微射流均質(zhì)機(jī)在碳納米管分散中應(yīng)用

單壁碳納米管、多壁碳納米管

• SWCNTs由單層石墨烯構(gòu)成，直徑幾納米；
• MWCNTs由多層石墨烯組成，直徑可達(dá)幾十納米
• 碳納米管的長度從幾微米到幾毫米不等
• 機(jī)械性能、電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性*

MWCNTs較強(qiáng)的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性

• 廣泛應(yīng)用于能量存儲(chǔ)（如鋰離子電池的電極材料）、復(fù)合材料（增強(qiáng)聚合物、金屬和陶瓷）、納米電子學(xué)和納米醫(yī)藥等領(lǐng)域。

• 碳納米管的高縱橫比和相互間的范德華力作用，無法避免其纏繞從而形成管束體。管束直徑可達(dá)幾十納米，長度可達(dá)幾微米。

納米管有效地分散是關(guān)鍵技術(shù)問題

通常，利用機(jī)械力（如超聲處理、球磨和超高壓微射流均質(zhì)機(jī)）可將液體介質(zhì)中的管束分散成為獨(dú)立的碳納米管單元。

• 超聲分散僅僅適用于小體積（15-20 mL）的處理，但通常需要30分鐘至幾個(gè)小時(shí)
• 不適用于工業(yè)生產(chǎn)和大規(guī)模碳納米管的分散體。
• 球磨法嚴(yán)重破壞碳納米管的表面并產(chǎn)生碳納米管碎片。

超高壓微射流均質(zhì)機(jī)

• 液壓增壓技術(shù)，在柱塞泵的作用下將液體或固液混懸物料增壓
• 被增壓的物料，射向具有固定幾何形狀的金剛石微通道并產(chǎn)生超音速微射流
• 超音速微射流物料在特定幾何通道內(nèi)受到每秒千萬次的物理剪切、對撞、空穴效應(yīng)
• 急劇壓力降等物理作用力，從而實(shí)現(xiàn)納米材料的分散

納米材料分散技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵設(shè)備

• 國內(nèi)外的研究表明，超高壓微射流均質(zhì)機(jī)工藝能夠有效分散多壁碳納米管（MWCNT）束利用湍流剪切力可將其解聚為分散在液體介質(zhì)中的單個(gè)單元。

• 超高壓微射流均質(zhì)機(jī)可有效分散碳納米管束，研究表明，處理一個(gè)小時(shí)后，可獲得平均長度為700 nm，平均直徑為20 nm的單壁碳納米管。

• 隨著循環(huán)次數(shù)的增加，單壁碳納米管的長度和直徑隨之減小，但當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于100時(shí)，單壁碳納米管的直徑可穩(wěn)定在20 nm。

• Azoubel、Magdassi和Zhang等人分別使用微射流均質(zhì)機(jī)成功地制備了多壁碳納米管和單壁碳納米管的穩(wěn)定水分散體。

• Silvera-Batista等人在剪切速率為∼4000 s−1下獲得了單壁碳納米管的穩(wěn)定分散體。

長纖維糾纏粘結(jié)狀態(tài)碳納米管壁上有很多缺陷，超高壓微射流均質(zhì)機(jī)利用高壓力將物料通過微細(xì)的噴嘴或通道，形成高速流動(dòng)。

這一過程中的物理作用力，如剪切力、沖擊力和空穴效應(yīng)，能夠從缺陷處有效地打散CNTs的團(tuán)聚體，從而獲得均勻分散的納米管懸浮液。

在超高壓微射流均質(zhì)機(jī)的作用下，CNTs可以被細(xì)化至納米級(jí)粒徑，且分布更加均勻，這對于提升其在復(fù)合材料中的增強(qiáng)作用、在電子設(shè)備中的導(dǎo)電性以及在能量存儲(chǔ)設(shè)備中的電化學(xué)性能等方面至關(guān)重要。此外，均質(zhì)過程中粒徑的減小和分散性的增強(qiáng)也有助于提高CNTs的加工性能和應(yīng)用范圍。

超高壓微射流均質(zhì)機(jī)提供一個(gè)均質(zhì)、穩(wěn)定的物料處理平臺(tái)，大大推進(jìn)了CNTs及其他納米材料在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用潛力和效能，尤其在提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能方面發(fā)揮著重要作用。