ساخت مستربچ نانولوله کربنی از پودر نانولوله کربنی

ساخت مستربچ نانولوله کربنی از پودر نانولوله کربنی راه مهمی برای معرفی واقعی نانومواد CNT با کارایی بالا به سیستم پردازش پلاستیک است. در مقایسه با افزودن مستقیم پودر نانولوله کربنی به پلیمرهایی مانند PP، PE، PA، ABS و PC، مستربچ نانولوله کربنی معمولاً ابتدا به طور یکنواخت نانولوله‌های کربنی با غلظت بالاتر را از طریق ترکیب مذاب و اکستروژن در یک حامل رزین پراکنده می‌کند، سپس به محصول نهایی با توجه به مقدار افزوده هدف رقیق می‌شود.

هسته اصلی این فرآیند صرفاً «اختلاط نانولوله‌های کربنی و پلاستیک با هم» نیست، بلکه حل سه مشکل عملی است: نحوه وارد کردن CNTها به مذاب پلیمری، نحوه دستیابی به پراکندگی مؤثر تحت انرژی حرارتی-مکانیکی محدود، و چگونگی ساختن مستربچ نهایی که قادر به رقت‌سازی پایدار و تشکیل یک شبکه رسانای پیوسته باشد.

I. چرا به جای افزودن مستقیم آن به پلاستیک، مستربچ را از پودر نانولوله کربنی بسازیم؟

دلیل اصلی این است: مستربچ نانولوله کربنی می‌تواند سخت‌ترین مرحله پراکندگی CNT را در مرحله پیش پراکندگی با غلظت بالا متمرکز کند، سپس افزودن نهایی را از طریق رقت‌سازی بعدی تکمیل کند.

اگرچه مقدار افزودن پودر CNT معمولاً زیاد نیست، مقیاس نانو، نسبت ابعاد بالا و تمایل به تشکیل ساختارهای آگلومره شده به این معنی است که ممکن است پس از ورود مستقیم به مذاب پلیمری نتواند به سرعت و به طور یکنواخت پراکنده شود.

به خصوص برای تولید صنعتی، افزودن مستقیم نیز به همراه دارد:

گرد و غبار پودری؛

مشکل در اندازه گیری دقیق CNT های ردیابی.

تغذیه ناهموار؛

افزایش زمان پراکندگی؛

تفاوت های دسته ای تقویت شده؛

افزایش دشواری در مدیریت محیط تولید.

در مقایسه، مستربچ معادل «قرار دادن» CNT ها در یک حامل پلیمری است.

مسیر معمولی را می توان به این صورت درک کرد: پودر CNT → مستربچ CNT با غلظت بالا → رقیق سازی با رزین پایه → محصولات پلاستیکی رسانا/آنتی استاتیک نهایی.

مستربچ CNT معمولاً از بارگذاری بیشتر CNT استفاده می کند، سپس مواد کامپوزیت نهایی را از طریق رقیق سازی مستربچ آماده می کند. این روش به کاهش دشواری پراکندگی افزودن مستقیم CNT ها کمک می کند و در عین حال راحتی عملیاتی و اندازه گیری CNT را بهبود می بخشد.

II. مستربچ نانولوله کربنی چیست؟

مستربچ نانولوله کربنی اساساً یک ماده غلیظ از پیش پراکنده از "حامل CNT + پلیمر با غلظت بالا" است.

معمولاً از رزین ترموپلاستیک به عنوان حامل استفاده می کند، مانند:

PP;

PE;

PA;

ABS;

کامپیوتر;

PBT;

TPU؛

EVA;

سایر مواد ترموپلاستیک مطابق با رزین نهایی.

مشابه مستربچ رنگی پلاستیکی معمولی، مستربچ نانولوله کربنی نیز باید مراحلی مانند اکستروژن، خنک‌سازی و گلوله‌سازی را طی کند تا محصولات دانه‌ای شکل بگیرد.

اما تمرکز فنی مستربچ CNT با مستربچ رنگی معمولی متفاوت است.

مستربچ رنگ معمولی به طور عمده حل می کند: آیا رنگدانه می تواند به طور یکنواخت پراکنده شود یا خیر.

مستربچ CNT بیشتر بر روی این موارد تمرکز دارد: آیا CNT ها می توانند یک شبکه رسانا در مقیاس نانو پایدار و پیوسته مناسب برای پردازش نهایی تشکیل دهند.

بنابراین، عملکرد مستربچ نانولوله کربنی را نمی توان تنها با «سیاه بودن» قضاوت کرد.

III. فرآیند اصلی تولید مستربچ نانولوله کربنی چیست؟

مسیر معمولی آماده سازی مستربچ نانولوله کربنی صنعتی "آزمایش پیش اختلاط-ذوب-برشی-پراکندگی-اکستروژن-خنک کردن-گندله سازی-آزمایش" است.

فرآیند اصلی را می توان به صورت زیر نشان داد:

انتخاب پودر CNT

↓

خشک کردن رزین حامل

↓

پیش اختلاط CNT و رزین

↓

تغذیه اکسترودر دو پیچ

↓

ذوب پلیمر

↓

پراکندگی برش بالا CNT

↓

انتقال و اکستروژن یکنواخت

↓

خنک کننده

↓

گندله سازی

↓

تست مستربچ

↓

بسته بندی

آنچه واقعاً عملکرد محصول را تعیین می کند مرحله "برش به گلوله" نیست، بلکه پراکندگی مذاب قبلی و تطبیق سطحی است.

IV. چرا اکسترودر دو پیچ برای ساخت مستربچ نانولوله کربنی بسیار مهم است؟

اکسترودر دو مارپیچ می تواند به طور همزمان ذوب، انتقال، اختلاط توزیعی و اختلاط پراکنده را فراهم کند و تجهیزات اصلی است که معمولاً در تولید صنعتی مستربچ ترموپلاستیک CNT استفاده می شود.

پس از ورود پودر CNT به اکسترودر، ابتدا پلیمر باید ذوب شود، سپس اثرات برشی و ازدیاد طول از طریق پیکربندی پیچ ایجاد می‌شود که باعث می‌شود آگلومراهای CNT به تدریج جدا شده و وارد سیستم رزین شوند.

حوزه های اصلی تمرکز عبارتند از:

پیکربندی پیچ؛

L/D;

سرعت پیچ؛

میزان تغذیه؛

دمای ذوب؛

زمان اقامت؛

مقاومت برشی؛

گشتاور؛

انرژی مکانیکی ویژه (SME).

تحقیقات نشان می دهد که پیکربندی پیچ، سرعت، خروجی و زمان ماندگاری در اکستروژن دو مارپیچ همگی بر وضعیت پراکندگی CNT ها در مستربچ تأثیر می گذارند. برای سیستم PCL/MWNT، افزایش ورودی انرژی مکانیکی می‌تواند پراکندگی CNT را بهبود بخشد، و طول‌های مختلف پیچ و پیکربندی‌های عنصر اختلاط نیز اثر پراکندگی نهایی را تغییر می‌دهد.

V. آیا محتوای CNT بالاتر در مستربچ نانولوله کربنی همیشه بهتر است؟

مستربچ CNT محتوای نانولوله های کربنی بی نهایت بالا را دنبال نمی کند، اما تعادلی بین "غلظت، دشواری پراکندگی، جریان پذیری پردازش و راندمان رقت نهایی" پیدا می کند.

غلظت مستربچ CNT کاملاً یکنواخت نیست. به عنوان مثال، یک بررسی مربوط به هدایت حرارتی نشان می‌دهد که بارگذاری CNT بالاتر در مستربچ CNT صنعتی رایج است، که محدوده‌های معمولی آن به حدود 15 تا 20 درصد وزنی می‌رسد. در حالی که تحقیقات بر روی سیستم های مختلف پلیمری از غلظت های مختلف مانند 7.5 درصد وزنی و 10 درصد وزنی نیز استفاده شده است.

بنابراین، یک غلظت معین نباید به عنوان یک استاندارد صنعتی واحد درک شود.

موارد بالا محدوده های نمونه هستند، نه استانداردهای جهانی برای همه مستربچ های CNT.

غلظت مستربچ واقعا معقول باید به طور مشترک بر اساس موارد زیر تعیین شود: مشخصات CNT + ویسکوزیته مذاب رزین + تجهیزات اکستروژن + مقدار افزودن نهایی هدف.

VI. چرا قطر لوله و طول پودر نانولوله کربنی بر تولید مستربچ تأثیر می گذارد؟

ساختار هندسی خود CNT ها مستقیماً بر دشواری پراکندگی مذاب و روش تشکیل شبکه رسانای نهایی تأثیر می گذارد.

به طور کلی، CNT ها نسبت ابعاد بسیار بالایی دارند. این ساختار تک بعدی هم مزیت مهمی برای تشکیل شبکه های رسانا است و هم درهم تنیدگی و پراکندگی را در طول پردازش افزایش می دهد.

بررسی‌های تحقیقاتی نشان می‌دهد که عواملی مانند نسبت ابعاد، جهت‌گیری، بارگذاری و شیمی سطح نانولوله‌های کربنی همگی بر عملکرد نهایی کامپوزیت‌های پلیمری تأثیر می‌گذارند.

بنابراین، حتی اگر هر دو "پودر MWCNT" باشند، اگر:

محصول A طول متوسط ​​بیشتری دارد.

محصول B طول کوتاه تری دارد.

این دو ممکن است در پیچ دوقلو از نظر سختی پراکندگی، حساسیت برشی، ویسکوزیته مذاب و شبکه رسانای نهایی متفاوت باشند. همچنین به همین دلیل است که سازندگان حرفه‌ای CNT نمی‌توانند فقط پارامتر "خلوص" را به مشتریان ارائه دهند.

VII. تفاوت بین افزودن مستقیم پودر نانولوله کربنی و استفاده از مستربچ نانولوله کربنی چیست؟

برای پردازش پلاستیک در مقیاس بزرگ، مستربچ معمولاً دستیابی به عملیات اندازه گیری و تولید پایدار را آسان تر می کند، اما پودر آزادی فرمولاسیون بالاتری را ارائه می دهد.

این بدان معنا نیست که مستربچ لزوما بهتر از پودر است. اگر مشتری خود توانایی پراکندگی نانومواد بالغ داشته باشد و نیاز به تنظیم آزادانه CNT، رزین و فرمول‌های افزودنی داشته باشد، استفاده مستقیم از پودر ممکن است انعطاف‌پذیرتر باشد.

هشتم. مستربچ نانولوله کربنی برای چه پلاستیک هایی مناسب است؟

مستربچ CNT را می توان با توجه به رزین های ترموپلاستیک مختلف که عمدتاً برای مواد رسانا، آنتی استاتیک، محافظ EMI و مواد کامپوزیتی کاربردی استفاده می شود، با حامل مطابقت داد.

ماتریس های رایج عبارتند از:

PP;

PE;

PA6;

PA66;

ABS;

کامپیوتر;

PBT;

TPU؛

PET;

POM و غیره

دستورالعمل های کاربردی عبارتند از:

1. پلاستیک آنتی استاتیک

استفاده از CNT ها برای تشکیل شبکه های رسانا، کاهش تجمع بار سطحی مواد.

2. پلاستیک های رسانا

برای سیستم های موادی که نیاز به رسانایی حجم/سطح پایدار دارند استفاده می شود.

3. مواد محافظ الکترومغناطیسی EMI

دستیابی به تضعیف امواج الکترومغناطیسی از طریق شبکه های رسانا و ساختارهای مواد.

4. فیلم های رسانا

برای بسته بندی، مواد الکترونیکی و فیلم های کاربردی استفاده می شود.

5. 3مواد چاپ D

کامپوزیت های CNT/پلیمر نیز برای قالب گیری اکستروژن و ساخت افزودنی در حال مطالعه هستند.

6. مهندسی اصلاح پلاستیک

افزودن CNT ها به پلاستیک های مهندسی مانند PA، PC و PBT می تواند برای توسعه مواد کامپوزیتی با ترکیب عملکردهای مکانیکی و رسانا استفاده شود.

IX آیا فرآیند ساخت مستربچ نانولوله کربنی با رزین های مختلف یکسان است؟

منطق اصلی مستربچ یکسان است، اما رزین های مختلف نیاز به تطبیق مجدد حامل، دمای پردازش، پیکربندی پیچ و نسبت افزودن CNT دارند.

به خصوص برای مواد با رطوبت سنجی آشکار مانند PA، PET، و PBT، حالت خشک شدن رزین ممکن است به طور مستقیم بر پایداری اکستروژن و عملکرد نهایی تأثیر بگذارد.

X. چرا مستربچ نانولوله کربنی باید «رزین حامل» را در نظر بگیرد؟

حامل مستربچ فقط هر پلاستیکی نیست که به طور تصادفی انتخاب شود، بلکه باید سازگاری خوب و تطابق پردازش با رزین پردازش نهایی را تا حد امکان حفظ کند.

به عنوان مثال، اگر محصول نهایی از PP استفاده می کند، مستربچ CNT مبتنی بر PP معمولا آسان تر از استفاده از رزین کاملاً متفاوت به عنوان حامل است.

دلیل آن این است که پس از ورود مستربچ به ذوب نهایی، باید مراحل زیر را طی کند: ذوب مستربچ → توزیع مجدد CNT → مخلوط کردن با رزین پایه → تشکیل شبکه نهایی.

اگر رزین حامل و نهایی سازگاری کافی نداشته باشند، ممکن است منجر به موارد زیر شود:

مهاجرت نابرابر CNT؛

غنی سازی محلی؛

پراکندگی بدتر؛

کاهش خواص مکانیکی؛

نوسانات مقاومتی

تحقیقات موجود همچنین تاکید می کند که برهمکنش های سطحی بین CNT ها و پلیمرها و تطبیق ماتریس بر عملکرد مواد کامپوزیت نهایی تأثیر می گذارد.

XI. چرا عملکرد رسانایی مستربچ نانولوله کربنی تنها با محتوای CNT تعیین نمی شود؟

عملکرد نهایی رسانا بستگی به شبکه رسانایی دارد که به طور مشترک توسط محتوای CNT، حالت پراکندگی، ساختار هندسی CNT، جهت گیری و ماتریس پلیمری تشکیل شده است.

یک پدیده بسیار معمولی این است: افزودن CNT های بیشتر لزوماً به این معنی نیست که عملکرد رسانایی ماده نهایی به همان نسبت افزایش می یابد.

زیرا آنچه واقعاً اهمیت دارد این است که آیا یک شبکه نفوذ مؤثر تشکیل شده است یا خیر.

XII. چگونه می توان قضاوت کرد که آیا پراکندگی مستربچ نانولوله کربنی واجد شرایط است؟

شما نمی توانید فقط به ظاهر گلوله های مستربچ نگاه کنید. تجمع ماکروسکوپی، پراکندگی میکروسکوپی و عملکرد الکتریکی نهایی باید به طور همزمان بررسی شوند.

توصیه می شود حداقل سه سطح آزمایش ایجاد شود.

سطح اول: ظاهر مستربچ

رعایت کنید:

رنگ پلت؛

اندازه؛

آیا نقاط سیاه آشکار وجود دارد.

آیا گلوله های ذوب نشده وجود دارد.

این که آیا مواد سوخته وجود دارد.

سطح دوم: پراکندگی میکروسکوپی

موارد زیر قابل استفاده است:

میکروسکوپ نوری؛

SEM;

TEM.

مشاهدات کلیدی: آیا آگلومراهای بزرگ CNT وجود دارند یا خیر، آیا CNT ها به طور یکنواخت در پلیمر توزیع می شوند.

سطح سوم: عملکرد نهایی

از همه مهمتر تست کنید:

مقاومت سطحی؛

مقاومت حجمی؛

استحکام کششی؛

استحکام خمشی؛

عملکرد تاثیر؛

شاخص ذوب؛

پایداری حرارتی

فقط از این طریق می توانید واقعاً قضاوت کنید: آیا پراکندگی CNT در نهایت به عملکرد مواد تکرارپذیر تبدیل شده است یا خیر.

سیزدهم. چرا کیفیت پودر نانولوله کربنی به طور مستقیم بر کیفیت مستربچ تأثیر می گذارد؟

مستربچ محصولی نیست که بتواند تفاوت های پودری را کاملاً پنهان کند. ساختار و پایداری دسته ای خود پودر CNT مستقیماً به مستربچ بعدی منتقل می شود.

اگر دسته های پودر CNT دارای:

اختلاف قطر لوله؛

تفاوت طول؛

تفاوت خلوص؛

تفاوت باقیمانده فلزی؛

تفاوت درجه گرافیت سازی؛

تفاوت های حالت تجمع؛

سپس حتی با استفاده از همان: رزین + پیچ + دما + سرعت

نتایج متفاوتی ممکن است هنوز به دست آید: گشتاور، ویسکوزیته، حالت پراکندگی و مقاومت.

به همین دلیل است که برای مستربچ CNT، بهتر است به جای آزمایش مستربچ در پایان، کنترل کیفیت را از منبع CNT شروع کنید.

چهاردهم چرا ادغام "تولید کننده پودر CNT + سازنده مستربچ" ارزشمندتر است؟

هنگامی که پودر CNT و مستربچ توسط یک سیستم تامین تولید می شوند، ساختار مواد خام و فرآیند اکستروژن پایین دستی را می توان در پیوند بهینه کرد.

برای مثال، اگر مشتری متوجه شود: پراکندگی مستربچ به اندازه کافی پایدار نیست.

روش سنتی فقط می تواند تنظیم شود: سرعت پیچ → دما → زمان اقامت.

اما عرضه یکپارچه می تواند ردیابی بیشتری داشته باشد: طول CNT ← قطر لوله ← حالت تجمع پودر ← حالت سطح ← حامل رزین ← پیکربندی پیچ ← مستربچ نهایی.

به این ترتیب مسیر حل مشکل کاملتر می شود.

XV. به عنوان یک تولید کننده نانولوله کربنی، مزایای شاندونگ تانفنگ در تجارت مستربچ چیست؟

مزیت اصلی شاندونگ تانفنگ توانایی آن در اتصال تحقیق و توسعه پودر CNT و تولید با کاربردهای مستربچ نانولوله کربنی پایین دست است که راه حل های پشتیبانی از مواد خام تا مستربچ کاربردی را به مشتریان ارائه می دهد.

تجارت شاندونگ تانفنگ پودر نانولوله کربنی، دوغاب نانولوله کربنی رسانا و محصولات مستربچ رسانا را پوشش می‌دهد و دارای قابلیت‌های تحقیق و توسعه، تولید و توسعه کاربرد CNT است.

برای شرکت‌های اصلاح پلاستیک که به تولید انبوه طولانی‌مدت نیاز دارند، اینکه آیا تامین‌کننده می‌تواند به طور همزمان مواد CNT و پردازش پلیمر را درک کند، اغلب از ارائه یک قیمت پودر صرفاً معنی‌دارتر است.

شانزدهم تفاوت بین مستربچ نانولوله کربنی و مستربچ کربن سیاه رسانا معمولی چیست؟

هر دو را می توان برای ساخت شبکه های رسانا استفاده کرد، اما CNT ها ساختار یک بعدی نسبت ابعاد بالایی دارند و مکانیسم تشکیل شبکه رسانا و مقدار اضافه مورد نیاز آنها ممکن است با سیستم های کربن سیاه متفاوت باشد.

لازم به ذکر است که این به سادگی این نیست که CNT ها لزوما بهتر از کربن سیاه هستند.

آنچه واقعاً باید مقایسه شود این است: مقاومت هدف + مقدار اضافه + خواص مکانیکی + هزینه + روش پردازش + الزامات ظاهری.

سؤالات متداول: سؤالات متداول در مورد ساخت مستربچ نانولوله کربنی از پودر نانولوله کربنی

1. آیا می توان پودر نانولوله کربنی را مستقیماً به PP اضافه کرد؟

بله، اما مشکل پراکندگی CNT باید از طریق فرآیندهای اختلاط مذاب مناسب حل شود. برای تولید در مقیاس بزرگ، پیش ساخت مستربچ CNT و سپس رقیق کردن یک راه معمول است.

2. مستربچ نانولوله کربنی معمولاً حاوی چه مقدار CNT است؟

هیچ ارزش ثابت واحدی وجود ندارد. طرح‌های مستربچ مختلفی مانند حدود 7.5 درصد وزنی، 10 درصد وزنی و 15 تا 20 درصد وزنی را می‌توان در ادبیات مشاهده کرد. غلظت واقعی باید بر اساس نوع CNT، رزین و تجهیزات اکستروژن تعیین شود.

3. آیا مستربچ CNT لزوماً به پیچ دوقلو نیاز دارد؟

نه لزوما، اما اکسترودر دو مارپیچ برای مستربچ ترموپلاستیک CNT که به پراکندگی قوی تر و تولید مداوم نیاز دارد بسیار مناسب است. تجهیزات واقعی باید بر اساس ظرفیت و سیستم مواد تعیین شود.

4. آیا محتوای CNT بالاتر برای مستربچ بهتر است؟

نه. محتوای CNT بالاتر می تواند کارایی غلظت را بهبود بخشد، اما ممکن است همزمان ویسکوزیته مذاب و دشواری پراکندگی را افزایش دهد. یک پنجره فرآیند مناسب برای تجهیزات باید پیدا شود.

5. آیا می توان از مستربچ نانولوله کربنی برای PA استفاده کرد؟

بله. مستربچ CNT را می توان برای پلاستیک های مهندسی مانند PA6 و PA66 توسعه داد، اما کنترل کلیدی برای خشک کردن رزین، دمای پردازش، تطبیق حامل و عملکرد نهایی رسانا مورد نیاز است.

6. آیا می توان از مستربچ نانولوله کربنی برای پلاستیک های آنتی استاتیک استفاده کرد؟

بله. نانولوله‌های کربنی می‌توانند شبکه‌های رسانا را در پلیمرها تشکیل دهند، بنابراین می‌توان از آن‌ها در برخی از سیستم‌های مواد محافظ آنتی استاتیک، رسانا و EMI استفاده کرد.

7. کدام یک برای کارخانه های پلاستیک مناسب تر است، مستربچ CNT یا پودر CNT؟

این به توانایی توسعه مواد خود کارخانه بستگی دارد. شرکت‌هایی با قابلیت پراکندگی نانومواد بالغ می‌توانند پودر را انتخاب کنند. شرکت هایی که امیدوارند مشکل حمل و توسعه پودر و پراکندگی را کاهش دهند، می توانند مستربچ را در نظر بگیرند.

8. آیا شاندونگ تانفنگ می تواند پودر نانولوله کربنی و مستربچ ارائه دهد؟

بله. سیستم محصول عمومی شاندونگ تانفنگ هم پودر نانولوله کربنی و هم مستربچ رسانا را پوشش می‌دهد و دارای قابلیت‌های تحقیق و توسعه CNT، تولید و توسعه برنامه است و می‌تواند تطبیق و سفارشی‌سازی مواد را در برنامه‌های مختلف انجام دهد.

شاندونگ تانفنگ پودر نانولوله‌های کربنی، دوغاب نانولوله‌های کربنی و مستربچ نانولوله‌های کربنی را به کار گرفته است که می‌تواند از انتهای مواد خام CNT تا انتهای کاربرد پایین‌دست گسترش یابد و ایده‌های تطبیق مواد و توسعه سفارشی برای سیستم‌های پلیمری مانند PP، PE، PA، ABS و PC را ارائه دهد. تجارت این شرکت شامل تحقیق و توسعه CNT، تولید، توسعه اپلیکیشن و محصولات مستربچ رسانا است.

برای مشتریانی که امیدوارند نانولوله های کربنی را از مواد آزمایشگاهی به تولید انبوه پلاستیک وارد کنند، به جای خرید دسته ای از پودر CNT به تنهایی و کاوش به تنهایی، بهتر است مستقیماً یک محلول کامل مواد را پیرامون مشخصات پودر CNT، رزین حامل، غلظت مستربچ، فرآیند اکستروژن و شاخص های مقاومت نهایی ایجاد کنند.

این همچنین یک گام کلیدی برای حرکت نانولوله‌های کربنی از «پودر نانو» به «مواد کاربردی قابل پردازش در مقیاس بزرگ» است.