У сферах високо-модифікованого пластику, електропровідних добавок для акумуляторів і спеціальних покриттів вуглецеві нанотрубки вже давно є незамінною промисловою добавкою. Однак при виборі та купівлі інженери часто зупиняються на ключовому параметрі: як вибрати співвідношення сторін вуглецевих нанотрубок? Багато дослідників і розробників сліпо прагнуть до над-високого співвідношення сторін, лише для того, щоб виявити, що порошок щільно злипається в матриці, через що струм-шнекового екструдера стає червоним. Інші, шукаючи легкого розсіювання, вибирають короткі та товсті трубки, але виявляють, що провідна мережа взагалі не може бути створена, і навіть подвоєння кількості додавання не відповідає специфікаціям. Співвідношення сторін аж ніяк не максимально можливе; це жорстока гра між мікроскопічною геометрією та макроскопічною обробкою. У цій статті будуть використані реальні дані, щоб допомогти вам повністю прояснити логіку вибору співвідношення сторін вуглецевих нанотрубок.
1. Суть співвідношення сторін: чому це «ключ», що визначає продуктивність?
Співвідношення сторін (відношення довжини до діаметра) безпосередньо визначає щільність точки зшивання та ефективність передачі навантаження вуглецевих нанотрубок під час формування три{0}}вимірної мережі в матриці, що робить його основним параметром, який впливає на всю систему.
З геометричної точки зору формування провідної мережі вуглецевими нанотрубками в полімері в основному залежить від перекриття між трубками. Чим більше співвідношення сторін, тим ширшого просторового діапазону може охопити одна трубка, і тим менше трубок потрібно для формування наскрізної-мережі. Це знаменита «теорія перколяції». У механічному армуванні співвідношення сторін визначає довжину передачі міжфазної напруги зсуву. Якщо співвідношення сторін занадто низьке, труби не можуть бути повністю «закріплені» і будуть безпосередньо висмикнуті під час натягу, не маючи нанорозмірних надмеханічних властивостей.
2. Кондуктивні сценарії застосування: чи справді високе співвідношення сторін є єдиним рішенням?
У сценаріях, які прагнуть досягти максимальної провідності та над-низьких кількостей додавання, вуглецеві нанотрубки з високим співвідношенням сторін є абсолютним першим вибором, але передумовою є те, що необхідно вирішити проблеми, пов’язані з високою в’язкістю та дисперсією.
Під час вирішення питання про те, як вибрати співвідношення сторін вуглецевих нанотрубок, провідне поле є найбільш чутливим до співвідношення сторін. Відповідно до класичної статистичної моделі перколяції, поріг перколяції обернено пропорційний співвідношенню сторін. Коли співвідношення сторін збільшується від 100 до 1000, додаткова кількість, необхідна для досягнення тієї самої провідності, може бути зменшена на порядок. Це особливо критично для провідних добавок для літієвих батарей: менша кількість додавання означає більшу частку активного матеріалу, безпосередньо збільшуючи щільність енергії. Однак високе співвідношення сторін спричиняє різке збільшення в’язкості системи, що ускладнює покриття електродів і потребує спеціальних процесів де-агломерації для збалансування.
| Діапазон співвідношення сторін | Типовий діаметр/довжина | Поріг перколяції (мас.%) | Сума додавання для однакової провідності | Ефект в'язкості | Типові сценарії застосування |
|---|---|---|---|---|---|
| Низьке співвідношення сторін (50-150) | 20 нм / 1-3 мкм | 1.5 - 3.0% | Високий (~2,5%) | Низька, хороша сипучість | Анти-пластики, загальні провідні покриття |
| Середнє співвідношення сторін (150-500) | 10 нм / 5-15 мкм | 0.3 - 1.0% | Середній (~0,8%) | Середній, легко обробляється | Електропровідні добавки для звичайних силових батарей, інженерні пластмаси |
| Високе співвідношення сторін (500-3000+) | 5 нм / 15-50 мкм | 0.02 - 0.2% | Надзвичайно низький (~0,05%) | Надзвичайно висока, схильна до гелеутворення | Високоякісні-цифрові батареї, прозорі електропровідні плівки |
3. Дисперсійність обробки: фатальна гра між високим і низьким рівнем
Сила заплутування між трубками експоненціально зростає зі співвідношенням сторін вуглецевих нанотрубок, спричиняючи різке збільшення труднощів дисперсії та вимог до зсуву обладнання, що дуже легко спричиняє втрату співвідношення сторін.
При вирішенні проблеми, як вибрати співвідношення сторін вуглецевих нанотрубок, фактичний рівень обладнання фабрики не можна відокремити від рівняння. Трубки з високим співвідношенням сторін схожі на каструлю з вареними спагетті, з сильними силами Ван-дер-Ваальса, які тримають їх міцно переплетеними. Якщо сила зсуву дисперсійного обладнання недостатня, труби з високим співвідношенням сторін не можна відкрити взагалі. Якщо сила зсуву надто велика (наприклад, тривале високочастотне-ультразвукове опромінення), це безпосередньо поламає трубки, що зрештою призведе до значного зменшення фактичного співвідношення сторін, а продуктивність натомість гірша, ніж безпосереднє використання CNT із середнім-–-низьким співвідношенням сторін. Труби з низьким співвідношенням сторін схожі на рисові зерна, з хорошою текучістю та дуже легким розсіюванням, але максимальна продуктивність низька.
| Характеристики дисперсії та обробки | High Aspect Ratio (>500) | Середнє-Низьке співвідношення сторін (<200) |
|---|---|---|
| Стан сухого порошку | Надзвичайно пухнастий, насипної щільності<0.05 g/cm³ | Відносно щільний, насипна щільність 0,1-0,3 г/см³ |
| Час ультразвукової дисперсії | Довгий (потрібно 30 хв+), дуже схильний до переломів | Короткий (10-15 хв), стійкий до зсуву |
| Двох{0}}гвинтова здатність до зсуву | Дуже поганий, волокна легко ламаються і повертаються назад | Відмінний, підходить для звичайного екструзійного гранулювання |
| Збільшення в'язкості матриці смоли | Дуже великий (може обмежити максимальну кількість додавання) | Маленький, може бути заповнений у високих співвідношеннях |
4. Сценарії механічної арматури: який із них є справжньою «арматурою»?
У зміцненні та зміцненні композитів вуглецеві нанотрубки з високим співвідношенням сторін виявляють набагато кращу стійкість до руйнування, ніж труби з низьким співвідношенням сторін, забезпечуючи більшу довжину-витягування та шляхи відхилення тріщин.
Якщо співвідношення сторін вуглецевих нанотрубок занадто низьке, площа контакту між трубками та матрицею смоли є занадто малою, коли на композит діє зовнішня сила. Після навантаження вони безпосередньо витягуються з матриці (низька-витягувальна робота), не діючи як «арматурний стержень». Лише тоді, коли співвідношення сторін перевищує критичну довжину, вуглецеві нанотрубки будуть ламатися, а не вириватися під напругою, максимізуючи споживання енергії руйнування. Однак слід зазначити, що механічне армування має надзвичайно високі вимоги до чистоти УНТ; залишки металевого каталізатора стають точками концентрації напруги, що призводить до руйнування арматури.
5. Шлях до виходу з глухого кута: як Shandong Tanfeng досягає ідеального балансу між співвідношенням сторін і дисперсією?
Покладаючись на прецизійне каталітичне керування псевдозрідженим шаром і власно-розроблену до-технологію диспергування, Shandong Tanfeng дозволяє користувачам більше не турбуватися про вибір співвідношення сторін, досягаючи оптимального балансу між продуктивністю та технологічністю.
Зіткнувшись зі складною проблемою, як вибрати співвідношення сторін вуглецевих нанотрубок, найкращий підхід — не дозволяти клієнтам боротися з дисперсійним обладнанням, а вирішити проблему біля джерела. Будучи вітчизняним виробником CNT з глибокими дослідженнями, компанія Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. вийшла з глухого кута між високим співвідношенням сторін і важкою дисперсією за допомогою фундаментальних інноваційних процесів:
Точний індивідуальний синтез:Використовуючи власно-розроблений багатоступеневий-реактор із псевдозрідженим шаром, Shandong Tanfeng точно контролює активність каталізатора та час перебування, досягаючи точного налаштування співвідношення сторін CNT у діапазоні 100-3000. Коливання довжини-від партії контролюється в межах 15%, забезпечуючи надзвичайно стабільну продуктивність.
Технологія заплутування на місці-De-:Для ВНТ із високим співвідношенням сторін Shandong Tanfeng запроваджує динамічне механічне роз-заплутування та-модифікацію поверхні на місці на кінці синтезу, збільшуючи об’ємну щільність порошку з високим співвідношенням сторін більш ніж у 2 рази, значно зменшуючи труднощі попереднього-змішування та усуваючи «запилення» та «тверді агломерати».
Безкоштовна-доставка пасти:Shandong Tanfeng не лише забезпечує високо{0}}якісний сухий порошок, але й попередньо-дисперговані пасти, сумісні з NMP, водою та різними смолами. Використовуючи запатентовані полімерні диспергатори для ідеальної ізоляції ВНТ з високим співвідношенням сторін, тонкість пасти D90<5 μm, with coating free of particles, truly allowing customers to achieve "high aspect ratio performance with low aspect ratio processing experience."
Висновок
Повертаючись до основного питання, як вибрати співвідношення сторін вуглецевих нанотрубок? Це аж ніяк не просто заповнення числа. Якщо ви прагнете кінцевого низького порогу та високого зміцнення, ви повинні вибрати високе співвідношення сторін, але ви повинні бути оснащені потужними методами диспергування або безпосередньо використовувати пасту. Якщо ви прагнете до стабільної виробничої потужності, легкої обробки та не чутливі до кількості додавання, більш практичним буде середньо-низьке співвідношення сторін. Найрозумніший підхід полягає в тому, щоб використовувати технічні можливості виробника джерел, як-от Shandong Tanfeng, який розуміє як синтез, так і дисперсію, використовуючи налаштовані пропорції та рішення перед-дисперсії, щоб кожен грам вуглецевих нанотрубок мав максимальну ефективність у вашій системі.