ในการวิจัยและพัฒนาและสายการผลิตของการเคลือบ-สารเคลือบนำไฟฟ้าที่ใช้น้ำ สารยึดเกาะที่ใช้น้ำของแบตเตอรี่ลิเธียมใหม่- หรือฟิล์มระบายความร้อนที่นำความร้อน ท่อนาโนคาร์บอนได้รับความนิยมอย่างสูงเนื่องจากเครือข่ายการนำความร้อนและตัวนำความร้อนขั้นสูงสุด อย่างไรก็ตาม วิศวกรมักจะสะดุดในขั้นตอนแรกของการผลิต: จะกระจายท่อนาโนคาร์บอนในน้ำได้อย่างไร เมื่อมองดูก้อนสีดำที่ลอยอยู่ในบีกเกอร์และตะกอนแข็งที่ด้านล่าง ผู้คนนับไม่ถ้วนตกอยู่ในความสิ้นหวัง เนื่องจากความสามารถในการไม่ชอบน้ำอย่างรุนแรงและแรงระหว่าง-tube van der Waals CNT จึงจับตัวกันเป็นก้อนทันทีที่ลงไปในน้ำ และการกวนแบบธรรมดาไม่สามารถทำให้เกิดการกระจายตัวของน้ำที่สม่ำเสมอได้เลย บทความนี้จะกล่าวถึงประเด็นปัญหานี้โดยตรง โดยใช้ข้อมูลแบบฮาร์ดคอร์เพื่อแยกตรรกะของการกระจายตัวของท่อนาโนคาร์บอนในน้ำ
1. การติดตามภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก: เหตุใดท่อนาโนคาร์บอนจึงจับตัวเป็นก้อนและจมในน้ำได้ง่ายมาก
เหตุผลพื้นฐานว่าทำไมท่อนาโนคาร์บอนจึงจับตัวเป็นก้อนและตกตะกอนในน้ำได้ง่ายมากนั้นอยู่ที่ความสามารถในการไม่ชอบน้ำบนพื้นผิวที่สูงมากๆ และแรงดึงดูดระหว่าง-ท่อแวนเดอร์วาลส์ที่แข็งแกร่ง ซึ่งทำให้ระบบไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ในระดับสูง
ผนังท่อของ CNT เกิดจากการกลิ้งแผ่นกราฟีนไฮบริด sp² และพื้นผิวคอนจูเกตที่มีโพลาไรซ์สูงนี้มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำโดยธรรมชาติ เมื่อเทผง CNT ที่ไม่มีการดัดแปลงลงในน้ำ โมเลกุลของน้ำจะไม่สามารถแพร่กระจายและทำให้ผนังท่อเปียกได้ และความตึงของพื้นผิวขนาดใหญ่จะผลักน้ำออกไป ในเวลาเดียวกัน เพื่อลดพลังงานพื้นผิวที่สูงมาก หลอดจะยึดติดกันอย่างแน่นหนาผ่านแรง van der Waals อันแรงกล้า เมื่อเปรียบเทียบกับตัวทำละลายอินทรีย์ (เช่น NMP) แรงตึงผิวของน้ำที่สูง (~72 mN/m) ทำให้ยากยิ่งขึ้นที่จะทำลายสถานะที่ไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์
| ระบบตัวทำละลาย | แรงตึงผิว | ความสามารถในการเปียกน้ำสำหรับ CNT | สถานะการกระจายตัวของ CNT | ระยะเวลาความเสถียร |
|---|---|---|---|---|
| น้ำปราศจากไอออน | 72.8 มิลลินิวตัน/เมตร | Very poor (contact angle >120 องศา) | การจับตัวเป็นก้อนและการจมอย่างรวดเร็ว | <10 minutes |
| เอทานอล | 22.0 มิลลินิวตัน/เมตร | ปานกลาง | สามารถระงับชั่วคราวได้ | หลายชั่วโมง |
| เอ็นเอ็มพี | 40.7 มิลลินิวตัน/เมตร | ดีเยี่ยม (ตัวทำละลายที่ดี) | กระจายออกเป็นหลอดแต่ละหลอดได้อย่างง่ายดาย | หลายวันถึงหลายสัปดาห์ |
2. การทำอัลตราโซนิกทางกายภาพ: เหตุใดท่อจึงแตกแต่ยังคงจมอยู่
แม้ว่าอัลตราโซนิกทางกายภาพสามารถให้แรงเฉือนเฉือนสูง-ในทันทีเพื่อบังคับให้มัด CNT ออกจากกัน แต่ก็ไม่สามารถเปลี่ยนธรรมชาติที่ไม่ชอบน้ำได้ และเมื่อหยุดแล้ว จะเกิดการจับตัวเป็นก้อนทุติยภูมิอย่างรวดเร็วอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
เมื่อประสบปัญหาการกระจายท่อนาโนคาร์บอนในน้ำ ปฏิกิริยาแรกของคนจำนวนมากคือการใช้อัลตราโซนิก เอฟเฟกต์คาวิเทชันของโซนิเคเตอร์แบบโพรบสามารถสร้างการกระแทกแบบไมโคร-ที่ระดับ MPa หลายร้อยค่า ซึ่งจะทำให้มัดที่พันกันแตกออกจากกัน แต่ปัญหาก็คือ CNT ที่ไม่ชอบน้ำที่เพิ่งแตกใหม่มีพลังงานพื้นผิวสูงมาก และอยู่ในสถานะที่มีการเคลื่อนไหวอย่างมากในน้ำ ทันทีที่อัลตราโซนิกหยุดลง พวกเขาก็ค้นหาเพื่อนฝูงทันทีเพื่อรวมกลุ่มกันอีกครั้ง ร้ายแรงยิ่งขึ้น การขยายเวลาอัลตราโซนิกในการแสวงหาผลการกระจายตัวจะตัด CNT โดยตรง ทำให้อัตราส่วนกว้างยาวลดลงจากหลักพันเป็นสิบ ทำลายเครือข่ายสื่อกระแสไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์
| วิธีการกระจายตัวทางกายภาพ | กลไกการออกฤทธิ์ | ความหนาแน่นของพลังงาน | ความเสียหายต่ออัตราส่วนภาพ | ถึงเวลาของการรวมตัวกันและการจมทุติยภูมิ |
|---|---|---|---|---|
| การกวนเชิงกล | การพาความร้อนด้วยแรงเฉือนด้วยกล้องจุลทรรศน์ | ต่ำ (<10 W/cm³) | แทบไม่มีเลย | จมทันทีเมื่อหยุด |
| อัลตราโซนิกอาบน้ำ | เอฟเฟกต์คาวิเทชั่น | ปานกลาง (10-50 วัตต์/ซม.) | เล็กน้อย | 10-30 นาที |
| โพรบอัลตราโซนิก | ไมโครเจ็ทคาวิเทชั่นอันทรงพลัง- | Extremely high (>100 วัตต์/ซม.³) | Severe (breakage rate >50%) | 1-2 ชม |
3. การดัดแปลงทางเคมี: จะทำให้ท่อนาโนคาร์บอนเข้ากันได้กับน้ำอย่างแท้จริงได้อย่างไร
วิธีเดียวที่จะบรรลุการกระจายตัวของท่อนาโนคาร์บอนในน้ำอย่างเสถียร-ในระยะยาวคือการปรับเปลี่ยนพื้นผิวทางเคมี ด้วยการแนะนำหมู่ที่ชอบน้ำหรือการห่อหุ้มโมเลกุลของแอมฟิฟิลิก โดยพื้นฐานแล้วหลอดต่างๆ จะถูกป้องกันไม่ให้เข้าใกล้กันอีกครั้งจากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์
กลยุทธ์การรักษาราก-สำหรับวิธีกระจายท่อนาโนคาร์บอนในน้ำคือการทา "ชั้นเคลือบที่ชอบน้ำ" บนผนังท่อ มีสองเส้นทางหลัก: การแก้ไขพันธะโควาเลนต์และการแก้ไขพันธะโควาเลนต์ที่ไม่ใช่- การปรับเปลี่ยนพันธะโควาเลนต์ (เช่น การเดือดในกรดผสม) จะกัดหมู่คาร์บอกซิล (-COOH) และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) โดยตรงบนผนังหลอด ทำให้เกิดความสามารถในการชอบน้ำได้ดีเยี่ยม แต่ทำลายโครงสร้างคอนจูเกตของ sp² ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าลดลงอย่างมีนัยสำคัญ การดัดแปลงพันธะโควาเลนต์แบบไม่- (การเติมสารลดแรงตึงผิวหรือสารช่วยกระจายตัวโพลีเมอร์) ใช้คุณลักษณะของปลายด้านหนึ่งที่ดูดซับกับผนังท่อและปลายอีกด้านหนึ่งขยายไปในน้ำ ทำให้ได้สารแขวนลอยผ่านการขัดขวางแบบสเตอริกหรือแรงผลักไฟฟ้าสถิต โดยคงสภาพการนำไฟฟ้าภายในของ CNT ได้อย่างสมบูรณ์แบบ
| วิธีการปรับเปลี่ยน | กลไกการออกฤทธิ์ | ศักยภาพซีต้า (ตัวบ่งชี้ความเสถียร) | การเก็บรักษาการนำไฟฟ้า | จำนวนเงินที่เติมโดยทั่วไป |
|---|---|---|---|---|
| ออกซิเดชันของกรดผสม (โควาเลนต์) | การปลูกถ่ายพื้นผิวของ -COOH, ความชอบน้ำที่รุนแรง | -40 ~ -55 มิลลิโวลต์ (ดีเยี่ยม) | 50% - 70% | ไม่จำเป็นต้องเพิ่มเติมเพิ่มเติม |
| สารลดแรงตึงผิวโมเลกุลขนาดเล็ก (SDS ฯลฯ) | ก่อให้เกิดไมเซลล์ ผลักกัน 2 ชั้น | -30 ~ -45 มิลลิโวลต์ (ดี) | 80% - 90% | 0.5% -2% ของมวล CNT |
| สารช่วยกระจายตัวโพลีเมอร์ (PVP ฯลฯ) | การดูดซับแบบกลุ่มจุดยึด + สิ่งกีดขวางสายโซ่ยาว- | -45 ~ -60 มิลลิโวลต์ (ดีเยี่ยม) | 90% - 98% | 1% -5% ของมวล CNT |
*ข้อมูลอ้างอิง: การวัดความเสถียรในห้องปฏิบัติการของ Shandong Tanfeng New Material สำหรับการกระจายตัวของน้ำ CNT 2 wt% ด้วยตัวดัดแปลงที่ใช้น้ำที่แตกต่างกัน-*
4. ความก้าวหน้าของผู้ผลิต: Shandong Tanfeng จะหลีกหนีจากวงจรมรณะ "การกระจายตัวที่ยากลำบากกับการสูญเสียประสิทธิภาพ" ได้อย่างไร
การเลือกผู้ผลิตแหล่งที่มา เช่น Shandong Tanfeng ที่มี-การปรับเปลี่ยนและการวางแหล่งกำเนิด-ความสามารถในการจ่ายน้ำโดยตรง- CNT เพสต์เป็นทางออกที่ดีที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงต้นทุนการทดลอง-และ-ข้อผิดพลาดในการกระจายตัว-ด้วยตนเอง และรับประกันประสิทธิภาพที่ไม่สูญเสีย
การหาวิธีกระจายท่อนาโนคาร์บอนในน้ำด้วยตัวเองไม่เพียงแต่ต้องอาศัยการลงทุนในอุปกรณ์ขนาดใหญ่และอันตรายจากการบำบัดกรดเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดความผันผวนของผลผลิตในสายการผลิตได้อย่างง่ายดายมากเนื่องจากความไม่เข้ากันของระบบการผสมสูตร ในฐานะผู้ผลิต CNT มืออาชีพ Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. เข้ามาแทรกแซงที่แหล่งที่มา โดยมอบโซลูชัน "พร้อม-ถึง-ขั้นสุดยอด" ให้กับลูกค้า:
ใน-เทคโนโลยีการดัดแปลงที่ชอบน้ำในแหล่งกำเนิด:มณฑลซานตง ตันเฟิง ละทิ้งปฏิกิริยาออกซิเดชันของกรดผสมหลังการบำบัดที่มีการทำลายล้างสูง และแนะนำการควบคุมตัวเร่งปฏิกิริยาที่ชอบน้ำแบบพิเศษในระหว่างขั้นตอนการสังเคราะห์ CVD ส่งผลให้ผนังท่อ CNT มีไมโครพอร์และออกซิเจน-ที่ประกอบด้วยหมู่ขั้วโลกโดยธรรมชาติ ซึ่งช่วยลดมุมสัมผัสระหว่างของแข็ง-ของเหลวลงได้มากกว่า 60% โดยไม่ทำลายโครงสร้างสื่อกระแสไฟฟ้าแบบคอนจูเกต
ไลบรารีเพสต์แบบน้ำ-แบบกำหนดเอง: 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 และไม่มีการตกตะกอนหลังจากการปั่นแยกความเร็วสูง-ที่ 3000 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 30 นาที
การปรับกระบวนการที่ง่ายมาก:การใช้ส่วนผสมที่เป็นน้ำของ Shandong Tanfeng- ช่วยให้ลูกค้าขั้นปลายไม่จำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับโพรบราคาแพงอีกต่อไป การกวนด้วยลมแบบธรรมดาหรือเครื่องกระจายความเร็วต่ำ-สามารถใช้เพื่อเจือจางน้ำได้โดยตรง ช่วยลดเวลาการผสมในสายการผลิตจากหลายชั่วโมงเหลือ 15 นาที
บทสรุป
กลับมาที่คำถามเดิม: จะกระจายท่อนาโนคาร์บอนในน้ำได้อย่างไร การบังคับให้ใช้อัลตราโซนิกทางกายภาพเพื่อแยกพวกมันออกจากกันนั้นไม่ใช่วิธีการที่ถูกต้อง จำเป็นต้องพึ่งพาพลังของการดัดแปลงทางเคมี การแนะนำหมู่ที่ชอบน้ำ หรือการห่อด้วยสารลดแรงตึงผิว เพื่อตัดเส้นทางไปสู่การรวมตัวขั้นทุติยภูมิจากรากทางอุณหพลศาสตร์ อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายในการทดลอง-และ-ข้อผิดพลาดในการสำรวจเส้นทางนี้ด้วยตัวเองนั้นสูงมาก ทางเลือกที่สมเหตุสมผลที่สุดคือการใช้ประโยชน์จากการสะสมทางเทคนิคของผู้ผลิตแหล่งที่มา เช่น Shandong Tanfeng และใช้น้ำพริก-ที่เตรียมไว้ล่วงหน้า-ที่หมักไว้แล้วโดยตรง ให้มืออาชีพทำการดัดแปลงอย่างมืออาชีพ แล้วคุณจะเพลิดเพลินไปกับประสิทธิภาพขั้นสุดยอดจากวัสดุนาโน