На лініях досліджень і розробок і виробництва електропровідних покриттів на водній-основі, нових сполучних речовин на водній-основі для літієвих батарей або теплопровідних охолоджуючих плівок, вуглецеві нанотрубки користуються великою перевагою завдяки їхнім найкращим провідним і теплопровідним мережам. Однак інженери часто спотикаються на першому етапі виробництва: як диспергувати вуглецеві нанотрубки у воді? Дивлячись на плаваючі чорні пластівці в склянці та твердий осад на дні, незліченні люди впадають у відчай. Завдяки сильній гідрофобності та силам Ван-дер-Ваальса між-трубками ВНТ злипаються відразу після потрапляння у воду, і звичайне перемішування взагалі не може утворити однорідну водну дисперсію. У цій статті буде безпосередньо розглянуто цю болючу точку, використовуючи жорсткі дані, щоб розібрати логіку водної дисперсії вуглецевих нанотрубок.
1. Відстеження дилеми: чому вуглецеві нанотрубки дуже легко злипаються і тонуть у воді?
Фундаментальна причина, чому вуглецеві нанотрубки дуже легко агломерують і осідають у воді, полягає в їхній надзвичайно високій гідрофобності поверхні та сильному ван-дер-ваальсовому притяганні між-трубками, що робить систему дуже термодинамічно нестабільною.
Стінка трубки ВНТ утворюється шляхом згортання sp² гібридизованих графенових листів, і ця високополяризована сполучена поверхня за своєю суттю є гідрофобною. Коли немодифікований порошок УНТ виливають у воду, молекули води не можуть поширюватися та змочувати стінку трубки, а величезний міжфазний натяг відштовхує воду. У той же час, щоб знизити надзвичайно високу поверхневу енергію, труби щільно прилягають одна до одної через сильні сили Ван-дер-Ваальса. У порівнянні з органічними розчинниками (такими як NMP), високий поверхневий натяг води (~72 мН/м) ще більше ускладнює порушення цього термодинамічно нестабільного стану.
| Система розчинників | Поверхневий натяг | Змочуваність для ВНТ | Стан дисперсії CNT | Тривалість стабільності |
|---|---|---|---|---|
| Деіонізована вода | 72,8 мН/м | Very poor (contact angle >120 градусів) | Швидке злипання і занурення | <10 minutes |
| Етанол | 22,0 мН/м | Середній | Може тимчасово призупинити | Кілька годин |
| НМП | 40,7 мН/м | Відмінно (хороший розчинник) | Легко диспергується в окремі пробірки | Від кількох днів до кількох тижнів |
2. Фізичне ультразвукове оброблення: чому воно ламає трубки, але все одно призводить до затоплення?
Хоча фізичне ультразвукове оброблення може забезпечити миттєву кавітаційну силу-високого зсуву, щоб примусово розірвати пучки ВНТ, воно не може змінити їхню гідрофобну природу, і після припинення неминуче відбувається швидка вторинна агломерація.
Коли стикаються з проблемою диспергування вуглецевих нанотрубок у воді, першою реакцією багатьох людей є використання ультразвуку. Ефект кавітації ультразвукового апарата може створювати мікро-струменеві удари в сотні МПа, розбиваючи заплутані пучки. Але проблема полягає в тому, що щойно розбиті гідрофобні ВНТ мають надзвичайно високу поверхневу енергію та знаходяться у надзвичайно активному стані у воді; У той момент, коли ультразвукова обробка припиняється, вони негайно шукають супутників, щоб знову зібратися разом. Ще більш фатальним є те, що подовження часу обробки ультразвуком у пошуках ефекту дисперсії безпосередньо розріже ВНТ, спричиняючи різке падіння співвідношення сторін від тисяч до десятків, повністю руйнуючи провідну мережу.
| Метод фізичної дисперсії | Механізм дії | Щільність енергії | Пошкодження співвідношення сторін | Час до вторинної агломерації та занурення |
|---|---|---|---|---|
| Механічне перемішування | Макроскопічна зсувна конвекція | Низький (<10 W/cm³) | Майже немає | Тоне одразу після зупинки |
| Ванна Ультразвукова обробка | Ефект кавітації | Середній (10-50 Вт/см³) | Незначний | 10-30 хвилин |
| Ультразвуковий зонд | Потужний кавітаційний мікро{0}}струмин | Extremely high (>100 Вт/см³) | Severe (breakage rate >50%) | 1-2 години |
3. Хімічна модифікація: як зробити вуглецеві нанотрубки дійсно сумісними з водою?
Єдиний спосіб досягти -тривалої стабільної дисперсії вуглецевих нанотрубок у воді – хімічна модифікація поверхні. Вводячи гідрофільні групи або обертаючи амфіфільні молекули, трубки принципово запобігають повторному наближенню одна до одної з термодинамічної точки зору.
Стратегія-коріневого лікування диспергування вуглецевих нанотрубок у воді полягає в нанесенні «гідрофільного покриття» на стінку трубки. Є два основні шляхи: модифікація ковалентного зв’язку та модифікація не-ковалентного зв’язку. Модифікація ковалентного зв’язку (наприклад, кип’ятіння в змішаній кислоті) безпосередньо витравлює карбоксильні групи (-COOH) і гідроксильні групи (-OH) на стінці трубки, забезпечуючи чудову гідрофільність, але руйнує сполучену структуру sp², спричиняючи значне зниження провідності. Модифікація не-ковалентного зв’язку (додавання поверхнево-активних речовин або полімерних диспергаторів) використовує характеристику, коли один кінець адсорбується на стінці трубки, а інший кінець простягається у воду, досягаючи суспензії за допомогою стеричних перешкод або електростатичного відштовхування, ідеально зберігаючи власну провідність ВНТ.
| Метод модифікації | Механізм дії | Дзета-потенціал (індикатор стабільності) | Збереження провідності | Типова сума додавання |
|---|---|---|---|---|
| Змішане кислотне окислення (ковалентне) | Поверхневе щеплення -COOH, сильна гідрофільність | -40 ~ -55 мВ (відмінно) | 50% - 70% | Додаткові доповнення не потрібні |
| Маломолекулярна поверхнево-активна речовина (SDS тощо) | Утворює міцели, двошарове відштовхування | -30 ~ -45 мВ (добре) | 80% - 90% | 0,5%-2% маси ВНТ |
| Полімерний диспергатор (PVP тощо) | Адсорбція закріплюючої групи + довго-стерична перешкода | -45 ~ -60 мВ (відмінно) | 90% - 98% | 1%-5% маси УНТ |
*Посилання на дані: Лабораторні вимірювання стабільності нового матеріалу Shandong Tanfeng для водних дисперсій 2 мас.% CNT з різними модифікаторами на водній- основі.*
4. Прорив виробника: як Shandong Tanfeng виходить із мертвого циклу «складна дисперсія проти втрати продуктивності»?
Вибір виробника джерела, як-от Shandong Tanfeng, із-модифікацією на місці та{1}}створенням пасти-для прямого постачання пасти з ВНТ на основі-води є оптимальним рішенням, щоб уникнути витрат-і-помилок на само-дисперсію та забезпечити продуктивність без втрат.
Самостійне розгадування того, як диспергувати вуглецеві нанотрубки у воді, не тільки передбачає значні інвестиції в обладнання та небезпеку обробки кислотою, але й дуже легко спричиняє коливання продуктивності виробничої лінії через несумісність системи рецептури. Як професійний виробник CNT, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. втручається у джерело, надаючи клієнтам найкраще рішення, готове-до-використання:
Технологія-гідрофільної модифікації на місці:Відмовившись від високодеструктивного змішаного кислотного окислення після-обробки, Shandong Tanfeng запроваджує спеціальне регулювання гідрофільного каталізатора на стадії синтезу CVD, завдяки чому стінка трубки CNT за своєю природою має мікропори та полярні групи,-що містять кисень. Це зменшує міжфазний кут контакту твердої-рідини більш ніж на 60%, не пошкоджуючи сполучену провідну структуру.
Індивідуальна бібліотека паст-на основі води: 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 мВ, а після високошвидкісного-центрифугування при 3000 об/хв протягом 30 хвилин немає осаду.
Надзвичайно проста адаптація процесу:Використовуючи пасту на водній-основі Shandong Tanfeng, клієнтам, які перебувають на нижній ланці, більше не потрібно обладнати дороге ультразвукове обладнання. Звичайні пневматичні перемішувачі або диспергатори з низькою-швидкістю можна використовувати для безпосереднього розведення водою, скорочуючи час змішування виробничої лінії з кількох годин до 15 хвилин.
Висновок
Повертаючись до початкового питання: як диспергувати вуглецеві нанотрубки у воді? Примусове використання фізичного ультразвуку, щоб розбити їх на частини, аж ніяк не є правильним підходом. Необхідно покладатися на силу хімічної модифікації, введення гідрофільних груп або обгортання поверхнево-активними речовинами, щоб принципово перекрити шлях до вторинної агломерації від термодинамічного кореня. Однак ціна спроб-і-помилок самостійного вивчення цього шляху надзвичайно висока. Найраціональнішим вибором є використання технічного досвіду виробника джерела, як-от Shandong Tanfeng, і безпосереднього використання їхньої зрілої попередньо-дисперсної пасти на основі води. Дозвольте професіоналам зробити професійну модифікацію, а ви просто насолоджуватиметеся найвищою продуктивністю, яку забезпечує наноматеріал.