Kohlenstoffnanoröhren-Additive: Dispersion, Dosierung und reale Anwendungsfälle

Kohlenstoffnanoröhren-Additive erhalten selten die Anerkennung, die sie verdienen. Ein Bruchteil eines Prozents gut verteilter mehrwandiger Röhren kann ein isolierendes Polymer in einen statisch ableitenden Teil verwandeln, einer Lithium-Ionen-Kathode die bisher fehlenden Elektronenbahnen verleihen oder einen Haarriss in einer Betonplatte zusammenhalten. Die gleichen Röhrchen, schlecht verteilt, bewirken überhaupt nichts, außer die Rechnung aufzublähen und den Sicherheitspapierkram zu erschweren.

Wir arbeiten an der flüssigen Seite dieses Problems. LETD baut seit 2009 in Deqing ionische Flüssigkeiten und funktionelle Additive, und ein Großteil der Fragen, die wir stellen, haben auf den ersten Blick nichts mit unseren eigenen Produkten zu tun: Sie beginnen mit einem Kunden, der ein Fass mit Nanoröhrenpaste in der Hand hält, die nicht austrocknet, oder mit einem Compounder, dessen Oberflächenwiderstand von Charge zu Charge schwankt. Dieser Artikel ist eine praktische Landkarte des Themas, geschrieben so, wie wir es an einer Tabelle erklären würden.

Was zählt als Kohlenstoffnanoröhren-Additiv?

Der Ausdruck deckt verschiedene Dinge ab, und ihre Verwechslung sorgt in frühen Projektbesprechungen für die meiste Verwirrung. Chemisch gesehen handelt es sich bei den beiden Familien um einwandige Röhren (SWCNTs), bei denen es sich um eine aufgerollte Graphenschicht handelt und die sich fast wie ein Spezialelektronikmaterial verhalten, und um mehrwandige Röhren (MWCNTs), bei denen es sich um verschachtelte Zylinder handelt, die den größten Teil des industriellen Volumens enthalten, da der Preis pro Kilogramm im Maßstab sinnvoll ist.

Kommerziell handelt es sich bei dem, was Sie kaufen, selten um reines Pulver:

• Pulverförmiges oder flockiges Aggregat — günstigstes pro Kilogramm, am schwierigsten zu handhaben und die Form, die am anfälligsten für Staubbelastung ist.
• Masterbatch – Zu einem Trägerharzpellet vorcompoundierte Röhrchen, praktisch für Extrusion und Spritzguss.
• Pastöse oder flüssige Dispersion — Rohre, die bereits in einem Lösungsmittel, Weichmacher oder Reaktivverdünner angefeuchtet sind und zum Ablassen bereit sind.
• Funktionalisierte oder dotierte Röhren – Hinzugefügte Oberflächenchemie zur Verbesserung der Kompatibilität mit einer bestimmten Matrix.

Jedes Formular weist eine andere Kostenkurve auf. Ein Masterbatch erspart Ihnen einen Extrusionsschritt; Eine flüssige Dispersion erspart Ihnen den Dispergierschritt, der normalerweise teuer ist.

Streuung ist das ganze Spiel

Rohre ziehen sich entlang ihrer Länge durch Van-der-Waals-Kräfte gegenseitig an und kommen in Bündeln an. Jedes Bündel ist ein Defekt: Die äußeren Röhren schirmen die inneren ab, die Schnittstelle zwischen Bündel und Matrix ist schwach und das effektive Seitenverhältnis bricht zusammen. Sie haben für einen Füllstoff mit hohem Aspektverhältnis bezahlt und kugelförmige Agglomerate erhalten.

Drei Hebel steuern das Ergebnis. Der erste ist der Energieeintrag – Kalandrieren, Mischen mit hoher Scherung oder Ultraschallbehandlung, jeweils mit einer Obergrenze, ab der Sie anfangen, die Rohre kürzer zu schneiden, als Sie möchten. Das zweite ist die Chemie: ein Benetzungssystem, dessen Oberflächenenergie mit der Rohroberfläche übereinstimmt, so dass die Flüssigkeit durch Dochtwirkung in das Bündel eindringt und nicht an der Außenseite des Bündels verbleibt. Der dritte Punkt sind Viskosität und Zeit, denn ein niedrigviskoser Träger, der über das Mischfenster hinweg niedrigviskos bleibt, dispergiert weitaus besser als ein System, das in den ersten zehn Minuten geliert.

Hier verdienen ionische Flüssigkeiten und maßgeschneiderte Additivflüssigkeiten ihren Platz. Viele von ihnen sind thermisch stabil, im Wesentlichen nichtflüchtig und über einen weiten Polaritätsbereich durch Austausch von Kationen und Anionen einstellbar, sodass ein Formulierer das Benetzungsverhalten für ein bestimmtes Harz oder eine bestimmte Aufschlämmung einstellen kann, ohne ein flüchtiges Lösungsmittel hinzuzufügen, das später entfernt werden muss. Wenn Ihre Matrix polar ist und Ihre Röhren nicht, lohnt es sich, diese Diskrepanz im Flüssigkeitsstadium zu lösen, anstatt sie im Extruder zu bekämpfen.

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Wo Kohlenstoffnanoröhren-Additive ihren Lebensunterhalt verdienen

Die folgenden Anwendungen sind diejenigen, die bei ernsthafter Entwicklungsarbeit am häufigsten auftauchen. Die Belastungen sind Richtwerte für einen ersten Versuch, keine Spezifikationen.

Leitfähige Kunststoffe und antistatische Verbindungen

Bei Thermoplasten geht es in der Regel nicht um echte Leitfähigkeit, sondern um eine kontrollierte Dissipation – einen Oberflächenwiderstand irgendwo zwischen 10 ⁶ und 10 ⁹ Ohm pro Quadrat, genug, um den Ladungsaufbau auf einem Gehäuse, einer Förderbandkomponente oder einem Bandträger zu verhindern. Die Rohre erreichen dieses Fenster mit einem Bruchteil der Menge an Ruß, die benötigt wird, was wichtig ist, weil jedes Prozent Füllstoff ein Prozent an Zähigkeit ist, die Sie zurückgeben.

Die praktische Schwierigkeit besteht darin, dass Nanoröhren und herkömmliche antistatische Chemikalien auf unterschiedlichen Mechanismen wirken. Röhren bilden ein versickerndes Netzwerk; Ionische Antistatika wandern an die Oberfläche und nehmen Feuchtigkeit auf. Zusammen können sie sich ergänzen – das Netzwerk sorgt für einen Boden, der nicht von der Luftfeuchtigkeit abhängig ist, während die ionische Komponente das letzte Jahrzehnt des spezifischen Widerstands ausgleicht. Bei unachtsamer Anwendung können die ionischen Spezies das Netzwerk stören oder aus dem Teil ausblühen. Unser Seiten zur Anwendung von Antistatikmitteln Behandeln Sie das Migrationsverhalten ausführlicher und es lohnt sich, sie zu lesen, bevor Sie sich auf einen Ladevorgang festlegen.

Bewerbung Products Section and Company Overview Diese Seite mit Anwendungsprodukten bietet Hintergrundinformationen zum Unternehmen, jedoch keine spezifischen Modelle oder Spezifikationen. Konsultieren Sie sie daher hauptsächlich für den Lieferantenkontext und nicht für die Produktauswahl. Produkt anzeigen →

Batterieelektroden und Elektrolyte

In einer Lithium-Ionen-Elektrode fungieren Kohlenstoffnanoröhren neben oder anstelle von Ruß als leitfähiger Zusatzstoff und bilden weitreichende Brücken zwischen aktiven Partikeln. Bei einem hohen Nickelgehalt oder in dicken Elektroden ist dieses weitreichende Netzwerk wichtiger als ein Punkt-zu-Punkt-Kontakt und kann den Bindemittelgehalt reduzieren, der erforderlich ist, um die Beschichtung intakt zu halten. Die Nachteile liegen in der Rheologie der Aufschlämmung und in der Tatsache, dass sich Röhrchen in einer Formulierung, die bereits viele Feststoffe enthält, nur schwer dispergieren lassen.

Auf der Elektrolytseite ist der Zusammenhang indirekt, aber real. Ionische Flüssigkeitszusätze werden verwendet, um zu modifizieren, was an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt geschieht, und jede Änderung dort wirkt sich auf die Art und Weise aus, wie das leitfähige Netzwerk benetzt wird. Formulierer, die die beiden als getrennte Projekte behandeln, stellen häufig fest, dass sie die Aufschlämmung nach dem Elektrolytwechsel neu abstimmen müssen. Wenn Sie Hintergrundinformationen zur flüssigen Chemie selbst wünschen, lesen Sie unsere kurze Einführung wie ionische Flüssigkeiten in elektrochemischen Systemen funktionieren ist ein vernünftiger Ausgangspunkt.

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Beton, Beschichtungen und Verbundteile

Bei zementären Verbundwerkstoffen werden sehr geringe Dosen verwendet – ein Zehntelprozent oder weniger des Zementgewichts –, um das Biegeverhalten zu verbessern und genügend Leitfähigkeit für die Rissselbstüberwachung oder den kathodischen Schutz bereitzustellen. Die Herausforderung bei der Dispersion ist groß, da das Mischwasser mit Ionen angereichert ist, die das Tensid abschirmen, das Sie zur Stabilisierung der Röhrchen verwendet haben.

Bei Beschichtungen und gedruckter Elektronik liegt die Schwierigkeit in der Schichtdicke. Für die Perkolation in einem 10-Mikron-Film ist ein Netzwerk erforderlich, das das Trocknen und Aushärten ohne Entnetzung übersteht. Vordispergierte Pasten mit einem kompatiblen Träger sind normalerweise der einzige Weg, der zuverlässig funktioniert, und die Wahl des Trägers kann wichtiger sein als die Tubenspezifikation. Bei der additiven Fertigung werden PLA, PETG und ABS Röhrchen hinzugefügt, um den Modul zu erhöhen und die Leitfähigkeit zu erhöhen, mit der gleichen Einschränkung: Der Druckkopf ist ein hervorragender Detektor für Agglomerate.

Eine praktische Checkliste vor dem Skalieren

Die Lücke zwischen einem guten Laborergebnis und einer wiederholbaren Produktionscharge ist in der Regel eher auf Papierkram und Disziplin als auf Chemie zurückzuführen. Fragen, die wir vor einem Versuch im Tonnenmaßstab beantworten möchten:

1. Was ist die Zielspezifikation – Oberflächenwiderstand, Elektrodenwiderstand, Biegefestigkeit – und wie wird sie gemessen?
2. Welcher Dispersionsweg ist in Ihrer Leitung verfügbar und welche Scherenergie kann er tatsächlich liefern?
3. Welche Trägerflüssigkeit ist mit der Matrix kompatibel und muss sie später entfernt werden?
4. Wie überprüfen Sie die Dispersionsqualität und bei welcher Abtastfrequenz?
5. Welche Staubhandhabungs- und Eindämmungsanforderungen gelten für die Pulverform, die Sie in Betracht ziehen?
6. Mit welcher Referenzcharge werden Sie vergleichen, wenn die dritte Produktionscharge eintrifft?

Es hilft, darüber zu reden

Die meisten Projekte, die wir sehen, scheitern nicht an der Nanoröhrenspezifikation. Sie versagen irgendwo in der Benetzungsphase oder in einem Träger, der eher wegen des Preises als aufgrund der Kompatibilität ausgewählt wurde. Wenn Sie an einem Dispersionsproblem arbeiten oder eine abstimmbare Flüssigkeitsphase benötigen, die sich vom Laborbecher bis zum Reaktor vorhersehbar verhält, schaut sich unser Team gerne Ihre Formulierung an und sagt Ihnen ehrlich, ob die Chemie ionischer Flüssigkeiten für sie relevant ist – und wenn nicht, werden wir es sagen.