Optimización materiales y compuestos nanotubos carbono mediante caracterización porosimétrica avanzada

Resumen

Presentamos técnica porosimetría intrusión mercurio que cuantifica espectro completo poros —microporos (<2 nm), mesoporos (2-50 nm), macroporos (>50 nm)— formados dentro aglomerados nanotubos carbono (NTC). Examinando NTCs diámetros y números pared variables, demostramos que diámetros mayores y estructuras multi-pared amplían distribución tamaño poro y aumentan volumen poro total. Método distingue aglomerados NTC densidades bulk diferentes y vincula dispersibilidad solvente arquitectura poro. Crucialmente, correlacionamos características poro medidas con conductividad eléctrica compuestos NTC-caucho, mostrando poros finos (volumen poro máximo ~60-70 nm) rinden mayor conductividad (hasta 33 S cm⁻¹). Nuestro enfoque base fiable, cuantitativa para adaptar materiales y compuestos basados NTC lograr rendimiento superior.

Introducción

Medios porosos integrales materiales avanzados, tamaños poro clasificados UIPAC: microporos (<2 nm), mesoporos (2-50 nm), macroporos (>50 nm). Nanotubos carbono (NTC), renombrados altas relaciones aspecto y áreas superficiales específicas, forman naturalmente estructuras porosas cuando se agrupan y enredan en aglomerados. Estos ensamblajes NTC porosos exhiben propiedades adsorción, separación, conductoras notables, atractivos materiales electrodos, filtros, soportes, componentes estructurales.

Técnicas adsorción N₂ tradicionales efectivamente sondan microporos y mesoporos pero no capturan macroporos (>50 nm). Porosimetría intrusión mercurio, aprovechando alta tensión superficial mercurio, mide diámetros poro pocos nanómetros hasta varios cientos micrómetros, abarcando meso- y macroporos. Mientras porosimetría mercurio aplicada diversos materiales carbono —fibras carbono, grafito, carbón activado— aglomerados NTC no caracterizados sistemáticamente este rango poro completo.

Establecer valor porosimetría mercurio aglomerados NTC, investigamos (1) diversos tipos NTC, (2) múltiples morfologías aglomerado, (3) dispersiones diferentes solventes, y (4) varias técnicas dispersión. Estos parámetros influyen arquitectura poro y, finalmente, rendimiento material. Nuestro estudio confirma porosimetría cuantifica fiablemente distribuciones poro, distingue formas aglomerado, predice propiedades funcionales como conductividad eléctrica compuestos NTC-caucho.

Métodos

Síntesis NTC

NTC pared simple Super-Growth (SG SWNTs) producidos vía CVD asistido agua sobre láminas aleación Fe-Ni-Cr, empleando gases portadores He/H₂ 1 atm 750 °C. Bosques NTC resultantes 100 µm a 1 mm altura.

Materiales

SWNTs HiPco comerciales, SWNTs CoMoCAT, MWNTs Bayer, VGCFs, caucho fluorado (Daikin Daiel-G912) proveedores establecidos.

Dispersión NTC

Dispersiones preparadas 0,03 % peso MIBK, DMF, etanol, agua usando molino chorro alta presión 60 MPa (paso único). Técnica preserva NTC largos logrando suspensión uniforme.

Preparación Buckypapers

Suspensiones 0,01 % peso filtradas membranas 0,2-0,4 µm, secadas vacío 180 °C, cortadas discos 4 cm diámetro, ~50 µm espesor.

Porosimetría aglomerados NTC

Intrusión mercurio (Quantachrome PoreMaster 60) midió diámetro poro (D) y volumen vía ecuación Washburn: D = (–4γ cos θ)/P, donde γ = 0,48 N m⁻¹ y θ = 140°. Buckypapers (~50-100 mg) segmentados trozos ~5 mm² análisis.

Preparación láminas compuestos NTC-caucho

Dispersiones SG SWNT/MIBK (0,125 % peso) mezcladas soluciones caucho fluorado/MIBK, fundidas discos 4 cm, solvente evaporado 25 °C 16 h seguido secado vacío 80 °C (6 h). Compuestos finales ~150 µm espesor.

Observación estructural aglomerados NTC

Microscopía electrónica barrido (FE-SEM S-4800) examinó redes NTC sustratos Si spin-coated.

Medida conductividad eléctrica láminas compuestos NTC-caucho

Sonda cuatro puntos (MCP-T610) midió resistencia superficial diez puntos calcular conductividad promedio y desviación estándar.

Resultados y discusión

Características poro varios tipos NTC

Porosimetría mercurio reveló distribuciones tamaño poro distintas Buckypapers fabricados diferentes NTCs. NTCs diámetro pequeño (CoMoCAT, HiPco, SG SWNT) produjeron picos decenas nanómetros, mientras MWNTs diámetro grande y VGCFs generaron picos más anchos extendiéndose ~1 µm. SEM confirmó NTCs mayores forman redes más dispersas con poros mayores. Hallazgos demuestran diámetro NTC y número pared influyen directamente anchura poro y volumen.

Efecto morfología aglomerado

Tres formas aglomerado —bosques SWNT dispersos, redes haz Buckypapers, SWNT alineados densamente empaquetados— comparados. Porosimetría mostró volumen poro decreciente bosque (0,03 g cm⁻³) a red haz (0,4 g cm⁻³) a alineación densa (0,6 g cm⁻³). Estructuras más densas exhibieron poros menores, confirmando densidad bulk correlaciona arquitectura poro. Imágenes SEM corroboraron resultados.

Dispersibilidad dependiente solvente y tamaño poro

Dispersiones preparadas DMF, MIBK, etanol, agua mostraron tendencia clara: buenos solventes (DMF) produjeron poros menores (volumen poro máximo 22 nm), mientras malos solventes (agua) rindieron poros mayores (95 nm). Volumen poro total también aumentó disminuyendo calidad solvente. Imágenes SEM redes spin-coated alinearon datos porosimetría, confirmando elección solvente gobierna tamaño haz NTC y tamaño poro.

Influencia técnica dispersión estructura poro y conductividad compuesto

SG SWNTs dispersados flujo turbulento (nanomizer, star burst), cavitación (sonicator sonda), fuerza mecánica (molino bolas, molino cuentas, mezclador giro, etc.) produjeron distribuciones poro distintas. Flujo turbulento rindió haces más finos picos poro ~60-70 nm y mayor conductividad eléctrica (33 S cm⁻¹). Cavitación produjo poros ligeramente mayores (~56 nm) conductividad moderada (20 S cm⁻¹). Métodos fuerza mecánica generaron poros mayores (90 nm-10 µm) menor conductividad (<16 S cm⁻¹). Datos confirman redes poros finos, logradas dispersión suave alto-cizallamiento, mejoran transporte electrónico compuestos caucho.

Conclusiones

Hemos establecido porosimetría intrusión mercurio como método integral, cuantitativo caracterizar meso- y macroporos aglomerados NTC. Técnica distingue tipos NTC, densidad empaquetado, dispersibilidad dependiente solvente, y predice propiedades funcionales como conductividad eléctrica compuestos NTC-caucho. Aunque mercurio plantea preocupaciones ambientales, su uso justificado por única resolución tamaño poro ofrece. Esta plataforma porosimetría base robusta diseñar materiales y compuestos basados NTC alto rendimiento.