微射流均質(zhì)機(jī)在石墨材料中的應(yīng)用

石墨烯是 21 世紀(jì)的戰(zhàn)略性新興材料，是目前已知的最硬、最薄的材料，具有較高的電子遷移率、熱導(dǎo)系數(shù)以及能承載非常高的電流密度。在電子信息、能源、功能材料、生物醫(yī)藥、航空航天、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域有重要的潛在應(yīng)用前景。

材料結(jié)構(gòu)

石墨烯具有單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由以雜化連接緊密堆積的碳原子組成的。理論比表面積高達(dá)。

氧化石墨烯是石墨烯的一種重要衍生物,結(jié)構(gòu)中含有大量的褶皺孔穴和較大的比表面積，還含有很多含氧基團(tuán)，如羥基、羧基和環(huán)氧基等，所以氧化石墨烯具有良好的親水性，這些含氧基團(tuán)也為氧化石墨烯的功能化提供了大量接觸點(diǎn)。

石墨是由石墨烯一層層疊起來(lái)。在晶體中同層碳原子間以雜化形成共價(jià)鍵，每個(gè)碳原子與另外三個(gè)碳原子相聯(lián)，六個(gè)碳原子在同一平面上形成正六邊形的環(huán)，伸展形成片層結(jié)構(gòu)。

碳納米管是由石墨烯片同軸卷曲而成的新型納米碳材料，按照石墨烯片層數(shù)不同，可分成單壁碳納米管和多壁碳納米管。長(zhǎng)度在幾微米到數(shù)毫米之間，長(zhǎng)徑比一般在1 000 以上。直徑是幾納米，上萬(wàn)根納米管才有一根頭發(fā)粗。

碳納米管在鋰電池中的應(yīng)用

碳納米管作為一種結(jié)構(gòu)特殊的新型碳材料，具有優(yōu)異的機(jī)械性能和電化學(xué)性能。在鋰電池的應(yīng)用中，碳納米管作為導(dǎo)電劑時(shí)，其特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能夠有效地連接更多的活性物質(zhì)，出色的電導(dǎo)率也可以大幅降低阻抗。此外，較大長(zhǎng)徑比的碳納米管具有更大的比表面積，只需很少的添加量便足以在電極內(nèi)組建高效的三維高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并達(dá)到提升電池能量密度的目標(biāo)。

碳納米管團(tuán)聚

碳納米管團(tuán)聚的原因主要有兩種，分別是納米顆粒間的團(tuán)聚效應(yīng)和一維材料間的纏繞團(tuán)聚現(xiàn)象。前者指的是當(dāng)顆粒材料達(dá)到納米尺寸其團(tuán)聚效應(yīng)顯著增加，團(tuán)聚體內(nèi)顆粒的相互吸引力也明顯增大，從而導(dǎo)致碳管難以分散；后者指的是由于碳納米管較大的長(zhǎng)徑比容易糾纏粘結(jié)在一起，形成很大的團(tuán)聚體。

碳納米管的分散機(jī)理

根據(jù)碳納米管團(tuán)聚的原因分析，要想得到均勻分散的碳納米管必須同時(shí)滿足3個(gè)條件:破壞長(zhǎng)纖維糾纏粘結(jié)狀態(tài)、克服團(tuán)聚體強(qiáng)吸附力、穩(wěn)定碳納米管分散狀態(tài)。

• 破壞長(zhǎng)纖維糾纏粘結(jié)狀態(tài)碳納米管壁上有很多缺陷，通過(guò)物理或化學(xué)作用可以從缺陷處斷開(kāi)碳納米管，把碳納米管剪短，從而去除長(zhǎng)纖維糾纏粘結(jié)狀態(tài)。
• 克服團(tuán)聚體的強(qiáng)吸附力通過(guò)機(jī)械攪拌和研磨等方法，可以克服團(tuán)聚體的強(qiáng)吸附力，使碳納米管團(tuán)聚體分散開(kāi)。
• 穩(wěn)定碳納米管分散狀態(tài)選擇合適的介質(zhì)可以穩(wěn)定碳納米管分散狀態(tài)。

碳納米管的分散方法

從團(tuán)聚機(jī)理出發(fā)，目前主流的分散方法都需要同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：

• 破壞碳管糾纏粘結(jié)狀態(tài)一般使用物理或化學(xué)的方法，從而去除碳管糾纏粘結(jié)狀態(tài)。常見(jiàn)的分散方法有微射流均質(zhì)、超高壓均質(zhì)、機(jī)械攪拌與研磨法、高能球磨法、超聲波處理法等方法。
• 克服團(tuán)聚體之間的強(qiáng)吸附力通過(guò)添加合適的分散劑，可以使碳納米管團(tuán)聚體分散開(kāi)。

微射流均質(zhì)機(jī)

微射流均質(zhì)機(jī)是一種通過(guò)電氣控制的液壓站內(nèi)的液壓油來(lái)給液壓缸加壓，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)柱塞進(jìn)行正位移的、往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)單向閥的作用，柱塞給物料加壓，加壓后的物料通過(guò)一個(gè)特別設(shè)計(jì)的微孔工作噴腔，液體通過(guò)不同微米孔徑的噴腔會(huì)形成不同的均質(zhì)壓力，超高的液體流速形成的高剪切力和撞擊力，對(duì)通過(guò)的物料進(jìn)行連續(xù)的微?；饔玫臋C(jī)器。

工作原理

物料流經(jīng)單向閥后，在高壓腔泵里加壓，通過(guò)微米級(jí)的噴嘴，以亞音速撞擊在乳化腔上，同時(shí)通過(guò)強(qiáng)烈的空穴，剪切效應(yīng)，得到足夠小而均一的粒徑分布。

具體案例

氧化石墨烯

氧化石墨烯，固含量5%，為解決氧化石墨烯本身粘稠度問(wèn)題，高剪切預(yù)處理后，采用諾澤流體科技有限公司的MINI型的微射流均質(zhì)機(jī)而進(jìn)行的均質(zhì)分散過(guò)程。

10000psi的均質(zhì)壓力，循環(huán)處理三遍后，氧化石墨烯流動(dòng)性明顯改善，且能很好的分散石墨烯碳層。

碳納米管

為解決碳納米管團(tuán)聚纏繞的狀態(tài)，采用諾澤流體科技有限公司的MINI型的微射流均質(zhì)機(jī)而進(jìn)行的均質(zhì)分散過(guò)程。

10000psi的均質(zhì)壓力，循環(huán)處理三遍后，碳納米管宏觀表現(xiàn)仍有明顯的條帶狀，表明仍未解團(tuán)聚。

采用30000psi的均質(zhì)壓力，循環(huán)處理六遍后，碳納米管宏觀表現(xiàn)流動(dòng)性較好，且靜置后表面成光滑狀態(tài)，表明團(tuán)聚已分散開(kāi)來(lái)。

碳納米管在微射流均質(zhì)機(jī)處理前后的物料性狀對(duì)比。

參考資料

1. //石墨烯在防腐涂料中的應(yīng)用分析及展望
2. //碳納米管超細(xì)粉碎分級(jí)的特性研究
3. //（圖片來(lái)源：劉開(kāi)輝 等，《石墨烯的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)》，華東理工大學(xué)出版社，2020.10
4. sohu/a/227348176_99919252