Carbon Nanotubes: Manufacturing & Applications

Ricardo Prada Silvy, Yongqiang Tan and Philip Wallis

SouthWest NanoTechnologies

Section Overview

• บทนำ
• คุณสมบัติของ MWNTs
• ความท้าทายในการทำธุรกิจของ MWNTs
• การกำหนดลักษณะของ MWNTs และพารามิเตอร์การประกันคุณภาพ
• การใช้งาน MWNTs
• สรุป
• สินค้าที่เกี่ยวข้อง

บทนำ

ท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (SWNTs) และท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง (MWNTs) มีความคล้ายคลึงกันบางอย่างแต่ก็มีความแตกต่างที่โดดเด่น SWNTs เป็น allotrope ของ SP 2 ไฮบริดคาร์บอนคล้ายกับ fullerenes โครงสร้างสามารถถือได้ว่าเป็นท่อทรงกระบอกที่ประกอบด้วยแหวนคาร์บอน 6 ชิ้นเช่นเดียวกับกราไฟท์ อะนาล็อก MWNTs เป็นชุดของหลอดเหล่านี้ในกระบอกสูบศูนย์กลาง (รูปที่ 1) MWNTs สามารถคิดได้ว่าเป็นที่ประกอบด้วยชุดของหลอดผนังเดี่ยวซ้อนกันภายในหนึ่ง อาจมีผนังที่มีศูนย์กลางเพียง 6 หรือมากถึง 25 ผนัง เส้นผ่านศูนย์กลาง MWNTs อาจจะดีเท่ากับ 30 นาโนเมตรเมื่อเทียบกับ 0.7 - 2.0 นาโนเมตรสำหรับ SWNTs ทั่วไป คุณสมบัติพิเศษของคาร์บอนนาโนหลอดช่วยให้สามารถใช้งานได้หลากหลายรูปแบบและปรับปรุงประสิทธิภาพของแอพพลิเคชันที่มีอยู่ บทความนี้จะให้ภาพรวมโดยย่อของลักษณะทางเคมีกายภาพและลักษณะของ MWNTs โดยเน้นเฉพาะวัสดุที่เพิ่งเปิดตัวใหม่ซึ่งเป็นตัวแทนของความก้าวหน้าล่าสุดของเทคโนโลยีและสถานะของการค้า

รูปที่ 1 ท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง

คุณสมบัติของ MWNTS

หลายคุณสมบัติพิเศษที่สุดของ CNTS รายงานในการกดนิยมและวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความแข็งแรงเชิงกลพฤติกรรมแสงการนำไฟฟ้าและความร้อนและคุณสมบัติทางเคมีเป็นลักษณะหลักของ SWNTs อย่างไรก็ตามเนื่องจากปัจจัยของต้นทุน (SWNTs มักจะอยู่ในลำดับของ 100-1000 ครั้งมีราคาแพงกว่า MWNTs) และความท้าทายบางอย่าง SWNTs นำเสนอเกี่ยวกับการกระจายตัวเป็นโซลูชั่นและสารประกอบโพลิเมอร์การยอมรับ MWNTs ในการใช้งานเชิงพาณิชย์มีในวันที่เกินกว่าของ SWNTs MWNTs มีคุณสมบัติที่โดดเด่นในสิทธิของตัวเองและกำลังถูกจ้างงานในช่วงที่ขยายตัวตลอดเวลาของการใช้งานเชิงพาณิชย์ อย่างไรก็ตามเนื่องจากจำนวนผนังมีความหลากหลายและความแตกต่างที่แตกต่างกันในประสิทธิภาพซึ่งเป็นผลมาจากสิ่งนี้จึงเป็นการยากที่จะกำหนดคุณสมบัติเฉพาะและมีความหมายให้กับ MWNTs ซึ่งแปลโดยตรงไปสู่ประสิทธิภาพในบทความสุดท้าย MWNTs โดยทั่วไปจะใช้เป็นสารเติมแต่งสารประกอบพอลิเมอร์ใน 'buckypaper'[9] 1 ในขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่หรือโครงสร้างคอมโพสิตอื่นๆที่ประสิทธิภาพโดยรวมของโครงสร้างที่ถูกขับเคลื่อนด้วยปัจจัยทางสัณฐานวิทยามากที่สุดเท่าที่คุณสมบัติโดยธรรมชาติของ MWNTs ตัวเอง การสรุปคุณสมบัติบางอย่างเกี่ยวกับ MWNTs มีให้ด้านล่าง

ไฟฟ้า: MWNTs เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูงเมื่อรวมเข้ากับโครงสร้างคอมโพสิตอย่างถูกต้อง  อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าเฉพาะผนังด้านนอกเท่านั้นที่จะดำเนินการ - ผนังด้านในไม่มีส่วนช่วยในการนำไฟฟ้า

Morphology:  MWNTs เป็นวัสดุที่มีอัตราส่วนกว้างยาวสูงโดยทั่วไปมีความยาว ˃เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 เท่าและในบางกรณีสูงกว่ามาก  การประยุกต์ใช้  และประสิทธิภาพของพวกเขาไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนภาพแต่ยังอยู่บนความตรงและระดับของการพัวพันของหลอดซึ่งในทางกลับกันเป็นหน้าที่ของทั้งขนาดและระดับของข้อบกพร่องในหลอด

ทางกายภาพ: MWNTs ที่ปราศจากข้อบกพร่องแต่ละตัวมีความต้านทานแรงดึงสูงมากและเมื่อรวมเข้ากับคอมโพสิตเช่นสารประกอบเทอร์โมพลาสติกหรือเทอร์โมเซตสามารถเพิ่มความแข็งแรงได้อย่างมีนัยสำคัญ²

ความร้อน:  MWNTs มีความเสถียรทางความร้อนถึง > 600°C ขึ้นอยู่กับระดับของข้อบกพร่องและในระดับหนึ่งเกี่ยวกับความบริสุทธิ์เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาตกค้างในผลิตภัณฑ์ยังสามารถเร่งการสลายตัวได้

สารเคมี:  MWNTs เป็น allotrope ของ คาร์บอน sp 2 ไฮบริดคล้ายกับ fullerenes และกราไฟท์และเป็นเช่นนี้มีเสถียรภาพทางเคมีมาก  อย่างไรก็ตามมันเป็นไปได้ที่จะทำงานท่อนาโนเพื่อปรับปรุงทั้งการกระจายตัวและความแข็งแรงของคอมโพสิต³

[ 1 ] Buckypaper I SA แผ่นบางๆที่ทำจากการรวมกันของ CNTS

ความท้าทายในการค้าของ MWNTS

ความซับซ้อนที่มากขึ้นและความหลากหลายของ MWNTs สร้างความท้าทายที่สำคัญสำหรับสาธารณูปโภคของพวกเขาในผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ คุณสมบัติเฉพาะที่เพิ่มเข้าไปในความซับซ้อนนี้จะอธิบายไว้ด้านล่าง

การกระจายตัว: แม้ว่าโดยทั่วไปจะง่ายกว่ามากที่จะแยกย้ายกันไปในการแก้ปัญหาหรือโพลิเมอร์กว่า SWNTs, การกระจายตัวของ MWNTs อาจเป็นเรื่องที่ท้าทายและคุณภาพของการกระจายตัวที่ได้รับเป็นปัจจัยสำคัญในการดำเนินงานของบทความสุดท้าย

Purity: กระบวนการ MWNTs จำนวนมากส่งผลให้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะตกค้างที่สำคัญซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อประสิทธิภาพ

ข้อบกพร่อง: ยิ่งมีเลเยอร์ภายใน MWNTs มากเท่าไหร่ข้อบกพร่องก็จะยิ่งมีแนวโน้มมากขึ้นเท่านั้น ผนังด้านใน ' แม่แบบ ' ข้อบกพร่องไปยังชั้นที่อยู่ติดกัน⁴ พลังงานของกระบวนการกระจายตัวมีแนวโน้มที่จะทำลายหลอดที่ไซต์ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำให้ CNT สั้นลง  อัตราส่วนภาพที่สูงของ MWNTs มีส่วนช่วยในการใช้งานของพวกเขา

การกำหนดลักษณะของ MWNTS และพารามิเตอร์การประกันคุณภาพ

เครื่องมือการกำหนดลักษณะหลักที่ใช้สำหรับ MWNTs คือเทคนิคการสังเกตเช่น TEM, SEM และ AFM ซึ่งสามารถใช้เพื่อรวบรวมข้อมูลมิติเช่นความยาวเส้นผ่านศูนย์กลางและจำนวนผนัง นอกจากนี้การวิเคราะห์เทอร์โมกราเวียเมตริก (TGA) ยังใช้เพื่อกำหนดมวลที่เหลืออุณหภูมิที่เริ่มเกิดออกซิเดชันและอุณหภูมิของอัตราการเกิดออกซิเดชันสูงสุด อุณหภูมิออกซิเดชันสูงสุดอาจได้รับผลกระทบจากพารามิเตอร์ต่างๆเช่นเส้นผ่านศูนย์กลางท่อการมีข้อบกพร่องและการมีตัวเร่งปฏิกิริยาตกค้าง ในขณะนี้ยังไม่สามารถแยกปัจจัยต่างๆเหล่านี้และให้ความหมายที่ชัดเจนกับอุณหภูมินี้ อย่างไรก็ตามจะแสดงพารามิเตอร์การควบคุมการผลิตที่มีประโยชน์มาก นอกจากนี้รูปร่างของเส้นโค้งอนุพันธ์ยังสามารถให้ข้อมูลเชิงคุณภาพเกี่ยวกับความสม่ำเสมอของตัวอย่างที่เกี่ยวกับการกระจายตัวของวัสดุ จุดสูงสุดที่แคบและสูงจะบ่งบอกถึงการกระจายของเส้นผ่านศูนย์กลางที่แคบและความบกพร่องของท่อที่น้อยที่สุด ตัวอย่างของวัสดุสามชนิดแสดงอยู่ใน รูปที่ 4

รามันสเปกโทรสโกเป็นเครื่องมือที่มีค่าน้อยกว่าสำหรับ MWNTs กว่าสำหรับ SWNTs ในที่ไม่มีการเปลี่ยน RBM ใน MWNTs โดยปกติแล้วการเปลี่ยนลำดับที่สองที่ ~ 1350 และ 2700 ซม.^- 1 จะเด่นชัดกว่าใน SWNTs และวง G ที่ ~ 1590 ซม.^- 1 จะลดลง  ในความเป็นจริงสำหรับวัสดุ MWNTs บางส่วนแถบ D และ G มีความเข้มใกล้เคียงกันและความแตกต่างของสเปกตรัมเหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อประมาณอัตราส่วนของ SWNTs และ MWNTs ในส่วนผสม⁵

การใช้งานของ MWNTS

มีแอปพลิเคชันปัจจุบันและแอปพลิเคชันที่เกิดขึ้นใหม่สำหรับ MWNTs มากมาย ซึ่งรวมถึง:

• โพลิเมอร์นำไฟฟ้า: การนำไฟฟ้าสูงของ MWNTs และอัตราส่วนสูงที่เป็นไปได้ทำให้ MWNT เป็นสารเติมแต่งที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานเหล่านี้ ระดับการนำไฟฟ้าที่ต้องการสามารถทำได้ด้วยโหลดที่ต่ำกว่ามากสำหรับโซลูชันทั่วไปเช่นอนุภาคคาร์บอนแบล็คหรือโลหะ สารเติมแต่งที่มีระดับต่ำกว่านี้จะทำให้คุณสมบัติทางกายภาพที่มีอยู่ในโพลิเมอร์ลดลงอย่างมาก การประยุกต์ใช้งานรวมถึงการป้องกันการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตในการผลิตเวเฟอร์, อีลาสโตเมอร์ป้องกันไฟฟ้าสถิตย์และส่วนประกอบพลาสติกสำหรับชิ้นส่วนสายน้ำมันเชื้อเพลิงรถยนต์, พลาสติกที่แสดงผลเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเพียงพอที่จะช่วยให้สามารถพ่นสีไฟฟ้าสถิตของชิ้นส่วนรถยนต์, วัสดุป้องกัน RFI และอื่นๆ
• แคโทดแบตเตอรี่: วัสดุ MWNT ใหม่จากเทคโนโลยีนาโนตะวันตกเฉียงใต้ (SWENT^®) ได้แสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในคุณสมบัติของแบตเตอรี่เมื่อรวมเข้ากับแคโทด
• คอมโพสิตโครงสร้างที่เพิ่มขึ้น: MWNTs ในรูปแบบของ buckypaper เรซินผสมทอหรือไม่ทอผ้าเมื่ออิ่มตัวด้วยเรซินเทอร์โมเซ็ตได้แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในความแข็งแรงและความแข็งของโครงสร้างคอมโพสิตเช่นเพลากอล์ฟคลับและลามิเนตโครงสร้างสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศ
• เยื่อกรองน้ำ: ความแข็งแรงเชิงกลสูงอัตราส่วนสูงและพื้นผิวเฉพาะขนาดใหญ่ช่วยให้สื่อการกรองมีประสิทธิภาพมาก
• การใช้งานอื่นๆในการพัฒนาหรือเพิ่งนำออกสู่ตลาดรวมถึงองค์ประกอบเครื่องทำความร้อนที่สามารถฉีดพ่นได้อินเตอร์เฟซความร้อนและวัสดุนำความร้อนอื่นๆคาร์บอนไฟเบอร์ที่เพิ่มขึ้นและอื่นๆ

SWENT ได้พัฒนาประเภทใหม่ของ MWNTs เรียกว่าพิเศษหลายผนัง CNT (SMW) โดยจำนวนของผนังจะถูกควบคุมให้แตกต่างกันระหว่างสามถึงแปดผนังในขณะที่รักษาความยาว CNT > 3 µm จึงให้ผลผลิตอัตราส่วนภาพในช่วง 350 - 550 จำนวนผนังที่ต่ำกว่าจะส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องของโครงสร้างน้อยลงความบริสุทธิ์สูงกว่า (> 98% CNTS) และการสูญเสียวัสดุคาร์บอนน้อยลงในขณะที่หลอดตรงและยาวกว่าให้สัณฐานวิทยา CNT โดยรวมที่ดีกว่า (ตัวเลข  2 และ 3)

รูปที่ 2 สินค้า MWNT และ SWONT SMW 200 (ผลิตภัณฑ์ Aldrich หมายเลข 773840) TEM และภาพ AFM

รูปที่ 3 SWONT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840 และภาพ MWNTs TEM และ SEM ของคู่แข่ง

ไมโครกราฟอิเล็กตรอนใน รูปที่  3 แสดงเปรียบเทียบ SWONT SMW 200 (Aldrich Product No. 1) กับ MWNTs สินค้าโภคภัณฑ์ที่มีการแข่งขัน 773840 รายการ

หลายประเด็นมีความสำคัญ:

• ผลิตภัณฑ์ SMW มีอัตราส่วนกว้างยาว (ความยาว/เส้นผ่านศูนย์กลาง) สูงกว่าเกรดอื่นอย่างมากและอัตราส่วนกว้างยาวสูงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการพัฒนาเครือข่ายนำไฟฟ้าในเมทริกซ์โพลิเมอร์ที่โหลดสารเติมแต่งต่ำ
• หลอด SMW นั้นตรงกว่าและยังเป็นข้อได้เปรียบในการสร้างเครือข่ายการดำเนินการ
• วัสดุที่มีการแข่งขันแสดงสิ่งสกปรกและข้อบกพร่อง หลอดมีแนวโน้มที่จะแตกหักในระหว่างการกระจายตัวที่จุดบกพร่องซึ่งจะช่วยลดจำนวนทางเดินไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าที่เกิดขึ้น

รูปที่  4 เปรียบเทียบผลการทดสอบ TGA ของ SWENT SMW 200 และสองเกรด MWNTs ที่สามารถแข่งขันได้ รูปที่ 4 (A) แสดงเส้นโค้งลดน้ำหนักสำหรับวัสดุ 3 ที่ซ้อนทับกัน จุดที่เส้นนี้แบนราบทางด้านขวาของกราฟแสดงถึงวัสดุที่เหลืออยู่ (ไม่ใช่คาร์บอน) ในท่อ รูปที่ 4 (b), (c) และ (d) แสดงเส้นโค้งแต่ละเส้นพร้อมกับเส้นโค้งอนุพันธ์ อุณหภูมิที่ค่าสูงสุดของเส้นโค้งอนุพันธ์จะถูกนำมาใช้เป็นเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุ นอกจากนี้ยังใช้ TGA เพื่อประเมินความสม่ำเสมอของวัสดุ ทั้งความสูงสูงสุดและความกว้างของอนุพันธ์ของเส้นโค้งลดน้ำหนักเป็นตัววัดความสม่ำเสมอของ CNT จุดสูงสุดที่แคบและสูงจะบ่งบอกถึงการกระจายของเส้นผ่านศูนย์กลางที่แคบและความบกพร่องของท่อที่น้อยที่สุด SWENT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840 แสดงให้เห็นถึงความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้นตามที่แสดงโดยสารตกค้าง % ที่ลดลงอย่างมาก

รูปที่ 4 (A) เส้นโค้งลดน้ำหนักของ SWENT SMW 200 (Aldrich Product No. 1) และเกรด MWNTs ที่แข่งขันได้ 773840 เกรด (B), (c) และ (d) เส้นโค้งแต่ละเส้นที่มีเส้นโค้งอนุพันธ์

รูปที่  5 แสดงการเปรียบเทียบข้อมูลการนำไฟฟ้าสำหรับ SWENT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840 เทียบกับวัสดุ MWNT อื่นๆที่มีจำหน่ายทั่วไป การวัดความต้านทานแผ่นของ CNT buckypapers (ฟิล์มแข็งบางๆที่สร้างขึ้นโดยการกรอง 0.15 กรัมของ CNT/m²) แสดงให้เห็นว่าตามที่คาดไว้วัสดุ SWNT (ในกรณีนี้ SWENT SG76, Aldrich หมายเลขผลิตภัณฑ์ 704121 มีค่าความต้านทานต่ำสุด แต่อย่างมีนัยสำคัญวัสดุบริสุทธิ์ SMW 200 เป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากกว่าสองเท่าเมื่อเทียบกับวัสดุ MWNT ที่ดีที่สุดที่ตรวจสอบ (คู่แข่ง A)

รูปที่ 5 การวัดความต้านทาน Buckypaper ของผลิตภัณฑ์ CNT ต่างๆ

รูปที่  6 เปรียบเทียบข้อมูล buckypaper ความต้านทานแผ่นสำหรับผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันเป็นฟังก์ชันของอัตราส่วนภาพ CNT (L/D) ตามที่กำหนดโดยการวิเคราะห์ AFM และ TEM เห็นได้ชัดว่าแนวโน้มของความต้านทานแผ่นต่ำที่มีอัตราส่วนภาพสูงขึ้นด้วย SWENT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840 มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด นอกจากอัตราส่วน CNT แล้วเรายังสังเกตเห็นว่าสัณฐานวิทยาของหลอดเป็นปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่มีผลต่อการนำไฟฟ้าของหลอด จำนวนข้อบกพร่องในท่อที่น้อยลงจะทำให้ความสามารถในการนำไฟฟ้าสูงขึ้น

รูปที่ 6 ความต้านทานแผ่นของ buckypapers เป็นฟังก์ชันของอัตราส่วน CNT

สรุป

MWNTs ถูกนำมาใช้ในจำนวนมากของการใช้งานแต่ความก้าวหน้าในคุณสมบัติของพวกเขาได้รับการจำเป็นในการใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ศักยภาพของพวกเขา MWNTs ที่ได้รับการปรับปรุงได้รับการพัฒนาเมื่อเร็วๆนี้ซึ่งให้บริการเพื่อขยายการเข้าถึงตลาดของวัสดุขั้นสูงประเภทนี้

ข้อมูลอ้างอิง

1. Iijima S. 1991. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature. 354(6348):56-58. https://doi.org/10.1038/354056a0

2. Wang W, Sanjeeva N. Characterization of Nanotube- Reinforced Polymer Composites. https://doi.org/10.5772/20267

3. Tasis D, Tagmatarchis N, Bianco A, Prato M. 2006. Chemistry of Carbon Nanotubes. Chem. Rev.. 106(3):1105-1136. https://doi.org/10.1021/cr050569o

4. Thostenson ET, Chou T. 2004. Nanotube buckling in aligned multi-wall carbon nanotube composites. Carbon. 42(14):3015-3018. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.06.012

5. Delhaes P, Couzi M, Trinquecoste M, Dentzer J, Hamidou H, Vix-Guterl C. 2006. A comparison between Raman spectroscopy and surface characterizations of multiwall carbon nanotubes. Carbon. 44(14):3005-3013. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.05.021