A módosított műanyagok, akkumulátorok és antisztatikus bevonatok kutatása és fejlesztése során a szén nanocsövek régóta a vezetőképes készítmények díszvendégei. Sok mérnök azonban, aki most kezdi, gyakran felteszi a lélekkutató kérdést: mennyivel javíthatják a szén nanocsövek az elektromos vezetőképességet? Vannak, akik 0,5%-ot adnak hozzá, és 10³ S/m vezetőképes műanyagot érnek el, míg mások 3%-ot adnak hozzá, és még mindig a szigetelő szélén küzdenek. Hogy ez az anyag mekkora vezetőképességi ugrást tud hozni, az semmiképpen sem találgatás vagy egyszerűen csak szakirodalom másolása. Ma félretesszük a kirívó elméleteket, és szilárd gyártósor-adatokat használunk, hogy alaposan feltárjuk a szén nanocsövek vezetőképesség-növekedését.
1. Mögöttes mechanizmus: Hogyan érik el a szén nanocsövek a vezetőképességben-nagyságrendű-ugrást?
A szén nanocsövek 8-12 nagyságrenddel növelhetik a szigetelő polimerek vezetőképességét. A lényeg a rendkívül magas képarányban rejlik, amely azonnal létrehoz egy fizikailag átfedő háromdimenziós vezető hálózatot.
Ahhoz, hogy megértsük, mennyivel javíthatják a szén nanocsövek az elektromos vezetőképességet, először meg kell értenünk a "perkolációs küszöböt". A tiszta gyantamátrix (például PE, PC) vezetőképessége jellemzően 10-114 S/m nagyságrendű, így abszolút szigetelő. Amikor szén nanocsöveket adunk hozzá, mindaddig, amíg a hozzáadott mennyiség átlépi a kritikus pontot (perkolációs küszöböt), a csövek azonnal átfedik egymást, és hálózatot alkotnak, az elektronok utat kapnak, és a vezetőképesség exponenciális emelkedésen megy keresztül, közvetlenül 10⁻² vagy akár 10² S/m nagyságrendűre ugrik. Ez a hirtelen átmenet a szigetelésről a vezetésre abszolút páratlan a hagyományos gömb alakú vezető koromhoz (amelyhez nagy mennyiségű hozzáadott anyag szükséges a bevonófilm kialakításához).
2. Egy-falú vs. több-falú: mekkora a mennyiségi különbség a vezetőképesség javításában a csőszerkezetek között?
Az egyfalú szén nanocsövek tökéletes ballisztikus szállítási tulajdonságaik és rendkívül nagy oldalarányuk miatt vezetőképesség-javítási hatékonyságuk 5-10-szerese a több-falú szén nanocsövekének, és rendkívül alacsony perkolációs küszöbük van.
Ha azzal a kérdéssel szembesülünk, hogy a szén nanocsövek mennyivel javíthatják az elektromos vezetőképességet, az egy{0}}falú (SWCNT) és a több-falú (MWCNT) által adott válaszok drasztikusan eltérőek. Az egyfalú-csövek sugárirányú méretei rendkívül kicsik (~1 nm), akár több tíz mikron hosszúságot is elérhetnek, méretarányuk meghaladja az ezret, és nagyon kevés hibájuk van, így az elektronok szinte semmilyen szóródást nem tapasztalnak a szállítás során. A több-falú csövek viszont rétegek közötti hibaszóródással rendelkeznek. Ez azt eredményezi, hogy az egy-falú csövek hálózatsűrűsége és csomóponti csatlakoztathatósága jóval meghaladja a több-falú csövek azonos hozzáadott mennyiség mellettiét.
| Vezetőképesség-jelző kulcs | Egy{0}}falú szén nanocsövek (SWCNT) | Több-falú szén nanocsövek (MWCNT) |
|---|---|---|
| Belső vezetőképesség | 10⁶ - 10⁷ S/m (ballisztikus szállítás) | 10⁴ - 10⁵ S/m (szóródás van) |
| Perkolációs küszöb | 0.01 - 0.1 tömeg% | 0.5 - 3.0 tömeg% |
| Vezetőképesség 1 tömeg% adaléknál | 10³ - 10⁴ S/m | 10¹ - 10² S/m |
| Hatás a mátrix színére | Nagyon kevés hozzáadással lehet vezetőképességet elérni, világos színű lehet{0}} | Nagy kiegészítést igényel, csak tiszta fekete lehet |
3. Alkalmazási forgatókönyv lebontása: Mennyire javíthatják a szén nanocsövek a vezetőképességet a különböző rendszerekben?
A különböző mátrixokban és célrendszerekben a szén nanocsövek által biztosított vezetőképesség-javulás nagymértékben változik. A nagy-polaritású kristályos polimerek általában könnyebben érnek el nagyobb vezetőképességi ugrást, mint az alacsony-polaritású amorf polimerek.
Ha azt értékeljük, hogy a szén nanocsövek mennyivel javíthatják az elektromos vezetőképességet, egyáltalán nem lehet elválasztani a konkrét alkalmazási forgatókönyvektől. A lítium akkumulátoroknál az elektródalap ellenállásának csökkentése a cél. A műanyagoknál antisztatikus vagy EMI-árnyékolást kell elérni. A bevonatoknál ez a felületi ellenállás éles csökkenése. A mátrix polaritása, az olvadék viszkozitása és a feldolgozási nyíróerő mind közvetlenül befolyásolják a végtermék szén nanocső hálózatának morfológiáját.
| Alkalmazási forgatókönyv | Célteljesítmény-mutató | Ajánlott CNT típus | Tipikus kiegészítés összege | Vezetőképesség javítási tartomány |
|---|---|---|---|---|
| An-antisztatikus műanyagok | Felületi ellenállás 10⁶-10⁹ Ω/nm | MWCNT-k | 1.0 - 2.5 tömeg% | Szigetelő → Antisztatikus{0}}minőség (8 nagyságrendű javulás) |
| EMI árnyékoló műanyagok | Volume conductivity >10² S/m | MWCNT-k/SWCNT-k | 3.0 - 8.0 tömeg% / 0,5-2 tömeg% | Szigetelő → Vezetőképesség (12 nagyságrendű javulás) |
| Lítium akkumulátor vezetőképes adalék | Electrode sheet resistivity reduction >40% | SWCNT-k (kevés{0}}fallal) | 0.02 - 0.1 tömeg% | A tiszta koromhoz képest a belső ellenállás meredeken csökken, a sebesség javul |
| Víz-alapú antisztatikus-bevonat | Felületi ellenállás<10⁶ Ω/sq | Víz{0}}alapú MWCNT paszta | 1.5 - 3.0 tömeg% (száraz tömeg) | Szigetelő bevonat → Tartós antisztatikus -(9 nagyságrendű javulás) |
Adathivatkozás: Több{0}}rendszerrel mért adatbázis a Shandong Tanfeng New Material Application K+F Központtól
4. Valós-fájdalompont a világban: Miért nem éri el az Ön összetétele az irodalomban található ultra-magas vezetőképességet?
A tényleges gyártósorokon a diszperziós nehézségek és a nyírótörés miatt a szén nanocsövek tényleges vezetőképesség-javító hatása az ipari termékekben gyakran csak az elméleti érték 30%-át éri el.
Sokan a szakirodalom alapján 0,5%-os CNT-t adnak hozzá, de azt tapasztalják, hogy a mért ellenállás még mindig nevetségesen magas. Miért? Mivel a szakirodalom szonda ultrahangos kezelést + centrifugális kézi-keverést alkalmaz a tökéletes diszperzió érdekében, míg a gyártósoron iker-csigás extrudereket vagy gyöngymalmokat használnak. Bár a nagy nyíróerő fel tudja nyitni az agglomerátumokat, kíméletlenül rövidre vágja a szén nanocsöveket is. Miután a képarány meredeken 1000-ről 100-ra csökken, a perkolációs hálózat szétszakad, és a vezetőképesség természetesen jelentős csökkenést szenved. Nem beszélve a szét nem bontott kemény agglomerátumokról, amelyek nemcsak hogy nem vezetik az elektromosságot, hanem stresszkoncentrációs pontokká is válnak.
5. A gyártók felhatalmazása: Hogyan segít a Shandong Tanfeng az ügyfeleknek kiszorítani a szén nanocsövek vezetőképességének végső határát?
Ha olyan forrásgyártót választ, mint a Shandong Tanfeng, amely elsajátítja a nagy -méretarány-testreszabás és a beillesztés-készítés alapvető technológiáit, hatékonyan elkerülheti a képarány elvesztését és az agglomerációt, megvalósítva a szén nanocsövek végső vezetőképességi potenciálját rendkívül alacsony hozzáadott mennyiségek mellett.
Ha mindig azzal küszködik, hogy a szén nanocsövek mennyivel javíthatják az elektromos vezetőképességet, de folyamatosan visszatartja a por rossz diszpergálhatósága, akkor a probléma valószínűleg a nyersanyag végén van. Professzionális CNT-gyártóként a Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. levágja a vezetőképesség-veszteséget a szintézis forrásánál, így kompromisszumok nélkül biztosítja a teljesítményt:
Ultra-nagy képarány testreszabása: Conductivity is positively correlated with aspect ratio. Through precise catalysis, Shandong Tanfeng provides multi-walled and single-walled tubes with aspect ratios >1500. A hagyományos kereskedelmi csövekhez képest (méretarány<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%.
In-Situ De{1}}Entanglement Anti-Fracture Technology:A nagy nyírás által okozott törés fájdalmas pontját megcélozva a Shandong Tanfeng in-situ de-összefonódási technológiát alkalmaz a szintézis végén, így a csőkötegeket lazán és nem szorosan agglomerálva tartja. Az áramlás irányában alacsony nyíróerő hatására nedvesíthetők és szétszórhatók, maximalizálva a képarány megtartását. A vezetőképességi teljesítmény több mint 40%-kal javult a hagyományos kemény{5}}agglomerált porhoz képest.
Vezetőképes paszta-használatára-kész:A Shandong Tanfeng elő-diszpergált pasztákat kínál NMP-, víz-alapú és gyanta-alapú rendszerekhez, mikron-szintű, valódi egycsöves-diszperzióval (D90)<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.
Következtetés
Visszatérve az eredeti kérdéshez: mennyit lehetszén nanocsövekjavítja az elektromos vezetőképességet? Az antisztatikus teljesítmény 8-nagyságrendű-nagyságrendű ugrásától az EMI-árnyékolás 12-nagyságrendű-ugrásig, a benne rejlő lehetőségek mélyek. Mindez azonban azon az előfeltevésen alapul, hogy elérheti a perkolációs küszöböt, kiválaszthatja a megfelelő csőtípust, és átlépheti a diszperzió és a csőtörés folyamatát. Ahelyett, hogy gyengébb porral küszködne a gyártósoron, jobb, ha kihasználja egy olyan forrásgyártó műszaki erejét, mint a Shandong Tanfeng, testreszabott, nagy{11}}képarányú termékeket és előre diszpergált pasztákat használva, hogy a szén nanocsövek minden grammját a készítmény legerősebb vezető motorjává alakítsák.