Các nguyên tử carbon tạo thành nhiều dạng thù hình khác nhau với các tính chất vật lý đặc trưng, bao gồm graphite, kim cương, fullerene, ống nano và graphene. Ba dạng cuối chủ yếu là tổng hợp nhân tạo. Nguồn gốc, cấu trúc và phương pháp sản xuất của mỗi thù hình ảnh hưởng đến hiệu quả của nó khi sử dụng làm chất phụ gia, trong đó graphene và ống nano mang lại các đặc tính ưu việt nhất.

Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), còn gọi là graphene nanotubes (GNTs)	Graphene	Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)	Nanographite structures (bao gồm các lớp “graphene” mỏng, mảnh graphene (graphene nanoplatelets), graphene oxide (GO), graphene oxide khử (RGO) và các dạng khác)	Graphite structures (bao gồm carbon black)
Một lớp graphene được cuộn liền mạch thành dạng ống	Một tấm đơn hoặc đơn lớp của các nguyên tử carbon được liên kết chặt chẽ trong cấu trúc tổ ong hình lục giác	Sự sắp xếp đồng tâm của các ống nano đơn lớp (SWCNT), tức là nhiều lớp graphene cuộn liền mạch thành cấu trúc ống đồng tâm	Mảnh graphene là các tiểu cầu nhỏ của graphite; GO/RGO là graphite cỡ nano với một số lớp, có các nhóm oxy hoặc đã qua quá trình khử thêm	Một tập hợp lớn của nhiều lớp graphene
Sản xuất quy mô công nghiệp (hàng trăm tấn)	Không được thiết kế làm phụ gia cho vật liệu (sản xuất ở mức kg)	Sản xuất quy mô công nghiệp (hàng ngàn tấn)	Sản xuất quy mô công nghiệp (hàng ngàn tấn)	Sản xuất quy mô công nghiệp (hàng triệu tấn tấn)

Các phụ gia gốc carbon này, ngoại trừ graphene, được sản xuất ở quy mô hàng trăm hoặc hàng nghìn tấn và có sẵn cho các ứng dụng công nghiệp.

Carbon nanotubes

Ống nano carbon được phân thành hai loại chính: ống nano đơn lớp (SWCNT) và ống nano đa lớp (MWCNT). Dù có những điểm tương đồng, sự khác biệt về cấu trúc của chúng dẫn đến các tính chất vật lý khác biệt. SWCNT chỉ bao gồm một lớp graphene cuộn thành một hình trụ rỗng, vì vậy chúng thường được gọi là ống nano graphene (GNT). Ngược lại, MWCNT được tạo thành từ nhiều lớp graphene cuộn đồng tâm thành một ống.

Những khác biệt này giữa ống nano carbon đơn lớp và đa lớp dẫn đến các tính chất khác biệt đáng kể và tác động tương ứng lên vật liệu sau khi chúng được thêm vào.

Thông số vật lý của SWCNT so với MWCNT

* Đường kính lớn hơn có thể đạt được nhưng có thể dẫn đến sự gia tăng số lượng khuyết tật.
** Chiều dài lớn hơn có thể đạt được nhưng chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm.

Ứng dụng của ống nano carbon một lớp (SWCNT)

SWCNT có tiềm năng vượt trội như phụ gia đa chức năng, giúp cải thiện độ dẫn điện, khả năng chống tĩnh điện, độ bền, độ linh hoạt và độ bám dính cho nhiều loại vật liệu. Những cải thiện này thường đạt được với nồng độ SWCNT rất thấp (chỉ chiếm phần mười hoặc phần trăm), cho phép quy trình sản xuất hiện tại hầu như không cần thay đổi. Ứng dụng của SWCNT có thể phân loại theo ngành, vật liệu hoặc loại sản phẩm, với nhu cầu chính trong các vật liệu tổng hợp, nhựa gia cường, sơn công nghiệp, lốp xe ô tô và thiết bị lưu trữ năng lượng. Các ứng dụng thứ cấp gồm chất kết dính, chất bôi trơn, nhựa chống tĩnh điện, phim dẫn điện và cáp, và nhiều ứng dụng khácchỉ dùng lượng nhỏ SWCNT.

Thị trường tiềm năng nhất cho SWCNT

Vật liệu composite chứa ống nano carbon một lớp

SWCNT ngày càng được ứng dụng trong năng lượng thay thế, cơ sở hạ tầng và ngành công nghiệp ô tô, hàng không. SWCNT được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi vật liệu nhẹ, bền và có tính chất vật lý ưu việt như cánh tuabin gió, thân tàu và các bộ phận máy bay. Việc ứng dụng SWCNT để gia cường và tăng cường độ bền cho vật liệu composite đang tăng trưởng đều đặn trong các lĩnh vực này2, 3.

Nhựa gia cường với SWCNTs

Đáp ứng nhu cầu giảm trọng lượng và độ bền của ngành ô tô và hàng không, SWCNT tăng cường độ bền và giảm tiêu thụ nhiên liệu hoặc pin.

SWCNTs trong sơn công nghiệp

Là chất phụ gia đa chức năng, SWCNT cải thiện chất lượng sơn cho xe và thiết bị, sàn chống tĩnh điện và các thùng chứa, với tiềm năng ứng dụng trong hơn một nửa sản phẩm sơn công nghiệp.

Ống nano carbon một lớp trong lốp xe

SWCNT tăng độ cứng, khả năng chống rách, hiệu suất nhiên liệu và độ bám của lốp, mang lại tính dẫn điện mà không cần thêm chất độn, phù hợp cho phân khúc lốp cao cấp và tiêu chuẩn.

Thiết bị lưu trữ năng lượng với SWCNTs

SWCNT cải thiện nguồn điện có thể sạc lại, đặc biệt là pin lithium-ion, tăng mật độ lưu trữ và tuổi thọ, ứng dụng trong xe điện, máy tính xách tay và điện thoại di động.

SWCNTs trong các sản phẩm cao su kỹ thuật

SWCNT tăng cường độ bền, độ đàn hồi, khả năng chống mài mòn và độ bền cho các sản phẩm cao su và silicone, tiềm năng sử dụng trong một phần ba sản phẩm từ cao su.

Vật liệu kết cấu chứa ống nano carbon một lớp

Trong các vật liệu như nhựa đường, asphalt và hợp kim kim loại, SWCNT giúp kiểm soát cấu trúc và cải thiện các tính năng hoạt động.

Các thị trường tiềm năng khác cho SWCNT

Công nghệ SWCNT cho bảo vệ môi trường

SWCNTs đang được phát triển cho các ứng dụng phát hiện khí độc và chất gây ô nhiễm, cũng như trong hệ thống lọc khí và lọc chất lỏng, với tiềm năng đạt thâm nhập từ 3–5% thị trường này trong tương lai.

SWCNTs trong công nghệ sinh học và y học

Nhờ khả năng tương thích với phân tử sinh học, SWCNTs có triển vọng ứng dụng trong cảm biến sinh học, cấy ghép y tế và hệ thống cung cấp thuốc theo mục tiêu.

Điện tử và vi điện tử với SWCNTs

Độ đàn hồi và tính chất điện tử của SWCNTs hỗ trợ ứng dụng trong dệt thông minh, transistor, chip RFID, lưu trữ dữ liệu, mạch tích hợp và pin CMOS.

Tổng quan

Nhìn chung, SWCNTs có tiềm năng tác động lên đến 70% các vật liệu hiện có, đại diện cho một thị trường trị giá 3 nghìn tỷ USD. Việc tăng sản lượng và giảm chi phí sẽ thúc đẩy mở rộng ứng dụng của chúng trong nhiều công nghệ công nghiệp đa dạng.

Nguồn: https://tuball.com/articles/single-walled-carbon-nanotubes