Pri raziskavah in razvoju ter proizvodnih linijah vodnih-prevodnih premazov, novih veziv na vodni-osnovi litijevih baterij ali toplotno prevodnih hladilnih filmov so ogljikove nanocevke zelo priljubljene zaradi svojih vrhunskih prevodnih in toplotno prevodnih mrež. Vendar se inženirji pogosto spotaknejo že pri prvem koraku proizvodnje: kako razpršiti ogljikove nanocevke v vodi? Ob pogledu na plavajoče črne kosmiče v čaši in trdo usedlino na dnu nešteto ljudi pade v obup. Zaradi močne hidrofobnosti in van der Waalsovih sil med-cevmi se CNT zlepijo skupaj takoj, ko vstopijo v vodo, in običajno mešanje sploh ne more tvoriti enotne vodne disperzije. Ta članek bo neposredno obravnaval to bolečo točko z uporabo trdih podatkov za razstavljanje logike vodne disperzije ogljikovih nanocevk.
1. Izslediti dilemo: Zakaj se ogljikove nanocevke zelo zlahka zlepijo in potonejo v vodi?
Temeljni razlog, zakaj se ogljikove nanocevke zelo enostavno aglomerirajo in obarjajo v vodi, je njihova izjemno visoka površinska hidrofobnost in močna van der Waalsova privlačnost med-cevkami, zaradi česar je sistem zelo termodinamično nestabilen.
Stena cevi CNT je oblikovana z valjanjem sp² hibridiziranih grafenskih listov in ta visoko polarizirana konjugirana površina je sama po sebi hidrofobna. Ko nemodificiran prah CNT vlijemo v vodo, se molekule vode ne morejo razširiti in zmočiti stene cevi, ogromna medfazna napetost pa odbija vodo. Hkrati se cevi zaradi močnih van der Waalsovih sil zaradi znižanja izjemno visoke površinske energije tesno držijo druga druge. V primerjavi z organskimi topili (kot je NMP) visoka površinska napetost vode (~72 mN/m) še težje prekine to termodinamično nestabilno stanje.
| Sistem topil | Površinska napetost | Močljivost za CNT | Stanje disperzije CNT | Trajanje stabilnosti |
|---|---|---|---|---|
| Deionizirana voda | 72,8 mN/m | Very poor (contact angle >120 stopinj) | Hitro strjevanje in pogrezanje | <10 minutes |
| Etanol | 22,0 mN/m | Srednje | Lahko začasno prekine | Nekaj ur |
| NMP | 40,7 mN/m | Odlično (dobro topilo) | Enostavno razpršeno v posamezne tube | Nekaj dni do nekaj tednov |
2. Fizična ultrazvočna obdelava: Zakaj zlomi cevi, vendar še vedno povzroči potop?
Čeprav lahko fizična ultrazvočna obdelava zagotovi takojšnjo visoko-strižno kavitacijsko silo, da na silo raztrga snope CNT, ne more spremeniti njihove hidrofobne narave in ko je ustavljena, neizogibno pride do hitre sekundarne aglomeracije.
Ko se soočijo s problemom, kako razpršiti ogljikove nanocevke v vodi, je prva reakcija mnogih ljudi uporaba ultrazvoka. Učinek kavitacije ultrazvočne naprave s sondo lahko dejansko ustvari udarce mikro-curka na stotine MPa, ki razbijejo zapletene snope. Toda težava je v tem, da imajo sveže zdrobljeni hidrofobni CNT izjemno visoko površinsko energijo in so v vodi v izjemno aktivnem stanju; v trenutku, ko se ultrazvočna obdelava ustavi, takoj poiščejo spremljevalce, da se spet združijo. Še bolj usodno je, da bo podaljšanje časa ultrazvočne obdelave v iskanju disperzijskega učinka neposredno prerezalo CNT-je, zaradi česar bo razmerje stranic strmoglavo padlo s tisoč na desetine, kar bo popolnoma uničilo prevodno mrežo.
| Metoda fizične disperzije | Mehanizem delovanja | Gostota energije | Poškodba razmerja stranic | Čas do sekundarne aglomeracije in pogrezanja |
|---|---|---|---|---|
| Mehansko mešanje | Makroskopska strižna konvekcija | nizka (<10 W/cm³) | Skoraj nič | Potone takoj po ustavitvi |
| Ultrazvočna kopel | Učinek kavitacije | Srednje (10-50 W/cm³) | Rahlo | 10-30 minut |
| Ultrazvočna sonda | Zmogljiv kavitacijski mikro{0}}curek | Extremely high (>100 W/cm³) | Severe (breakage rate >50%) | 1-2 uri |
3. Kemijska modifikacija: Kako narediti ogljikove nanocevke resnično združljive z vodo?
Edini način za-doseči dolgoročno stabilno disperzijo ogljikovih nanocevk v vodi je kemična modifikacija površine. Z uvedbo hidrofilnih skupin ali ovijanjem amfifilnih molekul je v osnovi preprečeno, da bi se cevi ponovno približale druga drugi s termodinamičnega vidika.
Strategija-zdravljenja korenin za razpršitev ogljikovih nanocevk v vodi je nanos "hidrofilnega plašča" na steno cevi. Obstajata dve glavni poti: modifikacija kovalentne vezi in modifikacija ne-kovalentne vezi. Modifikacija kovalentne vezi (kot je vrenje v mešani kislini) neposredno vreže karboksilne skupine (-COOH) in hidroksilne skupine (-OH) na steno cevi, kar zagotavlja odlično hidrofilnost, vendar uniči sp² konjugirano strukturo, kar povzroči znatno zmanjšanje prevodnosti. Modifikacija ne-kovalentne vezi (dodajanje površinsko aktivnih snovi ali polimernih disperzij) izkorišča značilnost, da se en konec adsorbira na steno cevi, drugi konec pa sega v vodo, s čimer se doseže suspenzija zaradi steričnih ovir ali elektrostatičnega odboja, pri čemer se popolnoma ohrani intrinzična prevodnost CNT.
| Metoda spreminjanja | Mehanizem delovanja | Zeta potencial (kazalnik stabilnosti) | Zadrževanje prevodnosti | Običajna količina dodatka |
|---|---|---|---|---|
| Mešana kislinska oksidacija (kovalentna) | Površinsko cepljenje -COOH, močna hidrofilnost | -40 ~ -55 mV (odlično) | 50% - 70% | Dodaten dodatek ni potreben |
| Površinsko aktivna snov z majhnimi molekulami (SDS itd.) | Tvori micele, dvojna plast odbija | -30 ~ -45 mV (dobro) | 80% - 90% | 0,5 %-2 % mase CNT |
| Polimerni dispergator (PVP itd.) | Adsorpcija sidrne skupine + dolgo-verižna sterična ovira | -45 ~ -60 mV (odlično) | 90% - 98% | 1%-5% mase CNT |
*Referenca podatkov: Laboratorijske meritve stabilnosti novega materiala Shandong Tanfeng za 2 mas. % CNT vodne disperzije z različnimi modifikatorji na-vodni osnovi.*
4. Preboj proizvajalca: Kako se Shandong Tanfeng izogne mrtvemu ciklu "Težavna disperzija v primerjavi z izgubo zmogljivosti"?
Izbira izvornega proizvajalca, kot je Shandong Tanfeng, z-in situ modifikacijo in-zmožnostmi izdelave paste za neposredno dobavo CNT paste-na osnovi vode, je optimalna rešitev, da se izognete poskusnim-in-stroškom napak pri samo-razpršitvi in zagotovite delovanje brez izgub.
Ugotavljanje, kako sami razpršiti ogljikove nanocevke v vodi, ne vključuje le velikih naložb v opremo in nevarnosti obdelave s kislino, ampak tudi zelo enostavno povzroči nihanja izkoristka proizvodne linije zaradi nezdružljivosti formulacijskega sistema. Kot profesionalni proizvajalec CNT podjetje Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. posreduje pri viru in strankam zagotavlja najboljšo rešitev, ki je pripravljena-za-uporabo:
Tehnologija-hidrofilne modifikacije na mestu:Shandong Tanfeng je opustil zelo uničujočo mešano kislinsko oksidacijo po-obdelavi in uvedel posebno regulacijo hidrofilnega katalizatorja med stopnjo sinteze CVD, zaradi česar ima stena CNT cevi sama po sebi mikropore in polarne skupine,-kisik. To zmanjša medfazni kontaktni kot trdne-tekoče za več kot 60 %, ne da bi poškodoval konjugirano prevodno strukturo.
Prilagojena knjižnica past-na osnovi vode: 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 in po 30-minutnem-centrifugiranju pri visoki hitrosti pri 3000 obratih na minuto ni sedimentacije.
Izjemno enostavna prilagoditev procesa:Z uporabo paste na vodni -osnovi Shandong Tanfeng strankam na nižji stopnji ni več treba opremiti drage opreme za ultrazvočno sondo. Običajno pnevmatsko mešanje ali razpršilnike z nizko-hitrostjo je mogoče uporabiti za neposredno redčenje z vodo, kar skrajša čas mešanja proizvodne linije z nekaj ur na 15 minut.
Zaključek
Če se vrnem k prvotnemu vprašanju: kako razpršiti ogljikove nanocevke v vodi? Nasilna uporaba fizičnega ultrazvoka za njihovo razbijanje nikakor ni pravi pristop. Zanašati se je treba na moč kemijske modifikacije, uvajanja hidrofilnih skupin ali ovijanja s površinsko aktivnimi snovmi, da se iz termodinamične korenine bistveno prekine pot do sekundarne aglomeracije. Vendar pa so stroški poskusov-in-napak pri samostojnem raziskovanju te poti izjemno visoki. Najbolj racionalna izbira je izkoristiti tehnično kopičenje izvornega proizvajalca, kot je Shandong Tanfeng, in neposredno sprejeti njihovo zrelo pred-razpršeno pasto na osnovi vode. Naj profesionalci opravijo profesionalno modifikacijo, vi pa preprosto uživajte v vrhunski zmogljivosti, ki jo prinaša nanomaterial.