در تحقیق و توسعه پلاستیکهای اصلاحشده، باتریهای نیرو، و پوششهای ضد الکتریسیته ساکن، نانولولههای کربنی مدتهاست که مهمان افتخاری در فرمولبندیهای رسانا شدهاند. با این حال، بسیاری از مهندسان که تازه شروع به کار کردهاند، اغلب یک سوال-جستجو میپرسند: نانولولههای کربنی چقدر میتوانند رسانایی الکتریکی را بهبود بخشند؟ برخی از افراد 0.5٪ اضافه می کنند و پلاستیک رسانای 10³ S/m را به دست می آورند، در حالی که برخی دیگر 3٪ اضافه می کنند و هنوز در لبه عایق مبارزه می کنند. اینکه این ماده چقدر جهش رسانایی می تواند داشته باشد به هیچ وجه موضوع حدس و گمان یا کپی کردن ادبیات نیست. امروز، نظریههای پر زرق و برق را کنار میگذاریم و از دادههای خط تولید جامد برای کشف کامل دستاوردهای رسانایی نانولولههای کربنی استفاده میکنیم.
1. مکانیسم زیربنایی: چگونه نانولولههای کربنی به مرتبه--جهش بزرگی در رسانایی میرسند؟
نانولوله های کربنی می توانند رسانایی پلیمرهای عایق را بین 8 تا 12 مرتبه افزایش دهند. هسته در نسبت ابعاد بسیار بالای آنها نهفته است، که فوراً یک شبکه رسانای سه بعدی- با همپوشانی فیزیکی ایجاد می کند.
برای درک اینکه نانولوله های کربنی چقدر می توانند هدایت الکتریکی را بهبود بخشند، ابتدا باید "آستانه نفوذ" را درک کنید. رسانایی یک ماتریس رزین خالص (مانند PE، PC) معمولاً در حدود 10-14 S/m است که آن را به یک عایق مطلق تبدیل می کند. وقتی نانولولههای کربنی اضافه میشوند، تا زمانی که مقدار اضافه از نقطه بحرانی (آستانه نفوذ) عبور میکند، لولهها فوراً روی هم قرار میگیرند و یک شبکه تشکیل میدهند، الکترونها مسیری به دست میآورند و رسانایی تحت یک موج نمایی قرار میگیرد و مستقیماً به مرتبه 10-2 یا حتی 102 S/m میپرد. این انتقال ناگهانی از عایق به رسانایی کاملاً با کربن سیاه رسانای کروی سنتی (که نیاز به مقادیر زیادی اضافه برای تشکیل یک لایه پوششی دارد) بی نظیر است.
2. یک-دیواره در مقابل چند دیوار-تفاوت کمی در بهبود رسانایی بین سازههای لوله چقدر است؟
نانولولههای کربنی تکجداره، بهدلیل ویژگیهای انتقال بالستیک عالی و نسبت ابعاد بسیار بزرگ، بازدهی افزایش رسانایی 5 تا 10 برابر نانولولههای کربنی چند جداره، با آستانه نفوذ بسیار پایین دارند.
هنگام مواجهه با این سوال که نانولولههای کربنی چقدر میتوانند رسانایی الکتریکی را بهبود بخشند، پاسخهای داده شده توسط-تک دیواره (SWCNT) و چند{1}}دیواره (MWCNT) به شدت متفاوت است. لولههای تک جداره دارای ابعاد شعاعی بسیار کوچک (~1 نانومتر) هستند، میتوانند به طول دهها میکرون برسند، نسبت ابعادی بیش از هزار دارند و نقصهای بسیار کمی دارند، بنابراین الکترونها تقریباً هیچ پراکندگی را در حین انتقال تجربه نمیکنند. از سوی دیگر، لولههای چند دیواره دارای پراکندگی نقص بین لایهای هستند. این منجر به چگالی شبکه و اتصال گره میشود که توسط لولههای تک جداره-به مراتب بیشتر از لولههای چند جداره با همان مقدار اضافه میشود.
| شاخص رسانایی کلیدی | نانولولههای کربنی تک دیواره-(SWCNT) | نانولولههای کربنی چند دیواره{{0} (MWCNT) |
|---|---|---|
| رسانایی ذاتی | 10⁶ - 107 S/m (حمل و نقل بالستیک) | 10⁴ - 105 S/m (پراکندگی وجود دارد) |
| آستانه نفوذ | 0.01 - 0.1 wt% | 0.5 - 3.0 wt% |
| رسانایی در 1 درصد وزنی اضافه | 10³ - 10⁴ S/m | 10¹ - 10² S/m |
| تاثیر بر رنگ ماتریس | افزودن بسیار کم می تواند رسانایی را به دست آورد، می تواند-رنگ روشن باشد | نیاز به افزودن زیاد دارد، فقط می تواند مشکی خالص باشد |
3. تجزیه سناریوی کاربردی: نانولوله های کربنی چقدر می توانند رسانایی را در سیستم های مختلف بهبود بخشند؟
در ماتریسها و سیستمهای هدف مختلف، بهبود رسانایی که نانولولههای کربنی میتوانند ارائه کنند، بسیار متفاوت است. پلیمرهای کریستالی با قطبیت بالا معمولاً راحتتر از پلیمرهای آمورف با قطبیت پایین-به جهش رسانایی بالاتر دست مییابند.
هنگام ارزیابی میزان نانولوله های کربنی که می توانند هدایت الکتریکی را بهبود بخشند، مطلقاً نمی توانید از سناریوهای کاربردی خاص جدا شوید. در باتری های لیتیومی، هدف کاهش مقاومت ورق الکترود است. در پلاستیک، برای دستیابی به محافظ ضد{2}}استاتیک یا EMI است. در پوشش ها، افت شدید مقاومت سطحی است. قطبیت ماتریس، ویسکوزیته مذاب و نیروی برشی پردازش همگی مستقیماً بر مورفولوژی شبکه نانولوله کربنی در محصول نهایی تأثیر میگذارند.
| سناریوی کاربردی | شاخص عملکرد هدف | نوع CNT توصیه شده | مقدار اضافی معمولی | محدوده بهبود رسانایی |
|---|---|---|---|---|
| ضد{0}}پلاستیک استاتیک | مقاومت سطحی 106-10⁹ Ω/sq | MWCNT ها | 1.0 - 2.5 wt% | عایق → ضد{0}}گرید استاتیک (۸ مرتبه بهبود) |
| پلاستیک محافظ EMI | Volume conductivity >10² S/m | MWCNTs/SWCNTs | 3.0 - 8.0 wt% / 0.5-2 wt% | عایق → درجه رسانا (12 مرتبه بهبود) |
| افزودنی رسانای باتری لیتیومی | Electrode sheet resistivity reduction >40% | SWCNT (چند-دیواری) | 0.02 - 0.1 wt% | در مقایسه با کربن سیاه خالص، مقاومت داخلی به شدت کاهش می یابد، قابلیت نرخ بهبود می یابد |
| پوشش ضد استاتیک -بر پایه آب{1} | مقاومت سطحی<10⁶ Ω/sq | خمیر{0}MWCNT مبتنی بر آب | 1.5 - 3.0 درصد وزنی (وزن خشک) | پوشش عایق → ضد استاتیک دائمی- (۹ مرتبه بهبود) |
مرجع داده: پایگاه داده اندازهگیری شده چند سیستمی از مرکز تحقیق و توسعه مواد جدید شاندونگ تانفنگ
4.-نقطه درد واقعی: چرا فرمول شما نمی تواند به رسانایی فوق العاده-در ادبیات دست یابد؟
به دلیل مشکلات پراکندگی و شکست برشی در خطوط تولید واقعی، اثر بهبود رسانایی واقعی نانولولههای کربنی در محصولات صنعتی اغلب تنها به حدود 30 درصد ارزش تئوری میرسد.
بسیاری از مردم 0.5٪ CNT ها را بر اساس ادبیات اضافه می کنند، اما متوجه می شوند که مقاومت اندازه گیری شده هنوز به طرز مضحکی بالا است. چرا؟ از آنجایی که مقالات از فراصوت پروب + اختلاط دست گریز از مرکز برای پراکندگی کامل استفاده می کنند، در حالی که خط تولید از اکسترودرهای دوقلو-پیچ یا آسیاب مهره استفاده می کند. اگرچه نیروی برشی بالا میتواند تودهها را باز کند، اما بیرحمانه نانولولههای کربنی را کوتاه میکند. هنگامی که نسبت تصویر به شدت از 1000 به 100 کاهش می یابد، شبکه نفوذ پاره می شود و رسانایی به طور طبیعی از تخفیف عمده ای برخوردار می شود. ناگفته نماند آگلومره های سختی که از هم جدا نشده اند، که نه تنها قادر به هدایت الکتریسیته نیستند بلکه به نقاط تمرکز تنش تبدیل می شوند.
5. توانمندسازی سازنده: شاندونگ تانفنگ چگونه به مشتریان کمک میکند تا حد نهایی رسانایی نانولولههای کربنی را حذف کنند؟
انتخاب سازنده منبعی مانند شاندونگ تانفنگ که بر فنآوریهای اصلی سفارشیسازی و چسباندن نسبت ابعاد بالا تسلط داشته باشد، میتواند به طور موثری از کاهش نسبت ابعاد و تجمع جلوگیری کند و پتانسیل رسانایی نهایی نانولولههای کربنی را در مقادیر اضافه بسیار کم درک کند.
اگر همیشه درگیر این هستید که نانولولههای کربنی چقدر میتوانند رسانایی الکتریکی را بهبود بخشند اما دائماً به دلیل پراکندگی ضعیف پودر مانع از آن میشوند، احتمالاً مشکل در انتهای مواد خام است. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. به عنوان یک تولید کننده حرفه ای CNT، از دست دادن رسانایی در منبع سنتز را کاهش می دهد و عملکرد بدون مصالحه را تضمین می کند:
سفارشی سازی فوق العاده-نسبت تصویر بالا: Conductivity is positively correlated with aspect ratio. Through precise catalysis, Shandong Tanfeng provides multi-walled and single-walled tubes with aspect ratios >1500. در مقایسه با لوله های تجاری معمولی (نسبت<300), the overlap nodes increase by more than 5 times at the same addition amount, allowing 2% addition to achieve the conductivity effect of 5%.
فناوری ضد شکستگی در -Situ De-Entanglement Anti-:شاندونگ تانفنگ با هدف قرار دادن نقطه درد شکستگی ناشی از برش زیاد، از فناوری درهم تنیدگی در محل-در محل{1} در انتهای سنتز استفاده میکند تا بستههای لوله را شل و محکم نگه میدارد. در پایین دست، می توان آنها را تحت نیروی برشی کم خیس کرد و پراکنده کرد و حفظ نسبت ابعاد را به حداکثر می رساند. عملکرد رسانایی بیش از 40 درصد در مقایسه با پودر آگلومره شده سخت- سنتی بهبود یافته است.
آماده-برای-استفاده از چسب رسانا:شاندونگ تانفنگ خمیرهای از پیش پراکنده شده برای سیستمهای NMP، پایه آب{{1} و بر پایه رزین- با پراکندگی تک لولهای در سطح میکرون-(D90) ارائه میکند.<5 μm), completely eliminating secondary agglomeration. In lithium battery and coating systems, the paste products allow carbon nanotubes to exert 100% of their effectiveness, with measured electrode sheet resistivity significantly reduced, helping customers achieve more extreme conductivity targets at lower cost.
نتیجه گیری
بازگشت به سوال اصلی: چقدر می تواندنانولوله های کربنیبهبود هدایت الکتریکی؟ از 8-جهش--جهش قدر عملکرد ضد-ضد استاتیکی به جهش 12-{9}}در{10}}حفاظ EMI، پتانسیل آن عمیق است. با این حال، همه اینها بر این فرض استوار است که شما می توانید به آستانه نفوذ دست پیدا کنید، نوع لوله مناسب را انتخاب کنید و از مانع فرآیند پراکندگی و شکستگی لوله عبور کنید. به جای مبارزه با پودر ضعیف در خط تولید، بهتر است از توانمندی فنی تولیدکننده منبعی مانند شاندونگ تانفنگ استفاده کنید، با استفاده از محصولات سفارشی با نسبت ابعاد بالا و خمیرهای از پیش پراکنده شده برای تبدیل هر گرم نانولوله کربنی به قوی ترین موتور رسانا در فرمول خود.