Cesko.wiki Elektrovodivé příze z uhlíkových nanotrubic
Author
Albert FloresElektrovodivé příze z uhlíkových nanotrubic jsou novým typem materiálu, který se skládá z uhlíkových nanotrubic vložených do textilního vlákna. Tyto příze mají vynikající vodivost a mechanické vlastnosti a mohou být použity v různých oblastech výroby elektroniky, senzoriky a energetiky. V článku se diskutuje o vlastnostech uhlíkových nanotrubic a postupech, které se používají k jejich výrobě. Dále se uvádí, jaké jsou možnosti aplikace elektrovodivých přízí z uhlíkových nanotrubic v různých odvětvích průmyslu. Například se zmiňuje o možnosti použití těchto přízí v elektronických obvodech, solárních článcích nebo výrobu senzorů. Také se v článku hovoří o výhodách používání elektrovodivých přízí z uhlíkových nanotrubic, jako je snadná integrace do textilních materiálů, vysoká flexibilita a odolnost proti mechanickému poškození. Dále se článek zabývá výzvami spojenými s výrobou těchto přízí, jako je zabezpečení rovnoměrné distribuce nanotrubic ve vláknu a dosažení maximální elektrovodivosti. Celkově lze konstatovat, že elektrovodivé příze z uhlíkových nanotrubic mají velký potenciál v mnoha průmyslových odvětvích. Jejich vlastnosti a aplikace budou nadále zkoumány a výzkum na tomto poli bude pokračovat.
Model jednostěnné uhlíkové nanotrubice Elektrovodivé příze z uhlíkových nanotrubic (angl.: conductive CNT yarns, něm.: leitfähige CNT Garne) jsou výrobky z uhlíkových nanovláken k použití na speciální elektronické textilie.
V roce 2011 se odhadovala celosvětová kapacita výroby uhlíkových nanotrubic na 460 ročních tun. Téměř celá kapacita se využívá k výrobě prášku, grafenu a disperzí, jen malá část nanotrubic se začala zpracovávat na fólie a příze.
Technologie výroby
Z laboratorních pokusů v letech 1991-2010 jsou známé tři principy zvlákňování: za mokra, z aerogelu a za sucha.
Výsledky dosavadních experimentů (2015) ukazují, že pro průmyslovou výrobu příze bude nevhodnější technologie zvlákňování za sucha a spřádání zakroucením (nebo zaoblením) proužku vláken z matrice vzniklé metodou CVD.
Tvorba pavučinky - odtah nanotrubic z forestu
Spřadatelné nanotrubice s tloušťkou 6-15 nm se získávají metodou CVD. Vlákna se se zachycují v kolmé poloze na tenké plošce ze silikonu, kde se seřazují jako tzv. +more forestX (viz vrchní část prostředního snímku). Z forestu se odtahuje proužek vláken, ze kterých se tvoří pavučinka obsahující vodorovně uložené, vzájemně zaklíněné nanotrubice. Materiál pavučinky se pak „dopřádá“, tj. zpevňuje zákrutem (nebo zaoblováním), příp. napařováním v prchavém rozpouštědle a navíjí na cívku.
X Délka trubic, tj. výška forestu může dosáhnout až 300 nm (±2nm), hustota cca 1-3 mg/cm2. +more Z 1 cm forestu se tvoří 5-6 m vlákenné pavučinky. (Pokusně byla v roce 2013 v čínských laboratořích zhotovena uhlíková nanotrubice o délce 550 mm. ) Příze z nanotrubic (cca 3 000 x zvětšeno).
Způsoby dopřádání
V roce 2015 bylo v odborné literatuře uváděno např. : * Zakrucování na křídlovém stroji s použitím elektromagnetu se zakládá na stejném principu jako konvenční křídlovka. +more * Up-spinning. Pavučinka je tažena nahoru („up“) k vřetenu, které ji zakrucuje rychlostí do 18 000 otáček za minutu a příze (mnohem jemnější než výrobek z křídlového stroje) se navíjí na pomaleji rotující cívku. * Zhušťování zaoblováním. Pavučinka prochází párem válečků s pružným potahem, které se otáčejí a odvalují axiálními pohyby. Zaoblená vlákna se navinují na cívku. Příze mají mnohem vyšší modul pružnosti než zakrucované výrobky. * Jádrové příze se vyrábějí z kovového jádra, které se opřádá na křídlovém stroji pláštěm z uhlíkových nanotrubic.
Struktura a vlastnosti příze
Příze se komerčně vyrábějí s průměrem 20-30 mikronů. Porezita zakroucené příze dosahuje asi 24 %, příze obsahuje v průřezu obvykle více než milion jednotlivých vláken.
Pevnost příze nepřesahuje 5 % pevnosti v ní obsažených vláken. Vliv zákrutu na pevnost příze je podobný jako u konvenčních přízí. +more Maximální pevnost se dosahuje se sklonem závitů cca 20 %, pro specifický modul je optimální sklon 10 %.
Např. pevnost příze z jednostěnných trubic o jemnosti 3 tex vyráběné rychlostí 150 m/hod dosahuje 1,8 GPa (0,8 N/tex).
Elektrická vodivost příze z vícestěnných trubic se udává v rozmezí 1,5 × 104 a 4,1 × 104 S/m. Vodivost se dá podstatně zvýšit pokovováním příze, ovšem zároveň se ztrátou 30-50 % pevnosti.
Použití CNT přízí
Elektrický odpor příze se dá měnit zavedením určitého napětí. Příze se pak dá použít k simultánnímu měření napětí a teploty. +more Citlivost textilních senzorů na napětí se pohybuje v rozmezí 1,4-1,8 mV/V/1000 µ. * Pružné superkondenzátory jsou požadovány jako zdroj energie zejména pro přenosné elektronické přístroje. Příze z uhlíkových nanotrubic se v nich používají jako aktivní materiál nebo jako substrát. * Aktuátory Elektrody z CNT příze v elektrochemické buňce způsobují roztažení a smrštění. Např. umělý sval z CNT aktuátoru se může napínat až stokrát výš než přirozený sval.
* Výrobou příze z uhlíkových trubic se zabývá např. firma General Nano, Meijo-nano Carbon, Q-flo, Plasan aj. +more Rozsáhlejšímu použití přízí brání především vysoká cena. (Vícestěnné nanotrubice stály např. v roce 2013 kolem 100 USD / kg).