Углеродные нанотрубки (CNT), в том числе однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT), всё чаще используются в качестве проводящих наполнителей в литий-ионных аккумуляторах и других современных материалах для накопления энергии. Благодаря высокому соотношению длины к ширине и характеристикам проводящей сети они представляют интерес для применений, где требуется низкая доля наполнителя и эффективный перенос электронов.

Однако сушка суспензии углеродных нанотрубок представляет собой технически сложную задачу. Материал может обладать высокой вязкостью, становиться чрезвычайно лёгким после сушки и подвергаться вторичной агломерации. Использование традиционных методов сушки в печи или мгновенной сушки также может привести к проблемам с подачей материала, отложениями на стенках и извлечением порошка.

Компания Longxin разработала решение для пневматической распылительной сушки проводящих материалов на основе углеродных нанотрубок (CNT) и завершила пилотные испытания с суспензией одностенных углеродных нанотрубок. Система построена на основе технологий подготовки суспензии, стабильного распыления, контролируемого распределения горячего воздуха и эффективного извлечения мелкой пудры.

Почему сушка углеродных нанотрубок представляет сложность

На этапе сушки необходимо удалить жидкость, сохранив при этом технологичность проводящего материала. К типичным проблемам относятся:

Высокая вязкость суспензии: Концентрированные растворы углеродных нанотрубок (CNT) бывает сложно перекачивать и распылять в непрерывном режиме.
Вторичная агломерация: При неконтролируемой сушке могут образовываться твердые агломераты, которые трудно повторно диспергировать.
Нанесение на стену: Липкий или плохо распыленный сырьевой материал может скапливаться на поверхности сушильной камеры.
Очень низкая насыпная плотность: Высушенный порошок углеродных нанотрубок легко уносится газовым потоком.
Сбор мелкой пыли: Для очень легких проводящих порошков одного только традиционного циклонного сепаратора может оказаться недостаточно.
Открытая передача материалов: Обработка фильтрационного осадка и многоступенчатая перекачка могут привести к увеличению потерь продукта и повышению риска загрязнения.

Процесс распылительной сушки Longxin

Технологический процесс Longxin позволяет преобразовывать подготовленную суспензию углеродных нанотрубок непосредственно в сухой порошок, что снижает необходимость промежуточной обработки фильтрационного осадка. Технологическая схема может быть адаптирована с учетом вязкости суспензии, содержания твердых веществ, системы растворителей, требуемой морфологии порошка и конечных требований к влажности.

Типичная система может включать в себя следующие этапы:

Подготовка суспензии и предварительная дисперсия
Регулируемая подача корма
Двухфазное распыление или распыление для конкретных задач
Быстрая распылительная сушка в поле контролируемого горячего воздуха
Сепарация и фильтрация мелких частиц
Сбор продукции и контролируемый сброс
Мониторинг технологических процессов и автоматическое управление

Основные технические характеристики

1. Предварительное диспергирование суспензии

Для сырьевых смесей, содержащих агломераты углеродных нанотрубок (CNT), перед распылительной сушкой можно предусмотреть этап предварительной дисперсии. Влажное измельчение или диспергирование с высоким сдвигом способствуют повышению однородности суспензии и обеспечивают более стабильную сырьевую смесь для распыления.

2. Распыление высоковязких суспензий

Система распыления подбирается с учетом реологических характеристик суспензии и производственных требований. При работе со сложными сырьевыми материалами на основе углеродных нанотрубок (CNT) двухжидкостный распылитель может использовать газ, движущийся с высокой скоростью, для разбиения струи жидкости на мелкие капли и повышения эффективности испарения.

3. Распределение воздуха с использованием CFD

Распределение воздушного потока внутри сушильной камеры можно оптимизировать с помощью методов вычислительной гидродинамики (CFD). Цель состоит в том, чтобы улучшить контакт капель с сушильным воздухом и одновременно уменьшить локальный перегрев, рециркуляцию и отложение материала на стенках камеры.

4. Извлечение мелкого порошка

Поскольку порошок углеродных нанотрубок (CNT) отличается чрезвычайной легкостью, система улавливания играет важную роль в общем технологическом процессе. Компания Longxin может сконфигурировать системы фильтрации и импульсной очистки для повышения коэффициента извлечения порошка и поддержания стабильных условий вытяжки.

Применимые проводящие материалы

Эта же инженерная платформа может быть адаптирована для использования с целым рядом проводящих и наноуглеродных материалов, в том числе:

Одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT)
Многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT)
Проводящие добавки на основе углеродных нанотрубок (CNT)
Проводящая сажа
Проводящий графит
Углеродные волокна, полученные методом паровой осаждения (VGCF)
Графен
Оксид графена

Распылительная сушка или мгновенная сушка?

Выбор подходящего метода зависит от формы сырья. Распылительная сушка, как правило, более подходит в тех случаях, когда сырье подается в виде перекачиваемой суспензии и заказчик заинтересован в прямом преобразовании жидкого сырья в порошок. Можно рассмотреть возможность применения мгновенной сушки, если процесс начинается с обезвоженного фильтрационного осадка или другого материала, прошедшего механическую обезвоживание.

Компания Longxin может оценить оба варианта путем испытаний материалов до того, как будет выбран окончательный технологический процесс.

От пилотного тестирования до серийного производства

Наноуглеродные материалы могут демонстрировать совершенно разные свойства в зависимости от степени чистоты, обработки поверхности, диспергатора, концентрации твердых частиц и вязкости суспензии. По этой причине компания Longxin рекомендует провести технологические испытания до окончательной доработки оборудования промышленного масштаба.

Наша инженерная поддержка может включать:

Оценка материала и шлама
Лабораторные и пилотные испытания по сушке
Оптимизация распыления и температуры
Испытания по сбору порошка
Масштабирование технологического процесса
Комплексное проектирование производственной линии
Сопровождение монтажа и ввода в эксплуатацию

Разработайте процесс сушки с использованием углеродных нанотрубок для вашего материала

Если вы занимаетесь разработкой проводящей добавки на основе углеродных нанотрубок (CNT), материала на основе графена или другого наноуглеродного порошка, компания Longxin может провести анализ характеристик вашего исходного сырья и порекомендовать подходящую схему сушки с учетом требуемой производительности и конечных свойств порошка.

Схема технологического процесса распылительной сушки с использованием углеродных нанотрубок

Вопросы для отбора

Требуется ли сопло для двух жидкостей для каждой суспензии углеродных нанотрубок?

Нет. Двухкомпонентное распыление применяется в случае сложных сырьевых материалов; параметры форсунки и соотношения газ-жидкость подбираются с учетом вязкости суспензии, содержания твердых частиц, растворителя и требуемых свойств порошка по результатам испытаний.

В каких случаях распылительная сушка предпочтительнее, чем мгновенная сушка?

Для перекачиваемой суспензии, которую необходимо непосредственно преобразовать в порошок, можно рассмотреть возможность применения распылительной сушки. Если сырьем является обезвоженный фильтрационный осадок или другой материал, прошедший механическую обезвоживание, целесообразно рассмотреть возможность применения мгновенной сушки.

Сопутствующее оборудование и области применения

Обсудите свой материал и запросите рекомендации по оборудованию.

Что должно подтвердить испытание по сушке CNT?

В ходе полноценного испытания следует проанализировать весь технологический процесс — от подачи суспензии до сбора порошка. Необходимо зафиксировать состав смеси, тип диспергатора, содержание твердых веществ и вязкость; убедиться в стабильности подачи и распыления; а также оценить полученный порошок на соответствие согласованным требованиям по влажности, технологичности и способности к повторному диспергированию.

В рамках пробной оценки определите коэффициент извлечения порошка по всей колонне и системе сбора. Результаты, полученные для одного сорта углеродных нанотрубок (CNT) или одной системы диспергирования, не следует рассматривать как фиксированные настройки для всех партий сырья. На основании протокола испытаний подберите распылитель, условия сушки, систему фильтрации и схему герметичной сливной системы с учетом предполагаемой производственной нагрузки.