Conception de matériaux de nanotubes de carbone soignés et composites par caractérisation porosimétrique

Contexte

Un milieu poreux est un matériau contenant des pores fins dans toute sa matrice. Les pores sont classés en micropores (< 2 nm), mésopores (2-50 nm) et macropores (> 50 nm) en fonction de leur taille par la notation IUPAC. Les nanotubes de carbone (CNT), qui ont beaucoup attiré l'attention en tant que matériaux fibreux à l'échelle nanométrique avec des surfaces spécifiques élevées, sont prometteurs en tant que matériaux poreux [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13]. Les NTC possèdent des rapports d'aspect élevés (diamètre de ~ 1-100 nm, longueur de plusieurs centaines de nanomètres à plusieurs millimètres) et forment des faisceaux comprenant plusieurs à plusieurs dizaines de nanotubes individuels par la force de van der Waals [14, 15]. Les faisceaux de CNT s'emmêlent pour former des agglomérats de CNT, ainsi ces structures de CNT peuvent construire des pores entre des CNT et/ou des faisceaux de CNT individuels (micropores, mésopores et macropores). Sur la base de ces structures poreuses, les matériaux CNT purs présentent d'excellentes caractéristiques telles que des surfaces spécifiques élevées, une capacité d'adsorption et un effet de séparation ; de plus, ils peuvent être combinés avec d'autres matériaux pour former des composites. Les applications prometteuses des NTC sont les matériaux d'électrode, les filtres à gaz et à liquide, les supports de microparticules fonctionnelles, les matériaux conducteurs élastiques et les matériaux de structure. Pour ces applications, les NTC peuvent être utilisés comme matériaux poreux sous forme de feuille comme Buckypaper [14], sous forme de masse ou de structures en réseau dans des matrices telles que le caoutchouc, la résine et le métal, où l'estimation et le contrôle des structures de pores sont importants. Le contrôle des structures de pores formées par les NTC a conduit à la multifonctionnalité des matériaux et composites à base de NTC soignés ; cependant, la corrélation entre les structures des pores et leurs fonctions a été difficile à étudier.

N₂ La méthode d'adsorption a jusqu'à présent été utilisée pour estimer les pores des agglomérats de NTC tels que Buckypaper [1,2,3,4,5,6,7, 9,10,11,12,13, 16]. Les micropores et les mésopores, d'une taille <  50 nm, peuvent être mesurés par cette méthode ; cependant, les macropores> 50 nm pour les agglomérats de NTC sortent de la plage de mesure. En conséquence, nous proposons une porosimétrie capable de mesurer des macropores> 50 nm pour estimer la taille des pores. La porosimétrie par intrusion de mercure dans les pores permet de mesurer la distribution de la taille des pores (diamètre et volume des pores) sur une large gamme de quelques nanomètres à plusieurs centaines de micromètres (mésopores et macropores). La porosimétrie utilise une grande tension superficielle de mercure lorsque le métal liquide pénètre dans les pores en appliquant une pression sur un matériau poreux. La distribution de la taille des pores est ensuite calculée à partir de la pression et de la quantité de mercure introduite. Les matériaux carbonés ont déjà été étudiés par porosimétrie, pour les brins de fibre de carbone, le graphite et le charbon actif. Cependant, les agglomérats de NTC n'ont pas été étudiés de manière approfondie pour les tailles de pores qui s'étendent de quelques nanomètres à plusieurs micromètres [16,17,18,19].

Afin de voir l'utilité de la méthode basée sur la porosimétrie pour les agglomérats de NTC, nous avons utilisé (1) différents types de NTC, (2) différentes formes d'agglomérats de NTC, (3) des dispersions de NTC fabriquées dans différents solvants et (4) différents types des méthodes de dispersion. Ces paramètres sont importants pour contrôler la taille des pores des agglomérats de NTC. Tout d'abord, divers NTC (nanotube de carbone monoparoi Super Growth (SG SWNT), HiPco SWNT, CoMoCAT SWNT, nanotube de carbone multi-parois Bayern (MWNT), fibre de carbone à croissance vapeur (VGCF)) ont été dispersés dans un solvant par un homogénéisateur de broyeur à jet. Les suspensions résultantes ont été filtrées pour obtenir des Buckypapers, puis leurs pores ont été caractérisés. La taille des pores de ces agglomérats de NTC a changé en fonction du type de NTC (diamètre, nombre de parois), selon lequel on peut classer divers NTC. Ensuite, nous avons étudié des formes clairsemées à denses d'agglomérats de NTC et avons découvert qu'elles se distinguaient par les différentes tailles de pores. De plus, la corrélation entre la dispersibilité des NTC dans divers solvants et la taille des pores des agglomérats de NTC a été démontrée. Lorsqu'il est dispersé dans N ,N -diméthylformamide (DMF) connu pour disperser efficacement les NTC, la taille des pores des agglomérats de NTC est devenue plus petite que celle des solvants pauvres.

En prenant ces résultats en considération, nous avons pu clarifier la corrélation entre la conductivité électrique des composites de caoutchouc CNT et la taille des pores des agglomérats de CNT, ce qui ouvre la voie à la conception de matériaux conducteurs élastiques CNT en utilisant leurs tailles de pores. Nous proposons cette technologie de caractérisation basée sur la porosimétrie comme méthode standard pour mesurer les pores des agglomérats de NTC, ce qui donne également une orientation claire pour contrôler la taille des pores et concevoir des matériaux et composites à base de NTC soignés.

Méthodes

Synthèse CNT

Les SWNT SG ont été synthétisés dans un four tubulaire entièrement automatique par dépôt chimique en phase vapeur assisté par eau à l'aide d'un C₂ H₄ source de carbone sur des feuilles métalliques en alliage Fe-Ni-Cr (YEF426) avec Fe/Al₂ O₃ films métalliques catalyseurs [8]. La synthèse a été faite en utilisant He avec H₂ comme gaz vecteur (débit total 1000 sccm) à 1 atm avec une quantité contrôlée de vapeur d'eau (concentration 100 à 150 ppm). La croissance SWNT a été réalisée à 750 °C avec C₂ H₄ (100 sccm) pendant 10 min. La hauteur de la forêt SWNT synthétisée était de 100 μm à 1 mm.

Matériaux

HiPco SWNT Super Purified, CoMoCAT SWNT CG200, Bayer MWNT Baytubes C70P et VGCF ont été achetés auprès d'Unidym Inc., Southwest Nanotechnologies, Bayer MaterialScience et Inc., Showa Denko K. K., respectivement. Le caoutchouc fluoré (Daiel-G912) a été acheté auprès de Daikin Co.

Dispersion CNT

Les NTC ont été dispersés à la concentration de 0,03 % en poids dans le solvant par un homogénéisateur à jet haute pression (60 MPa, 1 passage, nano-jet pal, JN10, Jokoh) à l'exception des dispersions de NTC pour fabriquer des feuilles composites en caoutchouc NTC. Les solvants utilisés étaient le MIBK, le DMF, l'éthanol et l'eau. Le broyage par jet exfolie les matériaux en éjectant les suspensions à travers une buse et possède un avantage significatif par rapport aux autres méthodes de dispersion, telles que les ultrasons, pour suspendre de longs NTC avec des effets de raccourcissement minimes.

Préparation des Buckypapers

La filtration des dispersions de CNT à 0,01 % en poids a été effectuée par des filtres à membrane avec des pores de 0,2 à 0,4 μm. Les gâteaux de filtration ont été séchés sous vide à 180°C pendant une nuit. Les Buckypapers résultants de 4 cm de diamètre avaient une épaisseur de ~ 50 μm.

Porosimétrie des agglomérats de NTC

Les pores (diamètre et volume des pores) des agglomérats de NTC ont été mesurés par porosimètre à mercure (Quantachrome PoreMaster 60). La relation entre la pression appliquée P et le diamètre des pores dans lesquels le mercure pénètre D est exprimé par l'équation de Washburn :D = (− 4γcosθ )/P où γ est la tension superficielle de Hg (0,48 N m ⁻¹ ) et θ est l'angle de contact entre le mercure et la paroi des pores (140°) [20]. En surveillant le volume de mercure pénétré par rapport à la pression appliquée, la taille des pores et la distribution du volume peuvent être obtenues sur la base de l'équation de Washburn. Des papiers Bucky (50 à 100 mg) ont été coupés en petits morceaux d'environ 5 mm ² à charger dans une cellule de porosimètre. Concernant la forêt SWNT et les SWNT alignés, fortement emballés, petits morceaux d'environ 5 mm ² ont également été chargés dans une cellule de porosimètre de 4 mL en volume.

Préparation de feuilles composites en caoutchouc CNT

Tout d'abord, diverses dispersions SG SWNT/MIBK ont été réalisées à la concentration de CNT de 0,125 % en poids à l'aide de trois types de machines de dispersion :(1) écoulement turbulent (Nanomiseur :30 MPa 1 passe, 100 MPa 1 passe, 120 MPa 1 passe, au total 3 passes, Star Burst Labo :100 MPa 1 passe, 120 MPa 1 passe, au total 2 passes), (2) cavitation (sonde sonicateur Vibra-Cell VCX 130 :130 W, 20 kHz, amplitude 100 %, 10 min), (3) force mécanique (bille collision-mill Star Burst Mini :bille en céramique, 100 MPa 1 passe, 120 MPa 1 passe, au total 2 passes, broyeur à billes Dyno-mill :billes de zircone 0,1 mm, 8 m/s, 120 min, mélangeur centrifuge à couche mince Filmix :25 m/s, 30 min, agitateur de peinture Toyo Seiki :750 tr/min, 60 min, disperseur par lots à cisaillement élevé Ultra-turrax :14 600 rpm, 30 min, broyeur à rotor Pulverisette 14 :10 000 tr/min, 1 min). Deuxièmement, des feuilles composites en caoutchouc SG SWNT à 10 % en poids ont été fabriquées en mélangeant une dispersion de SG SWNT/MIBK et une solution de caoutchouc fluoré/MIBK, puis en les coulant dans une boîte de Pétri et en évaporant le solvant à 25 °C pendant 16 h, puis en séchant à 80 ° C sous vide pendant 6 h. Les feuilles composites résultantes de 4 cm de diamètre avaient une épaisseur d'environ 150 μm.

Observation structurelle des agglomérats de CNT

Un microscope électronique à balayage FE-SEM S-4800 (Hitachi High-Technologies Co.) a été réalisé pour observer la structure des agglomérats de NTC. Les spécimens ont été fabriqués par centrifugation des dispersions de NTC sur des substrats de Si.

Mesure de la conductivité électrique des feuilles composites en caoutchouc CNT

Les conductivités des feuilles composites en caoutchouc ont été mesurées avec la méthode de la sonde à 4 points (MCP-T610, Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.). Dix points sur une feuille composite ont été mesurés pour estimer la valeur moyenne de la conductivité et l'écart type de la résistance de surface.

Résultats et discussion

Divers types de CNT

Tout d'abord, divers NTC ont été mis en suspension dans un solvant de méthylisobutylcétone (MIBK) et dispersés à travers le cisaillement généré par l'écoulement turbulent d'un homogénéisateur de broyeur à jet haute pression pour obtenir des suspensions de NTC. Les suspensions de NTC ont été filtrées pour fabriquer des Buckypapers (Fig. 1a). Ces Buckypapers ont été découpés en petits morceaux d'environ 5 mm ² et chargé dans une cellule de porosimètre à intrusion de mercure (4 mL). Les pores des Buckypapers ont ensuite été mesurés à l'aide d'un porosimètre, qui englobait une large plage de mesure de 10 nm à 10 μm pour les mésopores et les macropores. Les volumes des pores (quantité de mercure intrusé :intrusion différentielle log (mL/g)) ont été tracés en fonction du diamètre des pores sur la figure 1b.

Comparaison des pores de différents Buckypapers de NTC par porosimètre. un Schéma pour faire un Buckypaper, b la distribution de leur volume de pores (quantité de mercure intrusif) en fonction du diamètre des pores, et c Images SEM des différentes structures de réseau de NTC revêtues par centrifugation sur des surfaces planes, montrant la distribution élargie de la taille des pores et l'augmentation du volume des pores avec l'augmentation du diamètre des NTC (SWNT à MWNT)

Des pics larges uniques ont été observés pour les NTC ayant de petits diamètres (CoMoCAT SWNT, diamètre 1 ± 0,3 nm, longueur 1 ± 0,3 μm ; HiPco SWNT, diamètre ~ 0,8–1,2 nm, longueur ~ 0,1–1 μm ; et SG SWNT, diamètre 3 nm , longueur plusieurs centaines de micromètres). Ces sommets de pics étaient situés autour de plusieurs dizaines de nanomètres de diamètre de pores. En revanche, des pics plus larges ont été observés pour les NTC de grand diamètre (Bayer MWNT, diamètre ~ 13 nm, longueur> 1 μm ; VGCF, diamètre 150 μm, longueur 8 μm). Les pics étaient au voisinage de 1 μm de diamètre de pores. Dans le cas de Bayer MWNT, une forte augmentation a été observée à un diamètre de pores de 30 nm, et cela pourrait être attribuable aux pores entre les MWNT individuels [16]. En comparant ces différents pores, nous avons révélé que les Buckypapers de NTC avec un diamètre plus grand et un nombre accru de parois entraînaient une distribution de taille de pores plus large et un volume de pores plus important. Les pores d'une taille supérieure à 50 nm pour les agglomérats de NTC (macropores) ont été estimés à l'aide d'une porosimétrie, et nous avons démontré que la distribution de la taille des pores changeait en fonction du type de NTC.

Pour caractériser la morphologie de ces divers agglomérats de NTC poreux, des aliquotes de suspensions de NTC ont été déposées par centrifugation sur des substrats plats, et l'observation au microscope électronique à balayage (MEB) a montré des structures en réseau d'agglomérats de NTC enchevêtrés (Fig. 1c). De fines structures de réseaux et des pores de plusieurs dizaines à 200 nm ont été observés pour les SWNT de petits diamètres. D'autre part, des structures de réseau éparses et des pores de plusieurs centaines de nanomètres à plusieurs micromètres ont été observés pour les MWNT de grands diamètres. Ces observations correspondaient aux données de porosimétrie, qui indiquaient que la porosimétrie était une méthode efficace pour analyser les pores des agglomérats de NTC.

Différentes formes d'agglomérats de CNT

Pour distinguer différentes formes d'agglomérats de NTC, leur densité apparente a jusqu'à présent été mesurée en tant que méthode macroscopique; cependant, la méthode microscopique n'a pas été rapportée. Ici, nous avons étudié différentes formes d'agglomérats de NTC allant d'une structure peu dense de forêt de NTC au réseau de faisceaux de NTC avec un emballage de niveau moyen [21] jusqu'à des NTC alignés et fortement compactés [9] (Fig. 2a).

un Schéma de conversion de la forêt SG SWNT en réseau de bundles SWNT ou en SWNT alignés et hautement emballés et leurs images SEM, et b comparaison des pores pour ces structures SWNT (Encart :la coupure à une intrusion différentielle log de 0 à 1,2 mL/g), montrant que les structures SWNT peu denses à denses peuvent être classées en fonction des pores

En ce qui concerne les trois formes d'agglomérats différentes composées des mêmes CNT (SG SWNT), les images SEM ont été présentées sur la figure 2a. Premièrement, une structure éparse de forêt SWNT a été caractérisée. Les SWNT ont été cultivés par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assisté par eau (CVD) (méthode « Super-Growth CVD ») [8]. Dans cette méthode, un niveau infime (~ 150 ppm) d'eau est inséré dans l'environnement de croissance pour augmenter l'activité du catalyseur. Les forêts de SWNT sont des matériaux très clairsemés où les SWNT n'occupent que < 5 % du volume, la densité apparente est faible (~ 0,03 g/cm ³ ), les SWNTs longs et flexibles sont faiblement enchevêtrés et orientés perpendiculairement au substrat. L'observation SEM de la forêt SWNT a montré plusieurs dizaines de nanomètres à quelques micromètres de pores entre les SWNT orientés.

Deuxièmement, un réseau de bundles SWNT a été caractérisé. Cette forme d'agglomérat a donné les SG SWNTs Buckypaper en filtrant la suspension de CNT comme le montre la Fig. 1, qui sont des agglomérats de SWNT dispersés à partir de forêts de SWNT par un homogénéisateur de broyeur à jet haute pression. L'observation SEM a montré une structure en réseau de faisceaux de NTC enchevêtrés et plusieurs dizaines de pores nanométriques (Fig. 2a).

Troisièmement, des SWNT alignés et hautement compactés ont été fabriqués pour la porosimétrie. Lorsque des liquides sont appliqués dans la forêt clairsemée de SWNT et séchés, la tension superficielle des liquides et les fortes interactions de van der Waals assemblent efficacement les nanotubes ensemble à un espacement graphitique presque idéal. Ce tassement se produit en deux étapes :immersion et évaporation du liquide, et les nanotubes sont rapprochés par les forces capillaires du liquide et les forêts se densifient lors de l'évaporation du liquide [9]. L'image SEM de SWNT alignés et très compacts a révélé des structures d'agglomérats de CNT orientés à haute densité (Fig. 2a). Les pores étaient plus petits que ceux trouvés dans les forêts SWNT et le réseau de faisceaux SWNT.

Les résultats de porosimétrie ont été décrits comme suit pour les trois différentes formes d'agglomérats (Fig. 2b). Le volume des pores a diminué dans l'ordre de la forêt SWNT, du réseau de faisceaux SWNT et des SWNT alignés et hautement emballés. Cela appuyait fortement les densités apparentes des trois différentes formes d'agglomérats (0,03, 0,4, 0,6 g/cm ³ ) [8, 9] et a démontré que notre méthode peut être utilisée pour classer la forme des agglomérats de NTC. Le réseau de faisceaux SWNT possédait une distribution de taille de pores plus large et un volume de pores plus important que les SWNT alignés et fortement emballés. Par rapport à ces deux formes d'agglomérats de NTC, la distribution de la taille des pores de la forêt SWNT était beaucoup plus large et le volume des pores était plus grand. Ces résultats correspondaient à la taille de leurs pores d'après les observations SEM.

Dispersions de CNT fabriquées dans différents solvants

De plus, nous rapportons la corrélation entre la dispersibilité des CNT dans le solvant et la taille des pores des agglomérats de CNT. Les forêts de SG SWNT ont été dispersées dans divers solvants (DMF, MIBK, éthanol, eau) par un homogénéisateur à jet haute pression. Toutes ces suspensions de NTC étaient très stables sans précipitation de NTC (durée de conservation supérieure à 1 an) [21] (Fig. 3). Leurs Buckypapers ont été fabriqués à partir des suspensions de CNT pour la porosimétrie. Des pics larges uniques ont été observés avec les sommets autour de plusieurs dizaines de nanomètres de diamètre de pores. Selon le type de solvant, le diamètre des pores avec le volume de pores maximal (log différentiel d'intrusion) augmente dans l'ordre du DMF, du MIBK, de l'éthanol et de l'eau (22, 45, 73, 95 nm). De plus, la distribution des pores s'est élargie et le volume total des pores a augmenté dans l'ordre du DMF, du MIBK, de l'éthanol et de l'eau (Fig. 3a).

Comparaison des pores des papiers SG SWNT Bucky fabriqués par différents solvants. un Leur distribution de volume poreux en fonction du diamètre des pores, et b Images SEM des différentes structures de réseau de faisceaux SWNT revêtues par centrifugation sur des surfaces planes, photographies des dispersions, réalisées à l'aide de diméthylformamide (DMF), de méthylisobutylcétone (MIBK), d'éthanol et d'eau, montrant une corrélation entre la dispersibilité des CNT dans le solvant et la taille des pores des agglomérats de CNT

Pour l'observation SEM, des aliquotes de ces suspensions de NTC ont été déposées par centrifugation sur des substrats plats. Des structures en réseau des agglomérats de NTC ont été observées pour toutes les suspensions (Fig. 3b). Concernant la dispersibilité des NTC, la différence entre les différents solvants a été rapportée [22,23,24,25,26]. Le DMF est connu comme un bon solvant pour disperser davantage les NTC. L'alcool comme l'éthanol et l'eau sont de mauvais solvants pour les NTC. MIBK se situe au milieu des bons et des mauvais solvants. Dans cette étude, le degré de dispersibilité des NTC a changé en fonction des solvants; lorsqu'ils sont dispersés dans le bon solvant, des faisceaux de NTC plus fins ont été observés et la taille des pores des agglomérats de NTC a diminué. Ces résultats étaient en bon accord avec la mesure de porosimétrie.

Différents types de méthodes de dispersion

Sur la base de ces connaissances sur les pores de divers agglomérats de NTC, nous avons étudié la corrélation entre la taille des pores des Buckypapers SG CNT et la conductivité électrique des composites de caoutchouc CNT. Premièrement, pour fabriquer diverses structures de pores formées par des CNT SG, la dispersion dans MIBK a été réalisée par diverses méthodes de dispersion, qui sont classées en trois types de mécanismes de dispersion :(1) écoulement turbulent (Nanomizer, Star Burst), (2) cavitation (sonicateur à sonde) et (3) force mécanique (broyeur à billes, broyeur à billes, mélangeur à rotation à couche mince, agitateur de peinture, disperseur de lots à cisaillement élevé, broyeur à rotor) [27].

Ces CNT différemment dispersés ont montré une grande variété de distribution de taille de pores (Fig. 4a, b) et de structures dispersées (Fig. 4c). Premièrement, les méthodes basées sur l'écoulement turbulent ont fourni de petits réseaux de faisceaux de CNT et ont abouti à des pores fins ayant le diamètre des pores avec les sommets autour de 60-70 nm. Deuxièmement, une méthode basée sur la cavitation a donné un grand réseau de faisceaux de CNT avec une large distribution de la taille des pores. Troisièmement, les méthodes basées sur la force mécanique ont fourni à la fois des réseaux de faisceaux de CNT petits et grands qui possèdent une large distribution de taille de pores et des diamètres de pores avec un volume de pores maximum (intrusion différentielle logarithmique) à des points plus grands de 90 nm à 10 μm que ceux d'un écoulement turbulent -méthodes basées.

Comparaison des pores des papiers SG SWNT Bucky fabriqués par différentes méthodes de dispersion. un , b Leur distribution de volume poreux en fonction du diamètre des pores. c Images SEM des différentes structures de réseau de faisceaux SWNT revêtues par centrifugation sur des surfaces planes

Ces pores formés par les NTC ont une influence significative sur les performances des matériaux à base de NTC tels que les films, les feuilles et la masse, ainsi que sur celles des composites NTC. Pour démontrer la relation entre les performances des composites CNT et la taille des pores des agglomérats de CNT, une feuille composite de caoutchouc CNT a été choisie comme matériau conducteur élastique. Un matériau conducteur élastique, qui combine à la fois des propriétés d'élasticité et de conductivité électrique, est porteur d'espoir dans le nouveau domaine émergent de l'électronique extensible. Il a été récemment rapporté que les composites de caoutchouc CNT étaient une combinaison synergique de longs SWNT et d'un caoutchouc fluoré atteignant à la fois une conductivité électrique et une durabilité dynamique à des niveaux élevés [28,29,30]. Pour fabriquer des composites de caoutchouc CNT, la dispersion SG CNT/MIBK a été mélangée avec une solution de caoutchouc fluoré/MIBK. Le mélange de SG CNT/caoutchouc/MIBK a été coulé dans une boîte de Pétri et le solvant a été éliminé par évaporation et séchage sous vide, ce qui a donné la feuille composite de caoutchouc CNT à 10 % en poids (Fig. 5a).

Corrélation entre la taille des pores des Buckypapers SG SWNT et la conductivité électrique des composites SG SWNT/caoutchouc. un Schéma de fabrication d'un composite à 10 % en poids de NTC/caoutchouc. b Leur conductivité électrique en fonction du diamètre des pores possédant un volume de pores maximum pour leurs Buckypapers

Étant donné que les pores formés par les NTC, où le caoutchouc était rempli, sont très difficiles à caractériser directement, les données des pores formés par des agglomérats de NTC différemment dispersés (Buckypapers, Fig. 4a, b) ont été utilisées pour se combiner avec la conductivité électrique des composites de caoutchouc NTC. Les diamètres des pores avec les sommets (volume des pores :intrusion différentielle logarithmique) ont été tracés en fonction de la conductivité électrique des composites de caoutchouc CNT (Fig. 5b). Les méthodes basées sur l'écoulement turbulent (taches rouges) ont montré la conductivité électrique élevée (33, 28 S/cm) du composite et de petits diamètres de pores avec le volume de pores maximal (72, 61 nm). Une méthode basée sur la cavitation a donné une conductivité quelque peu inférieure à celles des méthodes basées sur la turbulence (20 S/cm) et un petit diamètre de pores avec le volume de pores maximal (56 nm). D'autre part, les méthodes basées sur la force mécanique ont fourni une conductivité inférieure à celles des méthodes susmentionnées (< 16 S/cm) et des diamètres de pores importants avec un volume de pores maximal (90 nm à 10 μm).

Nous avons trouvé une conductivité électrique plus grande pour les composites de caoutchouc CNT avec un diamètre de pores plus petit et un volume de pores maximal pour les papiers Bucky. Il a été rapporté que les méthodes basées sur les flux turbulents exfolient efficacement les faisceaux de NTC avec un minimum de dommages aux NTC [27] ; les petits réseaux de faisceaux de CNT à pores fins (Fig. 4a, c) ont été bénéfiques pour créer des composites de caoutchouc à haute conductivité. Bien que d'autres méthodes de dispersion puissent également exfolier les faisceaux de NTC, le degré d'exfoliation était plus faible et la taille des pores était plus grande (Fig. 4) par rapport aux méthodes basées sur l'écoulement turbulent. De plus, les dommages importants aux NTC dans les processus de dispersion ont été préjudiciables, ce qui a conduit à un faible niveau de conductivité pour les composites de caoutchouc.

Nous avons caractérisé divers pores classés par types de CNT et paramètres de dispersion. Pour contrôler ces pores d'agglomérats de NTC, une méthode de dispersion était plus influente qu'une sorte de solvant. Cependant, ces résultats étaient basés sur un type de CNT, et une enquête plus approfondie avec d'autres CNT serait souhaitable d'un point de vue industriel.

Conclusions

Nous avons développé une méthode de caractérisation basée sur la porosimétrie pour les pores des agglomérats de NTC. Un N₂ conventionnel la méthode d'adsorption est disponible pour estimer une partie (micropores < 2 nm et mésopores 2–50 nm) des pores des agglomérats de NTC ; cependant, la caractérisation des macropores> 50 nm n'a pas été établie. Les pores des agglomérats de NTC (mésopores et macropores) ont été caractérisés avec succès pour les NTC avec différents diamètres et nombre de parois, et des formes peu à denses d'agglomérats de NTC. Nous avons également révélé que la dispersibilité des NTC dans le solvant était en corrélation avec la taille des pores des agglomérats de NTC. Ces connaissances ont été utilisées pour étudier la corrélation entre la conductivité électrique des composites de caoutchouc CNT et la taille des pores des agglomérats de CNT. Par conséquent, les technologies de caractérisation des pores des agglomérats de NTC seraient un bon guide pour concevoir des matériaux et des composites à base de NTC soignés.

Bien que cette méthode utilise du mercure, qui impose une charge environnementale, elle permet d'estimer les pores (mésopores et macropores) pour les agglomérats de NTC. De plus, notre méthode devrait constituer une technologie fondamentale pour caractériser les pores des agglomérats de NTC et constituera une plate-forme solide pour les applications de matériaux et composites à base de NTC.