什么是碳納米管？碳納米管的分類及在塑料中的應(yīng)用

什么是碳納米管？碳納米管的分類及在塑料中的應(yīng)用

今天談到這個主題的原因是，相對于石墨烯來說，碳納米管在塑料中的應(yīng)用就不是那么不接地氣，而是有實實在在的商業(yè)化應(yīng)用案例；在需要導(dǎo)熱，導(dǎo)電，且性能還要保持不錯的情況下，碳納米管在某些場合應(yīng)用中取代導(dǎo)電炭黑。


一、什么是碳納米管

碳納米管（CNTs)是日本NEC的Iijima教授于1991首次正式命名的，碳納米管是由石墨層巻曲而成的無縫納米管狀晶體。根據(jù)石墨層的多少可分為單壁管、雙壁管和多壁管， 由于石墨"巻曲"角度不同，碳納米管可形成椅型、Z型或手性等結(jié)構(gòu)。

碳納米管具有獨特的物理化學(xué)性能。例如就導(dǎo)電性而言，碳納米管可以是金屬性的， 也可以是半導(dǎo)體性的，甚至在同一根碳米管的不同部位，由于結(jié)構(gòu)不同，也會表現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性，而且碳納米管的導(dǎo)電性與其直徑和手性有密切關(guān)系，碳納米管被認為是--維量 7-導(dǎo)體，有研究表明碳納米管的電流運載能力是銅導(dǎo)線的一千倍。又如碳納米管有優(yōu)異的力學(xué)性能，它的比重雖為鋼的1/6，而強度卻是鋼的100倍，因為碳納米管有極高的強度， 被人們認為是有最大強度重量比的纖維和強化相的終極形式，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，它還有很好的柔性、回彈性和抗畸變的能力。

此外碳納米管還有如化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定生高、 良好的軸向?qū)嵝?、低溫超?dǎo)性、電磁波吸收特性和較好的吸附性等諸多性能。應(yīng)用研究結(jié)果表明，基于碳納米管優(yōu)良的電學(xué)、力學(xué)等性能，碳納米管可被廣泛用于能源、材料、 生命科學(xué)等高科技領(lǐng)導(dǎo)中，如它可用作新型增強材料，電子元件、隱身材料、新型貯氫材料、催化劑載體和電極材料等，其中它在電子和復(fù)合材料方面的應(yīng)用是最具有潛力的。用 碳米管制備復(fù)合材料的最大優(yōu)點是易于加工成型，而且由于碳納米管的密度較低，長徑比較高，與球狀等填料相比其體積含量可減少很多。

碳納米管是除石墨、金剛石、無定形碳和富勒烯之外元素碳的又一變體。在此， 碳原子呈六角形排列。該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于卷起的單原子或多原子石墨層，以至于形成具有通 常幾納米的直徑和最多幾毫米長度的空心圓柱體。原則上區(qū)分為多壁碳納米管和單壁碳 納米管，在文獻中通常也縮寫成MWNTs和SWNTs (源自英語：multi walled nanotubes和 single walled nanotubes)。由于范德華力，碳納米管顯示出強烈的聚集成束的傾向，所以 在擠出過程中必需通過高剪切力來解開/分散，而不會使其嚴重縮短。


二、碳納米管分類

單壁碳納米管 (SWCNTs) 也可以稱為石墨烯納米管，因為它本質(zhì)上是極薄的石墨薄片卷曲而成。這些納米管的卓越性與它們的特殊性能有關(guān)，如良好的導(dǎo)電性、耐高溫性能、極輕的重量、極好的強度和高柔韌性。0.01%的單壁碳納米管可以賦予透明聚乙烯膜永久均勻的抗靜電性，并且還可以顯著改善聚乙烯吹塑膜的強度指標，展示了其增加熱穩(wěn)定性的潛力。

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圖：單壁碳納米管

雖然單壁碳納米管的巨大潛力已經(jīng)被認可多年，但直到最近，它們在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用仍是不可行的，因為缺少大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)，價格昂貴，缺乏將它們引入材料的方法。

多壁碳納米管具有比表面積高、碳相純度高、超高長徑比的特點。該多壁碳納米管采用改性催化碳氣相沉積法制得。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于防靜電高分子材料、催化劑載體、鋰電池導(dǎo)電膠、導(dǎo)熱材料、機械增強材料等領(lǐng)域，且表現(xiàn)出優(yōu)良的產(chǎn)品性能。

此外還有雙壁碳納米管，東麗的雙壁碳納米管特點是直徑小、結(jié)晶度高。該納米管具有全球最高的導(dǎo)電性。

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三、碳納米管在塑料中的應(yīng)用

目前應(yīng)用比較多的是多壁碳納米管，雖然我們這里關(guān)注碳納米管在塑料中的應(yīng)用，其實它在鋰電方面的應(yīng)用比塑料上多得多。添加在電極材料中提升電極導(dǎo)電性能。

什么是碳納米管？碳納米管的分類及在塑料中的應(yīng)用

碳納米管能夠應(yīng)用于PE、PP、PS、ABS、PVC、PA等多種塑料以及橡膠、樹脂、復(fù)合材料中，能夠均勻分散于基體中，賦予基體優(yōu)良的導(dǎo)電性能。廣泛應(yīng)用于以下行業(yè)：

薄膜、各種塑料制品

抗靜電包裝

電子器件的包裝、傳輸、處理材料

導(dǎo)電膠輥，傳輸帶，密封件

汽車工業(yè)

動力電纜及配件

導(dǎo)電涂料

膠片盤

電磁屏蔽，軍工領(lǐng)域

碳納米管添加量僅為導(dǎo)電炭黑的三——五分之一，即可達到與其相同的導(dǎo)電性，不會因為導(dǎo)電填料過多添加造成塑料力學(xué)性能的損失。

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四、碳納米管母粒

碳納米管功能母粒是碳納米管預(yù)分散在聚合物樹脂中制成的具有較高碳納米管含量的功能母粒，通常是將碳納米管與在熔融狀態(tài)下的熱塑性聚合物進行充分混煉后冷卻切粒得到。使用碳納米管功能母粒，可避免在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的粉塵，有利于人員健康和環(huán)保。

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碳納米管PC功能母粒概述

1. 碳納米管有限成份濃度為25wt%，添加2——20wt%即獲得抗靜電或?qū)щ娦Ч?br>
2. 塑料導(dǎo)電添加劑，賦予制品永久抗靜電、靜電耗散、導(dǎo)電和電磁屏蔽等性能；

3. 預(yù)分散母粒，選擇合適的基體，具有優(yōu)異的分散效果；母?；旌线^程簡單、潔凈且易操作；

4. 力學(xué)性能好，特別對材料的力學(xué)性能保持率高，如韌性和抗沖；制品表面耐磨、耐刮擦，表面光潔性好；

4. 材料經(jīng)再生和回收用時，導(dǎo)電性能幾乎保持不變。


五、碳納米管國內(nèi)參與者

深圳市德方納米科技股份有限公司（Shenzhen Dynanonic Co., Ltd.）成立于2007年1月，是一家致力于納米材料開發(fā)直至產(chǎn)業(yè)化，集研發(fā)、生產(chǎn)和銷售納米材料及其應(yīng)用產(chǎn)品為一體的國家級高新技術(shù)企業(yè)。公司總部位于深圳市南山區(qū)，并先后在廣東省佛山市、山東省肥城市和深圳市坪山區(qū)建立了研發(fā)和生產(chǎn)基地。

深圳市三順納米新材料股份有限公司創(chuàng)立于2011年，是一家專注于碳納米技術(shù)的研發(fā)與碳納米材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的國家級高新技術(shù)企業(yè)，公司致力于開發(fā)、生產(chǎn)高性能碳納米管（CNTs），產(chǎn)品應(yīng)用于二次鋰電池導(dǎo)電劑、工程塑料、透明導(dǎo)電膜、場發(fā)射等。

中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司是由成立于1958年的中國科學(xué)院成都有機化學(xué)研究所，于2001年整體轉(zhuǎn)制為中國科學(xué)院控股的企業(yè)。公司致力于精細化工和新材料行業(yè)的成果轉(zhuǎn)化以及規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，并提供有特色的產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)，目前已發(fā)展成為集研究開發(fā)、工程化驗證、產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)營等為一體的綜合性高新技術(shù)企業(yè)。

山東大展納米材料有限公司專注于碳納米材料的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用性開發(fā)及銷售，在橡膠、塑料、鋰電池、各種復(fù)合材料中已廣泛應(yīng)用。建設(shè)有千噸級的納米材料及其應(yīng)用生產(chǎn)線，公司先后通過了ISO9000認證、ISO14000認證、OHSAS18000認證，碳納米管產(chǎn)品通過了歐盟RoHS認證。

山東華企新材料科技有限公司位于美麗的泉城—濟南，公司主要研發(fā)銷售石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電漿料、導(dǎo)電母粒、發(fā)熱材料等，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于涂料、橡膠、塑料、鋰電池、及各種復(fù)合材料，公司跟艾達科技聯(lián)合開發(fā)的生態(tài)地暖發(fā)熱膜已經(jīng)在市場上得到一致好評，致力為碳材料應(yīng)用盡一份微薄之力！


六、碳納米管價格

碳納米管價格都是在200——600元/kg之間

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七、碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用

碳納米管能夠提高塑料等基材的導(dǎo)電，導(dǎo)熱性能，且添加量少。在制品使用過程中，不像炭黑容易脫落。比如集成電路托盤材料需具有優(yōu)異的機械性能，良好的靜電消散能力，耐熱性高，尺寸穩(wěn)定，翹曲小等特性，碳納米管復(fù)合材料就非常適合。

道達爾:電子產(chǎn)品的包裝

“其實碳納米管也不是什么新鮮事物，它早在1991年就被研發(fā)出來。但是一直未能應(yīng)用在塑料中，因為納米級的物體都有容易團聚的共性，業(yè)界一直未能解決將碳納米管從碳納米管粉中分離并在塑料中均勻分散和分布的難題?！钡肋_爾特種化學(xué)品全球銷售總監(jiān)Claude Delahaut說?！暗肋_爾正是攻克了這一難題，讓碳納米管可應(yīng)用于塑料中?！睋?jù)Claude Delahaut介紹，業(yè)界通常通過涂布導(dǎo)電液或者添加碳黑顆粒的方式來實現(xiàn)塑料導(dǎo)電，“但是碳黑顆粒一般要添加到20%以上的含量，才能實現(xiàn)導(dǎo)電，這樣不但會影響材料的物理性能，而且在摩擦過程中，產(chǎn)品表面容易有碳黑顆粒脫落造成污染”?！暗肋_爾的碳納米管混配料技術(shù)，只需添加1%-2%的碳納米管，便可實現(xiàn)導(dǎo)電；碳納米管材料不吸濕、無需干燥，清凈度高，洗機轉(zhuǎn)換速度也較快，生產(chǎn)碳黑產(chǎn)品洗機轉(zhuǎn)換通常需要10-12個小時，而生產(chǎn)碳納米管材料只需0.5至1個小時，便可完成洗機轉(zhuǎn)換?！盋laude Delahaut補充說。

什么是碳納米管？碳納米管的分類及在塑料中的應(yīng)用

Claude Delahaut表示，輕量化讓塑料在包裝及?；返拇鎯\輸中發(fā)著越來越大的作用?！爸袊鳛殡娮赢a(chǎn)品的消費大國，消費者對電子產(chǎn)品的包裝要求也在不斷提升；同時近年來中國發(fā)生的?；繁ㄊ录沧屓藗兏由髦貙Υ；返倪\輸存儲。添加了碳納米管的塑料包裝或存儲罐，可有效解決靜電問題，減少安全事故的發(fā)生。

沃特新材料：金融產(chǎn)品上應(yīng)用

沃特新材料早在幾年前就進行了研發(fā)，分散技術(shù)也做得比較好，目前還可以直接使用碳納米管原粉添加到塑料中。下圖為沃特碳納米管復(fù)合材料在ATM柜員機上的應(yīng)用；

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