

X. Proč je třeba u předsměsi uhlíkových nanotrubic uvažovat o „nosné pryskyřici“?

Nosič předsměsi není jen tak náhodně vybraný plast, ale měl by si zachovat dobrou kompatibilitu a co nejvíce sladit zpracování s finální zpracovatelskou pryskyřicí.

Například, pokud konečný produkt používá PP, pak se předsměs CNT na bázi PP obvykle snáze formuluje než použití zcela jiné pryskyřice jako nosiče.

Důvodem je, že poté, co masterbatch vstoupí do finální taveniny, musí projít: Tavením masterbatch → CNT redistribuce → Míchání se základní pryskyřicí → Finální vytvoření sítě.

Pokud nosič a finální pryskyřice nemají dostatečnou kompatibilitu, může to vést k:

Nerovnoměrná migrace CNT;

Místní obohacení;

Zhoršená disperze;

Snížené mechanické vlastnosti;

Kolísání odporu.

Stávající výzkum také zdůrazňuje, že mezifázové interakce mezi CNT a polymery a přizpůsobení matrice ovlivňují výsledné vlastnosti kompozitního materiálu.

XI. Proč není vodivost hlavní směsi z uhlíkových nanotrubic určována pouze obsahem CNT?

Konečná vodivost závisí na vodivé síti společně tvořené obsahem CNT, disperzním stavem, geometrickou strukturou CNT, orientací a polymerní matricí.

Velmi typickým jevem je: Přidání dalších CNT nutně neznamená, že se vodivost konečného materiálu zvýší ve stejném poměru.

Protože skutečně záleží na tom, zda je vytvořena účinná perkolační síť.

XII. Jak posoudit, zda je disperze předsměsi uhlíkových nanotrubic způsobilá?

Nemůžete se jen dívat na vzhled pelet masterbatch. Makroskopická aglomerace, mikroskopická disperze a konečný elektrický výkon by měly být kontrolovány současně.

Doporučuje se stanovit alespoň tři úrovně testování.

První úroveň: Vzhled předsměsi

Pozorovat:

Barva pelet;

Velikost;

Zda jsou zjevné černé skvrny;

zda existují neroztavené pelety;

Zda jsou spálené látky.

Druhá úroveň: Mikroskopická disperze

Lze použít následující:

Optický mikroskop;

SEM;

TEM.

Klíčové pozorování: Zda existují velké aglomeráty CNT, zda jsou CNT rovnoměrně distribuovány v polymeru.

Třetí úroveň: Konečný výkon

A co je důležitější, otestujte:

Odolnost povrchu;

Objemový odpor;

Pevnost v tahu;

Pevnost v ohybu;

Nárazový výkon;

index toku taveniny;

Tepelná stabilita.

Pouze tímto způsobem můžete skutečně posoudit: Zda se disperze CNT nakonec přeměnila na opakovatelný materiálový výkon.

XIII. Proč kvalita prášku z uhlíkových nanotrubic přímo ovlivňuje kvalitu předsměsi?

Masterbatch není produkt, který dokáže zcela zakrýt rozdíly v prášku. Struktura a stabilita vsázky samotného prášku CNT se přímo přenáší do následné předsměsi.

Pokud šarže prášku CNT mají:

Rozdíly v průměru trubek;

Délkové rozdíly;

Rozdíly v čistotě;

Rozdíly zbytků kovů;

Rozdíly stupňů grafitizace;

Rozdíly stavu aglomerace;

Pak dokonce s použitím úplně stejného: pryskyřice + šroub + teplota + rychlost

Stále lze získat různé výsledky: točivý moment, viskozitu, disperzní stav a odpor.

To je také důvod, proč je pro předsměs CNT nejlepší zavést kontrolu kvality počínaje zdrojem CNT, než pouze testovat předsměs na konci.

XIV. Proč je integrace „Výrobce prášku CNT + výrobce masterbatch“ hodnotnější?

Když jsou prášek CNT a předsměs vyvíjeny stejným zásobovacím systémem, struktura suroviny a následný proces vytlačování mohou být optimalizovány ve spojení.

Pokud například zákazník zjistí: Disperze předsměsi není dostatečně stabilní.

Tradiční přístup může upravit pouze: Rychlost šroubu → Teplota → Doba setrvání.

Integrovaná dodávka však může dále sledovat: Délka CNT → Průměr trubky → Stav aglomerace prášku → Stav povrchu → Nosič pryskyřice → Konfigurace šroubů → Finální masterbatch.

Tímto způsobem je cesta k vyřešení problému úplnější.

XV. Jaké jsou výhody Shandong Tanfeng jako výrobce uhlíkových nanotrubiček v podnikání s předsměsí?

Hlavní výhodou společnosti Shandong Tanfeng je její schopnost propojit výzkum a vývoj a výrobu prášku CNT s navazujícími aplikacemi předsměsi uhlíkových nanotrubic, což zákazníkům poskytuje podpůrná řešení od surovin až po funkční předsměsi.

Podnikání společnosti Shandong Tanfeng pokrývá prášek z uhlíkových nanotrubiček, vodivý kal z uhlíkových nanotrubiček a vodivé produkty předsměsi a disponuje schopnostmi výzkumu a vývoje CNT, výroby a vývoje aplikací.

Pro podniky zabývající se úpravami plastů, které vyžadují dlouhodobou hromadnou výrobu, je to, zda dodavatel dokáže současně rozumět materiálům CNT a zpracování polymerů, často prakticky smysluplnější než pouhé poskytnutí nabídky prášku.

XVI. Jaký je rozdíl mezi předsměsí z uhlíkových nanotrubiček a předsměsí z obyčejných vodivých sazí?

Oba mohou být použity ke stavbě vodivých sítí, ale CNT mají jednorozměrnou strukturu s vysokým poměrem stran a jejich mechanismus tvorby vodivé sítě a požadované množství přídavku se mohou lišit od systémů sazí.

Je třeba poznamenat, že nejde jen o to, že „CNT jsou nutně lepší než saze“.

Skutečně by se mělo porovnávat: Cílová odolnost + Množství přísady + Mechanické vlastnosti + Cena + Způsob zpracování + Požadavky na vzhled.

Často kladené otázky: Běžné otázky o výrobě předsměsi uhlíkových nanotrubiček z prášku uhlíkových nanotrubiček

1. Lze prášek uhlíkových nanotrubiček přímo přidat do PP?

Ano, ale problém disperze CNT je třeba vyřešit pomocí vhodných procesů míchání taveniny. Pro velkosériovou výrobu je běžnou cestou předvýroba CNT předsměsi a následné ředění.

2. Kolik CNT obecně obsahuje masterbatch z uhlíkových nanotrubic?

Neexistuje žádná jednotná pevná hodnota. V literatuře lze vidět různá provedení předsměsi, jako je přibližně 7,5 % hmotn., 10 % hmotn. a 15–20 % hmotn. Skutečnou koncentraci je třeba určit na základě typu CNT, pryskyřice a vytlačovacího zařízení.

3. Vyžaduje CNT masterbatch nutně dvojitý šroub?

Ne nutně, ale dvoušnekový extrudér je velmi vhodný pro termoplastické CNT předsměsi vyžadující silnější disperzi a kontinuální výrobu. Skutečné vybavení by mělo být určeno na základě kapacity a materiálového systému.

4. Je vyšší obsah CNT lepší pro masterbatch?

Ne. Vyšší obsah CNT může zlepšit účinnost koncentrace, ale může současně zvýšit viskozitu taveniny a potíže s disperzí. Je třeba najít procesní okno vhodné pro dané zařízení.

5. Lze pro PA použít předsměs uhlíkových nanotrubic?

Ano. CNT masterbatch lze vyvinout pro technické plasty, jako jsou PA6 a PA66, ale klíčová kontrola je nutná pro sušení pryskyřice, teplotu zpracování, přizpůsobení nosiče a konečnou vodivost.

6. Lze předsměs uhlíkových nanotrubic použít pro antistatické plasty?

Ano. CNT mohou tvořit vodivé sítě v polymerech, takže je lze použít v některých antistatických, vodivých a EMI stínicích materiálových systémech.

7. Co je vhodnější pro továrny na plasty, CNT masterbatch nebo CNT prášek?

Závisí to na vlastní schopnosti továrny na vývoj materiálů. Podniky s vyspělou schopností disperze nanomateriálů si mohou vybrat prášek; podniky, které doufají, že sníží potíže s manipulací s práškem a vývojem disperze, mohou zvážit předsměs.

8. Může Shandong Tanfeng poskytnout prášek z uhlíkových nanotrubiček a předsměs?

Ano. Veřejný produktový systém Shandong Tanfeng pokrývá jak prášek z uhlíkových nanotrubiček, tak vodivý masterbatch a disponuje schopnostmi výzkumu a vývoje CNT, výroby a vývoje aplikací a může provádět porovnávání materiálů a přizpůsobení pro různé aplikace.

Shandong Tanfeng nasadil prášek uhlíkových nanotrubiček, kaši uhlíkových nanotrubiček a předsměs uhlíkových nanotrubiček, které se mohou rozšířit od konce surovin CNT až po konec následné aplikace, poskytující přizpůsobení materiálů a přizpůsobené vývojové nápady pro polymerní systémy, jako jsou PP, PE, PA, ABS a PC. Předmět podnikání společnosti zahrnuje výzkum a vývoj CNT, výrobu, vývoj aplikací a vodivé masterbatch produkty.

Pro zákazníky, kteří doufají, že skutečně zavedou CNT z laboratorních materiálů do hromadné výroby plastů, než kupovat dávku samotného prášku CNT a zkoumat je sami, je lepší přímo vytvořit kompletní materiálové řešení týkající se specifikací prášku CNT, nosné pryskyřice, koncentrace předsměsi, procesu vytlačování a indikátorů konečné odolnosti.

To je také klíčový krok pro uhlíkové nanotrubice, které přecházejí od „nano prášku“ k „funkčním materiálům, které lze zpracovávat ve velkém měřítku“.