در تحقیق و توسعه پلاستیکهای اصلاحشده، باتریهای نیرو، و پوششهای ویژه، نانولولههای کربنی واقعاً یک "افزودنی صنعتی" برای بهبود عملکرد هستند. با این حال، بسیاری از مهندسان از همان ابتدا شکست می خورند: اضافه کردن خیلی کم تاثیری ندارد، اضافه کردن بیش از حد نه تنها باعث افزایش هزینه ها می شود، بلکه باعث جمع شدن پودر در کنار هم می شود که منجر به شکست پردازش می شود. مقدار افزودن مناسب نانولوله های کربنی چقدر است؟ این به هیچ وجه عددی نیست که با حدس و گمان تعیین می شود، بلکه یک شاخص سخت است که توسط آستانه نفوذ علم مواد و رئولوژی تعیین می شود. انباشتن کورکورانه مواد فقط نتیجه معکوس خواهد داشت. امروز، ما از داده های کمی واقعی برای از بین بردن کامل مقدار اضافه در سناریوهای مختلف استفاده خواهیم کرد.
1. منطق زیربنایی: چرا بیشتر نانولوله های کربنی همیشه بهتر نیستند؟
مقدار اضافی نانولولههای کربنی باید از «آستانه نفوذ» فراتر رود تا یک شبکه رسانا تشکیل شود، اما پس از فراتر رفتن از آستانه، بهبود عملکرد بازدهی کاهشیافتهای دارد و ویسکوزیته سیستم بهطور تصاعدی افزایش مییابد و فرآیندپذیری را به شدت بدتر میکند.
برای اینکه بفهمید مقدار افزودنی مناسب نانولوله های کربنی چقدر است، ابتدا باید نظریه نفوذ را درک کنید. هنگامی که مقدار اضافه بسیار کم است، لوله ها در ماتریس ایزوله می شوند و جریان الکتریکی را هدایت نمی کنند. هنگامی که مقدار اضافی به یک نقطه بحرانی (آستانه نفوذ) می رسد، لوله ها فوراً با هم همپوشانی می کنند و یک شبکه نفوذی سه بعدی تشکیل می دهند و رسانایی با چندین مرتبه بزرگی پرش می کند. با این حال، هنگامی که از این نقطه عطف عبور می کنید و به افزودن مواد ادامه می دهید، افزایش رسانایی بسیار تدریجی می شود، اما درهم تنیدگی ناشی از نانوذرات با نسبت{4}}بالا{5}} ویسکوزیته سیستم را افزایش می دهد. در فرآیندهای قالب گیری تزریقی یا اکستروژن، مقدار افزودن زیاد به معنای گشتاور پیچ بسیار بالا، جریان پذیری بسیار ضعیف و شکنندگی شدید است.
| محدوده مقدار اضافه | وضعیت شبکه رسانا | تغییر رسانایی ماکروسکوپی | افزایش ویسکوزیته سیستم | پردازش و تاثیر مکانیکی |
|---|---|---|---|---|
| زیر آستانه (<0.5%) | جزایر منزوی، متصل نیستند | عایق (<10⁻⁸ S/m) | خیلی کوچک | جریان پذیری عالی، بدون اثر تقویتی |
| منطقه نفوذ (0.5-2%) | نفوذ آنی به شبکه | پرش نمایی (10-4~10¹ S/m) | افزایش 50% -100% | جریان پذیری شروع به کاهش می کند، سطح ضد{0}}استاتیک |
| Overload Zone (>3%) | افزونگی و همپوشانی شبکه | افزایش آهسته (دوره فلات) | Surge of >300% | پردازش بسیار دشوار، شکنندگی رزین، تمرکز تنش |
2. سناریوی پلاستیک های رسانا: چگونه به طور دقیق درجات ضد-استاتیک و رسانا را قرار دهیم؟
در پلاستیکهای رسانا، مقدار اضافی نانولولههای کربنی چند جداره معمولاً بین 1%-5% است، در حالی که نانولولههای کربنی تک جداره تنها به 0.05%-0.5% نیاز دارند. افزودن بیش از حد به شدت استحکام ضربه و براقیت سطح پلاستیک را بدتر می کند.
با توجه به مقدار افزودن مناسب نانولوله های کربنی، اصلاح پلاستیک معمولی ترین محل آزمایش است. اهداف مقاومتی مختلف مقدار اضافه را تعیین می کنند. برای دستیابی به سطح ضد استاتیک (106-10⁹ Ω/sq)، 1-2٪ از MWCNT ها کافی است. برای رسیدن به سطح محافظ الکترومغناطیسی (<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.
| سطح عملکرد هدف | مقاومت سطحی | افزودن MWCNT توصیه شده | افزودن SWCNT توصیه شده | تاثیر بر خواص مکانیکی |
|---|---|---|---|---|
| درجه ضد-استاتیک | 10⁶ - 10⁹ Ω/مربع | 1.0 - 2.0 wt% | 0.05 - 0.2 wt% | استحکام کششی خفیف کمی افزایش می یابد |
| درجه رسانا | 10³ - 10⁶ Ω/مربع | 2.0 - 3.5 wt% | 0.2 - 0.5 wt% | قدرت ضربه متوسط شروع به کاهش می کند |
| درجه محافظ الکترومغناطیسی | < 10³ Ω/sq | 4.0 - 8.0 wt% | 0.5 - 2.0 wt% | شدید، مواد شکننده میشوند و پردازش آن دشوار است |
مرجع دادهها: دادههای آزمایش اکستروژن دو مارپیچ آزمایشگاهی Shandong Tanfeng New Material در یک ماتریس PC.
3. افزودنی رسانای باتری لیتیومی: تفاوت حد بین 0.02٪ و 1٪ کجاست؟
در کاتدهای باتری لیتیومی، مقدار اضافی نانولولههای کربنی تک جداره{{0}به طور معمول 0.02%-0.1% و نانولولههای کربنی چند جداره 0.5% -1.5% است. خیلی کم نمی تواند یک شبکه رسانای دوربرد بسازد، در حالی که خیلی زیاد فضای مواد فعال را از بین می برد و عملکرد پوشش الکترود را به شدت بدتر می کند.
هنگامی که با مقدار مناسب نانولولههای کربنی در میدان باتری لیتیومی مبارزه میکنید، اساساً بازی بین «چگالی انرژی» و «رسانایی الکترونیکی» است. نانولوله های کربنی خود لیتیوم را ذخیره نمی کنند. اضافه کردن بیش از حد غیرمستقیم نسبت پودر کاتد (LFP/NCM) را کاهش می دهد و به طور مستقیم ظرفیت باتری را کاهش می دهد. علاوه بر این، غلظت بالای نانولولههای کربنی باعث ایجاد تیکسوتروپی قوی در دوغاب میشود و پوشش الکترود را بسیار مستعد خراشیدگی یا ترکهای خشک میکند.
| سیستم مواد کاتدی | فرمول افزودنی رسانا | نوع CNT و مقدار اضافه | کاهش مقاومت ورق الکترود | ویسکوزیته / عملکرد پوشش دوغاب |
|---|---|---|---|---|
| لیتیوم فسفات آهن (LFP) | SP + MWCNT | MWCNT 0.8 - 1.2 wt% | کاهش 40%-50% | پوشش متوسط و معمولی |
| مواد سه تایی (NCM811) | SP + MWCNT | MWCNT 0.5 - 0.8 wt% | کاهش 30 تا 40 درصد | خوب، به راحتی پخش می شود |
| کربن-نیکل/سیلیکون{{1} بالا | SP + SWCNT | SWCNTs 0.02 - 0.1 wt% | کاهش 60%-80% | ویسکوزیته کم، نیاز به کنترل ژل شدن دارد |
4. پوشش ها و چسب ها: کشش شدید-جنگ- بین ویسکوزیته و رسانایی
در سیستمهای مایع با ویسکوزیته پایین (مانند پوششهای مبتنی بر آب، چسبهای اپوکسی)، افزودن بیش از 1.5 درصد نانولولههای کربنی به راحتی باعث ژل شدن و خرد شدن میشود. برای کنترل مقدار اضافه در محدوده ایمن 0.5٪ -1.5٪، باید به نسبتهای تصویر بالا و فناوری قبل از پراکندگی تکیه کرد.
تحمل سیستم های رزین مایع بسیار کمتر از پلاستیک است. بدون برش قدرتمند یک اکسترودر دو پیچ-، افزودن زیاد CNT ها در مایعات با ویسکوزیته کم-به راحتی ته نشین می شوند یا ژل شبکه ای تشکیل می دهند که باعث می شود رزین مستقیماً به یک "خمیر سیاه" تبدیل شود که نمی توان آن را پاشید. در این مرحله، مقدار افزودن مناسب نانولوله های کربنی چقدر است؟ پاسخ این است که تا حد امکان از لولههای با نسبت ابعاد{{4}بالا- کمتر استفاده کنید. به عنوان مثال، تنها 0.1٪ از SWCNT ها می توانند رزین اپوکسی را رسانا کنند، در حالی که MWCNT ها ممکن است نیاز به افزودن تا 1٪ برای رسیدن به همان اثر داشته باشند، و 1٪ از MWCNT ها قبلا ویسکوزیته را دو برابر کرده است.
5. پیشرفت سازنده: چگونه شاندونگ تانفنگ به شما کمک می کند تا با اضافه کردن کمتر به عملکرد بهتری برسید؟
انتخاب تولیدکننده منبعی مانند شاندونگ تانفنگ با فناوری ساخت-جنبه-نسبت بالا و ساخت خمیر میتواند به میزان قابل توجهی آستانه نفوذ مواد کامپوزیت را کاهش دهد، به رسانایی و عملکرد مکانیکی بسیار بالا با مقدار اضافه بسیار کم دست یابد، و از خطر زوال پردازش کاملاً جلوگیری شود.
اگر شما همیشه به دلیل نداشتن اثر با افزودن بسیار کم به دام افتاده اید و قادر به پردازش با مقدار زیاد نیستید، احتمالاً مشکل در خود ماده خام است. نسبت ابعاد ناکافی، خلوص بسیار کم و ناتوانی در پراکندگی همگی باعث می شوند که آستانه نفوذ واقعی بسیار بالاتر از مقدار تئوری باشد و شما را مجبور می کند که به طور مداوم مواد بیشتری را اضافه کنید. به عنوان یک تولید کننده حرفه ای CNT، شرکت فناوری مواد جدید شاندونگ تانفنگ، با مسئولیت محدود، از طریق فناوری اساسی، به شما کمک می کند مقدار اضافه را تا حد مجاز فشار دهید:
سفارشی سازی فوق العاده-نسبت تصویر بالا: 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. تحت همین مقدار اضافه، احتمال همپوشانی بیش از 3 برابر افزایش مییابد، و این امکان را فراهم میکند که مقدار افزودن MWCNT در سیستم باتری LFP از 1.2% به 0.6% کاهش یابد، در حالی که همچنان مقاومت ورق الکترود بسیار کم حفظ میشود.
تفریق فوق-با خلوص بالا:بقایای کاتالیزور فلزی مقصری هستند که شبکه رسانا را از بین می برند و باعث تخلیه{0} خود باتری می شوند. شاندونگ تانفنگ از یک فرآیند تصفیه ویژه استفاده می کند و خلوص MWCNT بیش از 99.9٪ را به دست می آورد. بدون ناخالصی "فضا اشغال"، مقدار موثر اضافی خالص تر است.
آماده-برای-استفاده از راه حل چسباندن:برای حذف کامل "افزودن زیاد کاذب" ناشی از تجمع پودر، شاندونگ تانفنگ خمیرهای پیش{0}پراکنده برای حلال NMP، سیستمهای مبتنی بر آب- و سیستمهای رزین خالص ارائه میکند. اندازه ذرات پراکنده در سطح میکرون (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.
نتیجه گیری
برگردیم به سوال اصلی، مقدار افزودن مناسب نانولوله های کربنی چقدر است؟ پاسخ به هیچ وجه فقط 1٪ یا 2٪ نیست، بلکه یک مقدار بحرانی دقیق است که به طور مشترک توسط نسبت ابعاد، قطبیت ماتریس و روش های پردازش تعیین می شود. شما می توانید پس از عبور از آستانه نفوذ متوقف شوید. افزودن کورکورانه مواد بیشتر تنها با ویسکوزیته و شکنندگی نتیجه معکوس خواهد داشت. برای دستیابی واقعی به "مقادیر کمی با راندمان بالا"، تکیه بر محصولات خمیری-بالا،-خلوص بالا، و از پیش{7}}پراکنده ارائه شده توسط سازنده منبعی مانند شاندونگ تانفنگ، راه حل بهینه برای خروج از باتلاق "افزودن کمیت" بدون افزودن اثربخشی است.