У дослідженні та розробці модифікованих пластмас, батарей живлення та спеціальних покриттів вуглецеві нанотрубки справді є «промисловою добавкою» для покращення продуктивності. Однак багато інженерів зазнають невдачі з самого початку: додавання занадто малої кількості не має ефекту, додавання занадто великої кількості не тільки спричиняє різке зростання витрат, але й спричиняє злипання порошку, що призводить до збою обробки. Яка відповідна кількість додавання вуглецевих нанотрубок? Це аж ніяк не число, визначене на основі припущень, а твердий показник, який визначається порогом перколяції матеріалознавства та реології. Укладання матеріалу наосліп буде тільки контрпродуктивним. Сьогодні ми будемо використовувати реальні кількісні дані, щоб ретельно розібрати кількість додавання в різних сценаріях.
1. Основна логіка: чому більше вуглецевих нанотрубок не завжди краще?
Додана кількість вуглецевих нанотрубок має перевищувати «поріг перколяції», щоб утворити провідну мережу, але після перевищення порогу покращення продуктивності має меншу віддачу, а в’язкість системи зростатиме експоненціально, серйозно погіршуючи технологічність.
Щоб з’ясувати, яка кількість додавання вуглецевих нанотрубок є відповідною, ви повинні спочатку зрозуміти теорію перколяції. Коли додана кількість дуже мала, трубки ізольовані в матриці і не проводять електрику. Коли додана кількість досягає критичної точки (поріг перколяції), трубки миттєво перекриваються, утворюючи три-проникаючу мережу, а провідність стрибає на кілька порядків. Однак, коли ви перетинаєте цю точку перегину й продовжуєте додавати матеріал, збільшення провідності стає дуже поступовим, але заплутаність, спричинена наночастинками з високим-форматним-співвідношенням, призведе до стрімкого зростання в’язкості системи. У процесах лиття під тиском або екструзії велика кількість добавки означає надзвичайно високий крутний момент шнека, дуже низьку текучість і сильну крихкість.
| Діапазон суми додавання | Стан провідної мережі | Макроскопічна зміна провідності | Збільшення в'язкості системи | Обробка та механічний вплив |
|---|---|---|---|---|
| Нижче порогу (<0.5%) | Ізольовані острови, не сполучені | Ізолятор (<10⁻⁸ S/m) | Дуже маленький | Відмінна текучість, відсутність ефекту зміцнення |
| Зона перколяції (0,5-2%) | Миттєве проникнення в мережу | Експоненціальний стрибок (10⁻⁴~10¹ S/m) | Збільшення 50%-100% | Текучість починає знижуватися, рівень анти{0}}статики |
| Overload Zone (>3%) | Резервування та перекриття мережі | Повільне зростання (період плато) | Surge of >300% | Надзвичайно важкий для обробки, крихкість смоли, концентрація напруги |
2. Сценарій електропровідної пластмаси: як точно розташувати анти-статичні та електропровідні класи?
У провідних пластмасах кількість багатостінних вуглецевих нанотрубок зазвичай становить 1%-5%, тоді як для одностінних вуглецевих нанотрубок потрібно лише 0,05%-0,5%. Надмірне додавання сильно погіршить ударну міцність і блиск поверхні пластику.
Що стосується відповідної кількості додавання вуглецевих нанотрубок, модифікація пластику є найбільш типовим полігоном для тестування. Різні цілі питомого опору визначають кількість додавання. Щоб досягти анти{2}}рівня статики (10⁶-10⁹ Ω/кв), достатньо 1-2% MWCNTs. Для досягнення рівня електромагнітного екранування (<10² Ω/sq), 3-5% is needed. However, it must be noted that when the MWCNT addition amount exceeds 4%, the notched impact strength of most engineering plastics (such as PC, PA) will drop sharply by more than 30%, and the surface of injection-molded parts will become rough and matte.
| Цільовий рівень продуктивності | Поверхневий питомий опір | Рекомендована добавка MWCNT | Рекомендоване доповнення SWCNT | Вплив на механічні властивості |
|---|---|---|---|---|
| Анти-статичний рівень | 10⁶ - 10⁹ Ω/кв | 1.0 - 2.0 мас.% | 0.05 - 0.2 мас.% | Незначно, міцність на розрив трохи збільшується |
| Провідний клас | 10³ - 10⁶ Ω/кв | 2.0 - 3.5 мас.% | 0.2 - 0.5 мас.% | Середня, сила удару починає знижуватися |
| Рівень електромагнітного екранування | < 10³ Ω/sq | 4.0 - 8.0 мас.% | 0.5 - 2.0 мас.% | Суворий, матеріал стає крихким, важко піддається обробці |
Посилання на дані: дані випробування двошнековою екструзією Shandong Tanfeng New Material- в матриці ПК.
3. Провідна добавка для літієвої батареї: де гранична різниця між 0,02% і 1%?
У катодах літієвих батарей додана кількість одностінних-вуглецевих нанотрубок зазвичай становить 0,02%-0,1%, а багато-стінних вуглецевих нанотрубок становить 0,5%-1,5%. Занадто низький не може створити провідну мережу великої дії, тоді як занадто високий витіснить простір активного матеріалу та надзвичайно погіршить характеристики покриття електродів.
Борючись із відповідним додаванням вуглецевих нанотрубок у полі літієвих батарей, це, по суті, гра між «щільністю енергії» та «електронною провідністю». Самі вуглецеві нанотрубки не зберігають літій; додавання занадто великої кількості опосередковано зменшує частку катодного порошку (LFP/NCM), безпосередньо знижуючи ємність акумулятора. Крім того, висока концентрація ВНТ призведе до розвитку сильної тиксотропії суспензії, що робить покриття електрода дуже схильним до подряпин або висихаючих тріщин.
| Система катодного матеріалу | Формулювання провідної добавки | Тип CNT і сума додавання | Зниження питомого опору електродного листа | В'язкість суспензії/Ефективність покриття |
|---|---|---|---|---|
| Літій-залізофосфат (LFP) | SP + MWCNT | MWCNT 0.8 - 1.2 мас.% | Зниження 40%-50% | Помірне, звичайне покриття |
| Тернарний матеріал (NCM811) | SP + MWCNT | MWCNT 0.5 - 0.8 мас.% | Зниження 30%-40% | Добре, легко наноситься |
| Високий вміст-нікелю/кремнію-вуглецю | SP + ОУНТ | ОУНТ 0.02 - 0.1 мас.% | Зниження 60%-80% | Низька в'язкість, потребує контролю гелеутворення |
4. Покриття та адгезиви: надзвичайне перетягування--війни між в’язкістю та провідністю
У рідинних системах із низькою-в’язкістю (таких як покриття на-водній основі, епоксидні клеї) додавання понад 1,5% вуглецевих нанотрубок дуже легко спричиняє гелеутворення та бракування. Необхідно покладатися на високі співвідношення сторін і технологію попереднього-розподілу, щоб контролювати кількість додавання в безпечному діапазоні 0,5%-1,5%.
Толерантність систем рідкої смоли набагато нижча, ніж пластмас. Без потужного зсуву двошнекового-екструдера високі додавання ВНТ у рідини з низькою-в’язкістю дуже легко зазнають осаду або утворюють сітчастий гель, змушуючи смолу безпосередньо перетворюватися на «чорне тісто», яке неможливо розпилити. На даний момент, яка відповідна кількість додавання вуглецевих нанотрубок? Відповідь полягає в тому, щоб використовувати якомога менше ламп із -форматним-співвідношенням. Наприклад, лише 0,1% SWCNTs може зробити епоксидну смолу провідною, тоді як MWCNTs може знадобитися додати до 1% для досягнення такого ж ефекту, а 1% MWCNTs вже подвоює в’язкість.
5. Прорив виробника: як Shandong Tanfeng допомагає вам досягти кращої продуктивності з меншим додаванням?
Вибір такого виробника-джерела, як Shandong Tanfeng із високим-налаштуванням-співвідношень-форм і технологією виготовлення пасти-, може значно знизити поріг перколяції композитного матеріалу, досягаючи надзвичайно високої провідності та механічних характеристик із дуже малою кількістю додавання, повністю уникаючи ризику погіршення обробки.
Якщо ви завжди потрапляєте в пастку, оскільки не досягаєте ефекту від занадто малого додавання та не можете обробити занадто багато, проблема, ймовірно, полягає в самій сировині. Недостатнє співвідношення сторін, занадто низька чистота та нездатність диспергувати призведуть до того, що фактичний поріг перколяції буде набагато вищим за теоретичне значення, що змушує вас постійно додавати більше матеріалу. Як професійний виробник CNT, компанія Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. за допомогою фундаментальних технологій допомагає вам максимально збільшити додаткову кількість:
Налаштування ультра-високого співвідношення сторін: The percolation threshold is inversely proportional to the aspect ratio. Through precise catalysis, Shandong Tanfeng provides multi-walled/single-walled carbon nanotubes with an aspect ratio >1000. При тій самій кількості додавання ймовірність перекриття збільшується більш ніж у 3 рази, що дозволяє зменшити кількість додавання MWCNT у системі батареї LFP з 1,2% до 0,6%, зберігаючи надзвичайно низький опір пластини електродів.
Віднімання ультра-високої чистоти:Залишки металевого каталізатора є причиною руйнування провідної мережі та спричинення само-розряду акумулятора. Shandong Tanfeng використовує спеціальний процес очищення, досягаючи чистоти MWCNT понад 99,9%. Без домішок, які «займають простір», ефективна додана кількість чистіша.
Готовий-до-використання розчин для вставки:Щоб повністю усунути «помилкову високу добавку», спричинену агломерацією порошку, Shandong Tanfeng пропонує попередньо-дисперговані пасти для розчинників NMP, водних- систем і систем із чистих смол. Розмір диспергованих часток на мікронному-рівні (D90<5 μm) ensures that every gram of CNTs in the formulation is playing its role, helping you painfully squeeze out a 5%-10% profit margin on the formulation sheet.
Висновок
Повертаючись до основного питання, яка відповідна кількість додавання вуглецевих нанотрубок? Відповідь аж ніяк не просто 1% або 2%, а точне критичне значення, спільно визначене співвідношенням сторін, полярністю матриці та методами обробки. Ви можете зупинитися, коли буде перетнуто поріг перколяції; сліпе додавання додаткової кількості матеріалу призведе лише до в’язкості та крихкості. Щоб справді досягти «невеликих кількостей із високою ефективністю», покладаючись на високу-формат-співвідношення, високу-чистоту та попередньо-дисперсну пасту, що надається таким виробником-джерелом, як Shandong Tanfeng, є оптимальним рішенням, щоб вискочити з трясовини «додавання кількості без підвищення ефективності».