微射流均質機在石墨材料中的應用

石墨烯是 21 世紀的戰略性新興材料，是目前已知的最硬、最薄的材料，具有較高的電子遷移率、熱導系數以及能承載非常高的電流密度。在電子信息、能源、功能材料、生物醫藥、航空航天、節能環保等領域有重要的潛在應用前景。

材料結構

石墨烯具有單層二維蜂窩狀晶格結構，該結構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。

氧化石墨烯是石墨烯的一種重要衍生物,結構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，如羥基、羧基和環氧基等，所以氧化石墨烯具有良好的親水性，這些含氧基團也為氧化石墨烯的功能化提供了大量接觸點。

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

碳納米管是由石墨烯片同軸卷曲而成的新型納米碳材料，按照石墨烯片層數不同，可分成單壁碳納米管和多壁碳納米管。長度在幾微米到數毫米之間，長徑比一般在1 000 以上。直徑是幾納米，上萬根納米管才有一根頭發粗。

碳納米管在鋰電池中的應用

碳納米管作為一種結構特殊的新型碳材料，具有優異的機械性能和電化學性能。在鋰電池的應用中，碳納米管作為導電劑時，其特殊的網絡結構不僅能夠有效地連接更多的活性物質，出色的電導率也可以大幅降低阻抗。此外，較大長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組建高效的三維高導電網絡并達到提升電池能量密度的目標。

碳納米管團聚

碳納米管團聚的原因主要有兩種，分別是納米顆粒間的團聚效應和一維材料間的纏繞團聚現象。前者指的是當顆粒材料達到納米尺寸其團聚效應顯著增加，團聚體內顆粒的相互吸引力也明顯增大，從而導致碳管難以分散；后者指的是由于碳納米管較大的長徑比容易糾纏粘結在一起，形成很大的團聚體。

碳納米管的分散機理

根據碳納米管團聚的原因分析，要想得到均勻分散的碳納米管必須同時滿足3個條件:破壞長纖維糾纏粘結狀態、克服團聚體強吸附力、穩定碳納米管分散狀態。

• 破壞長纖維糾纏粘結狀態碳納米管壁上有很多缺陷，通過物理或化學作用可以從缺陷處斷開碳納米管，把碳納米管剪短，從而去除長纖維糾纏粘結狀態。
• 克服團聚體的強吸附力通過機械攪拌和研磨等方法，可以克服團聚體的強吸附力，使碳納米管團聚體分散開。
• 穩定碳納米管分散狀態選擇合適的介質可以穩定碳納米管分散狀態。

碳納米管的分散方法

從團聚機理出發，目前主流的分散方法都需要同時滿足以下兩個條件：

• 破壞碳管糾纏粘結狀態一般使用物理或化學的方法，從而去除碳管糾纏粘結狀態。常見的分散方法有微射流均質、超高壓均質、機械攪拌與研磨法、高能球磨法、超聲波處理法等方法。
• 克服團聚體之間的強吸附力通過添加合適的分散劑，可以使碳納米管團聚體分散開。

微射流均質機

微射流均質機是一種通過電氣控制的液壓站內的液壓油來給液壓缸加壓，以此來驅動柱塞進行正位移的、往復運動，通過單向閥的作用，柱塞給物料加壓，加壓后的物料通過一個特別設計的微孔工作噴腔，液體通過不同微米孔徑的噴腔會形成不同的均質壓力，超高的液體流速形成的高剪切力和撞擊力，對通過的物料進行連續的微粒化作用的機器。

工作原理

物料流經單向閥后，在高壓腔泵里加壓，通過微米級的噴嘴，以亞音速撞擊在乳化腔上，同時通過強烈的空穴，剪切效應，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題，高剪切預處理后，采用諾澤流體科技有限公司的MINI型的微射流均質機而進行的均質分散過程。

10000psi的均質壓力，循環處理三遍后，氧化石墨烯流動性明顯改善，且能很好的分散石墨烯碳層。

碳納米管

為解決碳納米管團聚纏繞的狀態，采用諾澤流體科技有限公司的MINI型的微射流均質機而進行的均質分散過程。

10000psi的均質壓力，循環處理三遍后，碳納米管宏觀表現仍有明顯的條帶狀，表明仍未解團聚。

采用30000psi的均質壓力，循環處理六遍后，碳納米管宏觀表現流動性較好，且靜置后表面成光滑狀態，表明團聚已分散開來。

碳納米管在微射流均質機處理前后的物料性狀對比。

參考資料

1. //石墨烯在防腐涂料中的應用分析及展望
2. //碳納米管超細粉碎分級的特性研究
3. //（圖片來源：劉開輝 等，《石墨烯的結構與基本性質》，華東理工大學出版社，2020.10
4. sohu/a/227348176_99919252