碳纳米管的分散技术及设备

碳纳米管表面缺陷少、缺乏活性基团,在水及各种溶剂中的溶解度都很低;另外,碳纳米管之间存在较强的范德华力,加之它巨大的比表面积和长径比,导致其极易形成团聚或缠绕。

 

如何均匀稳定地分散碳纳米管是亟需解决的关键性问题。当前碳纳米管分散方法主要有机械分散法、表面化学共价修饰分散法和表面活性剂的非共价修饰分散法等。

碳纳米管的机械辅助分散

辅助碳纳米管分散的机械方法主要有机械搅拌、研磨、球磨及超声分散等。机械搅拌是最简单的方法,其主要借助分散溶剂的剪切应力以初步打散碳纳米管宏观粉末,有研究者认为其对于一维碳纳米管的分散效果几乎可以忽略不计。

若对碳纳米管进行球磨处理,可能不同程度地破坏其团簇而促进分散,但球磨会切断碳纳米管、降低其长径比,对物理机械性能有一定影响。对碳纳米管机械性能不作特别要求时,球磨法不失为一种可行的分散方法。例如,有研究者曾利用球磨法将碳纳米管分散后与铝合金复合,所得复合材料的硬度与模量均较传统的铝合金增加了近2倍。

较机械搅拌与球磨而言,超声分散为一种更高效的于溶液中原位分散碳纳米管的方法。超声波能够使溶液中生成的微气泡瞬间爆开,产生高能量的冲击以撞开碳纳米管团簇,同时超声波在溶液中的空化作用可以产生局部高温而破坏碳纳米管两两之间的范德华力,两者联合促进了碳纳米管在溶液中的良好分散。可以通过调节超声振荡的时间和功率来提高碳纳米管的分散性。

 

相对于超声而言依肯(IKN)研磨分散机略胜一筹,超声虽可以冲击撞开碳纳米管团聚情况,但效率比较低,无法放大生产;而IKN研磨分散机就不同了,从实验室小试到工业化生产都可以,而且可以保证小试效果和工业化效果一样,这可是很多厂家都不敢保证的呢!

上海依肯的研磨分散机特别适合于需要研磨分散均质一步到位的物料。研磨分散机为立式分体结构,精密的零部件配合运转平稳,运行噪音在73DB以下。同时采用德国博格曼双端面机械密封,并通冷媒对密封部分进行冷却,把泄露概率降到低,保证机器连续24小时不停机运行。

 

从设备角度来分析,影响分散效果因素有以下几点:

1.研磨头的形式(批次式和连续式)(连续式比批次式要好)

2.研磨头的剪切速率,(越大效果越好)

3.研磨的齿形结构(分为初齿、中齿、细齿、超细齿、越细齿效果越好)

4.物料在分散墙体的停留时间、研磨分散时间(可以看作同等电机,流量越小效果越好)

5.循环次数(越多效果越好,到设备的期限就不能再好了。)

 

线速度的计算:

剪切速率的定义是两表面之间液体层的相对速率。

剪切速率 (s-1) =      v  速率 (m/s)   
               g 定-转子 间距 (m)

由上可知,剪切速率取决于以下因素:

转子的线速率

在这种请况下两表面间的距离为转子-定子 间距。 
IKN 定-转子的间距范围为 0.2 ~ 0.4 mm  

速率V=  3.14 X  D(转子直径)X 转速 RPM  /   60

 所以转速和分散头结构是影响分散的一个zui重要因素,研磨分散机的高转速和剪切率对于获得超细微悬浮液是zui重要的

很多研究人员在研究碳纳米管分散的同时也尝试运用各种方法来评价碳纳米管分散的效果。以下是各种方法的简介:

(1)应用傅里叶变换红外光谱研究发现加入表面活性剂分散后,碳纳米管的红外特征曲线会出现和表面活性剂相同位置的吸收峰,证明表面活性剂确实吸附到碳纳米管表面。

(2)用红外光谱来表征纯化前后碳纳米管表面官能团的变化。而拉曼光谱被用来分析表面活性剂是否与碳纳米管发生反应。

(3)用离心的方法来表征碳纳米管分散液,根据离心出现明显分层现象的时间长短来判断碳纳米管分散的均匀性和稳定性,有研究者认为分散效果差的碳纳米管分散液中,成束状的碳纳米管数量多,在离心力的作用下,碳纳米管束沉降,造成溶液分层。

(4)采用紫外-可见分光光度计测定碳纳米管分散液的浓度,在碳纳米管特征吸收波长处,将制得的碳纳米管分散液稀释一定的倍数,测量稀释液的吸光度,然后与标准曲线对比,从而做到快速检测碳纳米管在分散液中的浓度。

(5)通过测定分散前后碳纳米管表面Zeta电位的变化来判断分散液的稳定性。由于静电排斥力作用,碳纳米管表面带电量绝对值越大,其发生团聚的可能性就越小,悬浮液就越稳定。

上海依肯机械设备有限公司是一家中德合作经营企业,依肯通过引进德国IKN技术和科学管理模式,形成了完整的研发、制造及营销体系。她保持与全球的混合乳化技术同步,同时拥有一流的技术研究人才和生产能力,为中国及全球提供多元化的产品及技术服务。“追求卓越品质”是依肯公司是的宗旨。“成功源自创新”亦是公司全体员工一直努力追随的目标。