2020-10-30
碳納米管（CNTs）是一種低密度、柔韌、導(dǎo)電的材料，單個(gè)碳納米管具有較高的抗拉強(qiáng)度。Nanocomp Technologies, Inc.生產(chǎn)的碳納米管形式有薄片、條帶、粉末、分散體和線狀。Nanocomp的產(chǎn)品用于航空航天、裝甲和耐火材料。
這些中空的、管狀的芳香族碳原子柱表現(xiàn)出*的機(jī)械、電子、熱和化學(xué)性質(zhì)。單個(gè)碳納米管的直徑約為10nm，長(zhǎng)度約為1mm。Nanocomp的碳納米管具有巨大的長(zhǎng)寬比，比其他市場(chǎng)上可獲得的碳納米管大幾千倍。
碳納米管粉末和泥漿的生產(chǎn)工藝關(guān)系到一種專用的，不含表面活性劑的分散工藝。通過該工藝能夠獲得的碳納米管束的寬度為~100μm，長(zhǎng)度為~1000μm。這就是Nanocomp*科學(xué)家Joe·Johnson博士的關(guān)注點(diǎn)。他管理分散和顆粒實(shí)驗(yàn)室，以及相關(guān)應(yīng)用，如油漆，復(fù)合材料和聚合物。他在該公司工作了3年，但他有超過20年的任何涉及顆粒的工作經(jīng)驗(yàn)的背景，包括合成、改性、產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)用和表征。
挑戰(zhàn)
Johnson博士想要一種能夠?qū)μ技{米管研磨工藝進(jìn)行定量的儀器。Nanocomp的碳納米管生產(chǎn)過程是在無紡布上進(jìn)行的，碳納米管主要由于范德華力作用團(tuán)聚在一起。打個(gè)比方，就如同來自不同方向，不同大小的力作用在了Velcro®魔術(shù)貼上，是他們牢牢粘連在一起形成一個(gè)整體片狀結(jié)構(gòu)。以前曾發(fā)現(xiàn)一種研磨裝置可以將納米管彼此“撕裂”，從而產(chǎn)生纖維或碳納米管束。先前的實(shí)驗(yàn)確定了工藝條件（例如碳納米管濃度和儀器條件）。但磨成小而均勻的纖維的用時(shí)是未知的，因此需要計(jì)劃進(jìn)行一項(xiàng)研究，測(cè)量粒度與磨碎時(shí)間的關(guān)系。Johnson博士需要一種能夠精確測(cè)量分散碳納米管的寬度、長(zhǎng)度、縱橫比、ESD（當(dāng)量直徑）及其分布定量的儀器。
方法
他做了一些研究，對(duì)粒度分析儀有了更多的了解，在比較了現(xiàn)有的儀器后，他知道FlowCam流式成像分析儀符合他的要求。通過其VisualSpreadsheet®軟件，F(xiàn)lowCam可以記錄每個(gè)顆粒40多個(gè)不同的形態(tài)參數(shù)，并可以以每秒22幀的速度捕捉顆粒圖像，這將使*博士能夠迅速得到他需要的答案。Johnson博士解釋說：“我過去使用過很多類型的微粒測(cè)量?jī)x器，但幾乎每個(gè)人都做出了在很多方面都不成立的假設(shè)。”“他們假設(shè)粒子是球形的，但事實(shí)并非總是如此，尤其是對(duì)于高長(zhǎng)寬比的材料。此外，激光或光散射裝置忽略光吸收和散射效應(yīng)。聲學(xué)儀器有許多假設(shè)，包括沒有顆粒-溶劑相互作用，顆粒大小和形狀均勻。我需要一臺(tái)儀器來測(cè)量真實(shí)世界中的顆粒和纖維。通過FlowCam，你可以直觀地看到顆粒以及它們的尺寸，不需要任何假設(shè)。”
結(jié)果
Dr. Johnson ran over a dozen batches using the same process and conditions. “After dispersion we use the FlowCam to characterize the carbon nanotube’s ESD,” he explains. “And we use ESD to determine how the product decreased with dispersion energy and time.” The quantification involved measuring 3,000 CNT fibers 3x, taking only a few minutes per test. That’s 9,000 particles per run condition.
Johnson博士用同樣的工藝和條件測(cè)試了十幾個(gè)批次。“在分散后，使用FlowCam來表征碳納米管的ESD，”他解釋說。“我們使用ESD來確定產(chǎn)品是如何隨著分散的能量和時(shí)間而變小的。定量測(cè)試包括測(cè)量3000個(gè)CNT纖維3x，每次測(cè)試只需要幾分鐘。每運(yùn)行一次就能捕捉到9000個(gè)顆粒。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試了包括分散給定濃度的碳納米管和設(shè)定的分散條件。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，從分散劑中抽取少量分散了的CNTs，并使用FlowCam儀器進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，顆粒大小與分散時(shí)間之間的關(guān)系能夠被繪制成一個(gè)具有代表性的圖表，如圖1所示。請(qǐng)注意，對(duì)于初的幾個(gè)點(diǎn)（30分鐘以內(nèi))，由于數(shù)值波動(dòng)較大，是經(jīng)估計(jì)后取了平均值的。另外，其他研究也顯示200分鐘后的顆粒大小沒有變小。
圖2 是通過FlowCam捕獲的圖像，它們顯示了隨著分散時(shí)間的增加碳納米管的粒度減小。
在研究中，Johnson博士和他的團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展了他們的工作，能夠?qū)⒃S多標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)圖表包含進(jìn)去，以及不同的CNT濃度，和不同的工藝條件。使用FlowCam進(jìn)行顆粒表征有助于Nanocomp團(tuán)隊(duì)了解其產(chǎn)品的特性，并為客戶提供穩(wěn)定的產(chǎn)品。
納米流式顆粒成像分析系統(tǒng)
· 小樣品需求量25μL
· 測(cè)量范圍：100~10,000+nm
· 成像系統(tǒng)分辨率：?jiǎn)紊?920X1220
· 顆粒圖像顯示：顯示樣品顆粒圖像
· 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：30+顆粒形態(tài)參數(shù)，直方圖，散點(diǎn)圖，TIFF格式顆粒圖像
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