微射流均质机在碳纳米管分散中应用

单壁碳纳米管、多壁碳纳米管

• SWCNTs由单层石墨烯构成，直径几纳米；
• MWCNTs由多层石墨烯组成，直径可达几十纳米
• 碳纳米管的长度从几微米到几毫米不等
• 机械性能、电导性和热导性优越

MWCNTs较强的机械性能、热稳定性

• 广泛应用于能量存储（如锂离子电池的电极材料）、复合材料（增强聚合物、金属和陶瓷）、纳米电子学和纳米医药等领域。
• 碳纳米管的高纵横比和相互间的范德华力作用，无法避免其缠绕从而形成管束体。管束直径可达几十纳米，长度可达几微米。

纳米管有效地分散是关键技术问题

通常，利用机械力（如超声处理、球磨和超高压微射流均质机）可将液体介质中的管束分散成为独立的碳纳米管单元。

• 超声分散仅仅适用于小体积（15-20 mL）的处理，但通常需要30分钟至几个小时
• 不适用于工业生产和大规模碳纳米管的分散体。
• 球磨法严重破坏碳纳米管的表面并产生碳纳米管碎片。

超高压微射流均质机

• 液压增压技术，在柱塞泵的作用下将液体或固液混悬物料增压
• 被增压的物料，射向具有固定几何形状的金刚石微通道并产生超音速微射流
• 超音速微射流物料在特定几何通道内受到每秒千万次的物理剪切、对撞、空穴效应
• 急剧压力降等物理作用力，从而实现纳米材料的分散

纳米材料分散技术领域关键设备

• 国内外的研究表明，超高压微射流均质机工艺能够有效分散多壁碳纳米管（MWCNT）束利用湍流剪切力可将其解聚为分散在液体介质中的单个单元。
• 超高压微射流均质机可有效分散碳纳米管束，研究表明，处理一个小时后，可获得平均长度为700 nm，平均直径为20 nm的单壁碳纳米管。
• 随着循环次数的增加，单壁碳纳米管的长度和直径随之减小，但当循环次数大于100时，单壁碳纳米管的直径可稳定在20 nm。
• Azoubel、Magdassi和Zhang等人分别使用微射流均质机成功地制备了多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的稳定水分散体。
• Silvera-Batista等人在剪切速率为∼4000 s−1下获得了单壁碳纳米管的稳定分散体。

长纤维纠缠粘结状态碳纳米管壁上有很多缺陷，超高压微射流均质机利用高压力将物料通过微细的喷嘴或通道，形成高速流动。

这一过程中的物理作用力，如剪切力、冲击力和空穴效应，能够从缺陷处有效地打散CNTs的团聚体，从而获得均匀分散的纳米管悬浮液。

在超高压微射流均质机的作用下，CNTs可以被细化至纳米级粒径，且分布更加均匀，这对于提升其在复合材料中的增强作用、在电子设备中的导电性以及在能量存储设备中的电化学性能等方面至关重要。此外，均质过程中粒径的减小和分散性的增强也有助于提高CNTs的加工性能和应用范围。

超高压微射流均质机提供一个均质、稳定的物料处理平台，大大推进了CNTs及其他纳米材料在实际工业应用中的应用潜力和效能，尤其在提高产品的质量和性能方面发挥着重要作用。