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,，具有極高的電子遷移率,、熱導(dǎo)系數(shù)以及能承載極高的電流密度。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),，其獨(dú)特的網(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，通過物理或化學(xué)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(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。
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)吸附力通過添加合適的分散劑,，可以使碳納米管團(tuán)聚體分散開,。

微射流均質(zhì)機(jī)

微射流均質(zhì)機(jī)是一種通過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),，通過單向閥的作用，柱塞給物料加壓,，加壓后的物料通過一個(gè)特別設(shè)計(jì)的微孔工作噴腔,，液體通過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,，通過微米級(jí)的噴嘴,，以亞音速撞擊在乳化腔上，同時(shí)通過強(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,，表明仍未完全解團(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。