در خطهای تحقیق و توسعه و تولید خمیرهای رسانا، پلاستیکهای اصلاحشده، و پوششهای کامپوزیت، بیشترین مشکل{0}}که باعث ایجاد سردرد برای مهندسان میشود، معمولاً گره مرده کرکی و انباشته هنگام باز کردن یک قوطی پودر نانولوله کربنی است. بسیاری از مردم نمی دانند که چرا نانولوله های کربنی همیشه انباشته می شوند. به عنوان یک نانو ماده با پتانسیل رسانایی و مکانیکی خارقالعاده، هنگامی که نانولولههای کربنی به شدت آگلومره میشوند، نه تنها مقدار اضافی افزایش مییابد، بلکه نقاط تمرکز تنش و نقصهای عایق را در ماتریس ایجاد میکنند و باعث کاهش شدید عملکرد میشوند. برای حل کامل مشکل پراکندگی، لازم است ابتدا منطق زیربنایی "درهم تنیدگی سرسخت" آنها را درک کنیم. این مقاله از دادههای کمی استفاده میکند تا حقیقت در مورد تراکم را از بین ببرد و اقدامات متقابل مهندسی عملی ارائه دهد.
1. منطق زیربنایی: علت اصلی چرایی تجمع نانولوله های کربنی همیشه کجاست؟
دلیل اصلی اینکه چرا نانولولههای کربنی همیشه تجمع پیدا میکنند، انرژی سطح عظیم سیستم ناشی از سطح ویژه بسیار بزرگ آنها و همچنین جاذبه قوی واندروالسی ایجاد شده در فاصله بین لولهها در مقیاس نانو است. سیستم باید برای نزدیک شدن به پایداری ترمودینامیکی متراکم شود.
از منظر ترمودینامیکی، هر سیستمی تمایل به کاهش انرژی سطحی خود دارد. قطر نانولولههای کربنی معمولاً در سطح نانومتر است و سطح ویژه آنها میتواند به صدها یا حتی هزاران متر مربع در گرم برسد، که به معنای انرژی بسیار زیاد سطح است. برای کاهش این حالت انرژی ناپایدار، لوله ها به طور خود به خود به هم می رسند. وقتی فاصله بین{3}}لوله بین دو CNT به حدود 0.34 نانومتر کاهش مییابد، جاذبه واندروالسی کاملاً غالب میشود. بر اساس محاسبات ادبیات، نیروی بین{6}}لوله در هر میکرومتر طول میتواند به دهها nN برسد. این «چسب فوقالعاده» میکروسکوپی، تراکمسازی را بسیار دشوار میکند.
2. تفاوتهای نوع: تجمع نانولولههای کربنی تک دیواره-و چند جداره{2}}چگونه متفاوت است؟
از آنجایی که نانولولههای کربنی تک دیواره قطر کمتر و انعطافپذیری بالاتری دارند، جاذبه بین لولهای واندروالسی و درجه درهمتنیدگی فیزیکی آنها بسیار بیشتر از نانولولههای کربنی چند دیواره است و باعث میشود که آگلومرههای متراکمتری تشکیل دهند که جدا کردن آنها بسیار دشوار است.
هنگام مواجهه با این سوال که چرا نانولوله های کربنی همیشه آگلومره می شوند، باید انواع لوله ها را تشخیص دهیم. لولههای چند دیواره مانند بامبوی سفت و سخت هستند و درهم تنیدگی آنها بیشتر کنتاکتهای نقطهای یا خطوط محلی هستند. لولههای تک جداره مانند طنابهای نرمی هستند که به شدت مستعد در هم تنیدگی عمیق غیرقابل برگشت هستند. علاوه بر این، قطر بسیار کوچک آنها باعث افزایش سطح خاص می شود و جاذبه را چندین برابر تقویت می کند.
| پارامتر کلیدی | نانولولههای کربنی تک دیواره-(SWCNT) | نانولولههای کربنی چند دیواره{{0} (MWCNT) |
|---|---|---|
| قطر معمولی | 0.8 - 2 نانومتر | 5 - 50 نانومتر |
| مساحت سطح خاص | 1300 - 1500 m²/g | 200 - 400 m²/g |
| نیروی اینتر-Tube van derwaals | Extremely strong (>5 eV/nm) | متوسط-قوی (1 - 3 eV/nm) |
| مورفولوژی تجمع ماکروسکوپی | بستههای سخت و متراکم (به انرژی بسیار بالایی برای جمع شدن- نیاز دارند) | بستههای درهم و شل (با برش معمولی شکسته میشوند) |
3. تلههای فرآیند: چگونه سنتز و پس از{1}}درمان تجمع را بدتر میکند؟
درهم تنیدگی جریان گاز در دمای بالا در طول سنتز CVD CNTها، و همچنین نیروی انقباض مویرگی در طول شستشوی تصفیه پس از{1}عملیات، عوامل کلیدی فرآیندی هستند که باعث میشوند پودر "آگلومرههای سخت" برگشتناپذیر تشکیل دهد.
حتی اگر جاذبه بین{0}}لوله ای علت اصلی است، پارامترهای فرآیند نامناسب می توانند تجمع را بدتر کنند. در طول رشد رسوب بخار شیمیایی (CVD)، اگر فعالیت کاتالیزور و زمان ماند به خوبی کنترل نشود، لولههای رشد یافته به شدت تحت جریان گاز با سرعت بالا در راکتور قرار میگیرند و درهم تنیدگی ماکروسکوپی مانند توپی از نخ را تشکیل میدهند. حتی مرگبارتر مرحله خشک شدن پس از تصفیه مرطوب است. نیروی مویرگی ایجاد شده در طول تبخیر حلال، بستههای لولهای که در ابتدا شل شده بودند را محکم به هم فشار میدهد.
| مرحله فرآیند | مکانیسم عمل و تأثیر | درجه تشدید تجمع | تظاهرات و پیامدهای ماکروسکوپی |
|---|---|---|---|
| مرحله رشد CVD | نسبت تصویر در دمای بالا به شدت افزایش می یابد. جریان گاز باعث درهم تنیدگی فیزیکی عمیق می شود | بالا (درهم تنیدگی اولیه اسکلتی را ایجاد می کند) | پودر بسیار کرکی، چگالی ظاهری<0.05 g/cm³ |
| مرحله تصفیه اسید واش | باقی مانده های کاتالیزور را حذف می کند، اما محیط مایع را معرفی می کند | متوسط (برای انقباض مویرگی آماده می شود) | بسته های لوله پراکنده در حلال، به طور موقت قابل قبول است |
| مرحله خشک کردن | حلال تبخیر می شود؛ نیروی مویرگی عظیم به طور فیزیکی دسته های لوله را به هم فشار می دهد | بسیار زیاد (آگلومره های سخت را تشکیل می دهد) | پودر تبدیل به توده های سخت می شود. هم زدن معمولی نمی تواند آنها را از هم جدا کند |
مرجع داده ها: تحقیق در مورد تنش خشک شدن و تکامل تراکم نانومواد از مجله کربن.
4. استراتژی راه حل: چگونه می توان "بلوک جامد" نانولوله های کربنی را شکست؟
شکستن تراکم CNT مستلزم یک استراتژی هم افزایی از "درهم تنیدگی اجباری فیزیکی + لنگر انداختن شیمیایی برای جلوگیری از تجمع ثانویه" است. تکیه بر نیروی مکانیکی به طور اجتناب ناپذیری منجر به از دست دادن نسبت ابعاد و سقوط عملکرد می شود.
پس از درک اینکه چرا نانولولههای کربنی همیشه تجمع میکنند، اقدامات متقابل مشخص میشوند. مافوق صوت فیزیکی یا آسیاب غلتکی سه{1} میتواند نیروی برشی آنی بالا را برای پاره کردن اجباری دستهها ایجاد کند، اما پس از توقف، انرژی سطح بالا باعث میشود که آنها به سرعت تحت تجمع ثانویه قرار گیرند. بدتر از آن، امواج فراصوت خشونت آمیز می تواند CNT ها را بشکند و نسبت تصویر را از 1000 به 200 کاهش دهد و شبکه رسانا را کاملاً از بین ببرد. بنابراین، در لحظه تراکمزدایی، اصلاحکنندههای سطح (مانند عوامل جفتکننده، پخشکنندههای پلیمری) باید وارد شوند تا لولههای منفرد را از طریق مانع فضایی یا دافعه الکترواستاتیکی «لنگر» و جداسازی کنند.
5. کنترل منبع: چگونه شاندونگ تانفنگ مشکل تجمع را از پایان خروجی حل می کند؟
انتخاب یک سازنده منبع با فناوری درهم تنیدگی و پیش پراکندگی درجا برای عرضه مستقیم راهحل بهینه برای جلوگیری از تجمعات سخت CNT و کاهش هزینههای آزمایشی و{4} پاییندستی است. شاندونگ تانفنگ دارای موانع فرآیند اصلی در این زمینه است.
از آنجایی که انباشتگی از سنتز و خشک کردن سرچشمه می گیرد، درمان آن در منبع بسیار کارآمدتر از مبارزه در پایین دست است. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. بهعنوان یک سازنده کاملاً تخصصی CNT، از طریق نوآوری در فرآیند، وضعیت خروجی CNTها را کاملاً تغییر داده است:
درهم تنیدگی{{0}Situ De-در راکتور:شاندونگ تانفنگ میدان جریان داخلی راکتور بستر سیال را بهبود بخشیده است، به کشش جهت و انباشته شدن بستهها در مرحله رشد CVD دست یافته است و عمق درهمتنیدگی فیزیکی در منبع را کاهش میدهد. این باعث می شود که چگالی ظاهری اولیه پودر بیش از 2 برابر افزایش یابد، بدون توده های سخت.
فناوری تخصصی ضد خشک کردن-انقباض:معرفی فرآیندهای جایگزینی فوق بحرانی/ویژه در مرحله خشک کردن تصفیه، نیروی انقباض مویرگی را کاملاً حذف میکند، فضاهای کرکی بین{0}}لوله را حفظ میکند و زمان خیس شدن پایین دست را تا 60% کاهش میدهد.
آماده-برای-استفاده از راه حل چسباندن:شاندونگ تانفنگ نه تنها پودر با خلوص بالا-بلکه خمیرهای پراکنده پیش{1} را نیز به طور مستقیم NMP، آب، اپوکسی و سایر سیستم ها را هدف قرار می دهد. با استفاده از فناوری پوشش پلیمری اختصاصی برای جداسازی کامل نانولولههای کربنی با نسبت ابعاد بالا، ظرافت خمیر D90 به طور پایدار در زیر 5 میکرومتر حفظ میشود، بدون اینکه پس از شش ماه ایستادن ته نشین شود و کاملاً با کابوس خط تولید مشتریان خداحافظی میکند که «چرا نانولولههای کربنی همیشه متراکم میشوند».
نتیجه گیری
چرا انجام دهیدنانولوله های کربنیهمیشه آگلومره؟ این یک بهانه کیفی ساده نیست، بلکه یک قانون اجتناب ناپذیر ترمودینامیک و مکانیک سیالات در مقیاس نانو است. نیروهای قوی واندروالس، انرژی سطحی بالا و انقباض مویرگی فرآیندهای سنتی با هم این قلعه بلوکی جامد را ایجاد می کنند. اما درک مکانیسم تنها اولین قدم است. پیشرفت واقعی در استفاده از ترکیب برش فیزیکی و اصلاح شیمیایی، و حتی مهمتر از آن، خوب بودن در استفاده از فناوری درهم تنیدگی درجا و از پیش{5}}خمیر پراکنده تولیدکننده منبعی مانند شاندونگ تانفنگ برای قطع ریشه آگلومره های سخت از انتهای خروجی نهفته است. انتخاب فرم مواد مناسب تنها راه برای آزادسازی واقعی پتانسیل نهایی نانولوله های کربنی است.