微射流均質機在碳納米管分散中應用

單壁碳納米管、多壁碳納米管

• SWCNTs由單層石墨烯構成，直徑幾納米；
• MWCNTs由多層石墨烯組成，直徑可達幾十納米
• 碳納米管的長度從幾微米到幾毫米不等
• 機械性能、電導性和熱導性*

MWCNTs較強的機械性能、熱穩(wěn)定性

• 廣泛應用于能量存儲（如鋰離子電池的電極材料）、復合材料（增強聚合物、金屬和陶瓷）、納米電子學和納米醫(yī)藥等領域。

• 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。管束直徑可達幾十納米，長度可達幾微米。

納米管有效地分散是關鍵技術問題

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

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

超高壓微射流均質機

• 液壓增壓技術，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生超音速微射流
• 超音速微射流物料在特定幾何通道內受到每秒千萬次的物理剪切、對撞、空穴效應
• 急劇壓力降等物理作用力，從而實現納米材料的分散

納米材料分散技術領域關鍵設備

• 國內外的研究表明，超高壓微射流均質機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中的單個單元。

• 超高壓微射流均質機可有效分散碳納米管束，研究表明，處理一個小時后，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)次數的增加，單壁碳納米管的長度和直徑隨之減小，但當循環(huán)次數大于100時，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機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。

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

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

在超高壓微射流均質機的作用下，CNTs可以被細化至納米級粒徑，且分布更加均勻，這對于提升其在復合材料中的增強作用、在電子設備中的導電性以及在能量存儲設備中的電化學性能等方面至關重要。此外，均質過程中粒徑的減小和分散性的增強也有助于提高CNTs的加工性能和應用范圍。

超高壓微射流均質機提供一個均質、穩(wěn)定的物料處理平臺，大大推進了CNTs及其他納米材料在實際工業(yè)應用中的應用潛力和效能，尤其在提高產品的質量和性能方面發(fā)揮著重要作用。