碳纳米管在塑料中的应用

今天谈到这个主题的原因是，相对于石墨烯来说，碳纳米管在塑料中的应用就不是那么不接地气，而是有实实在在的商业化应用案例；在需要导热，导电，且性能还要保持不错的情况下，碳纳米管在某些场合应用中取代导电炭黑。小编整理了部分资料，如果有错误或者未完善，您可以发邮件给我，jyg@polytpe.com。

一、什么是碳纳米管

碳纳米管（CNTs)是日本NEC的Iijima教授于1991首次正式命名的，碳纳米管是由石墨层巻曲而成的无缝纳米管状晶体。根据石墨层的多少可分为单壁管、双壁管和多壁管， 由于石墨"巻曲"角度不同，碳纳米管可形成椅型、Z型或手性等结构。

碳纳米管具有独特的物理化学性能。例如就导电性而言，碳纳米管可以是金属性的， 也可以是半导体性的，甚至在同一根碳米管的不同部位，由于结构不同，也会表现出不同的导电性，而且碳纳米管的导电性与其直径和手性有密切关系，碳纳米管被认为是--维量 7-导体，有研究表明碳纳米管的电流运载能力是铜导线的一千倍。又如碳纳米管有优异的力学性能，它的比重虽为钢的1/6，而强度却是钢的100倍，因为碳纳米管有极高的强度， 被人们认为是有最大强度重量比的纤维和强化相的终极形式，由于其特殊的结构，它还有很好的柔性、回弹性和抗畸变的能力。

此外碳纳米管还有如化学稳定性好、热稳定生高、 良好的轴向导热性、低温超导性、电磁波吸收特性和较好的吸附性等诸多性能。应用研究结果表明，基于碳纳米管优良的电学、力学等性能，碳纳米管可被广泛用于能源、材料、 生命科学等高科技领导中，如它可用作新型增强材料，电子元件、隐身材料、新型贮氢材料、催化剂载体和电极材料等，其中它在电子和复合材料方面的应用是最具有潜力的。用 碳米管制备复合材料的最大优点是易于加工成型，而且由于碳纳米管的密度较低，长径比较高，与球状等填料相比其体积含量可减少很多。

碳纳米管是除石墨、金刚石、无定形碳和富勒烯之外元素碳的又一变体。在此， 碳原子呈六角形排列。该结构相当于卷起的单原子或多原子石墨层，以至于形成具有通 常几纳米的直径和最多几毫米长度的空心圆柱体。原则上区分为多壁碳纳米管和单壁碳 纳米管，在文献中通常也缩写成MWNTs和SWNTs (源自英语：multi walled nanotubes和 single walled nanotubes)。由于范德华力，碳纳米管显示出强烈的聚集成束的倾向，所以 在挤出过程中必需通过高剪切力来解开/分散，而不会使其严重缩短。

二、碳纳米管分类

单壁碳纳米管 (SWCNTs) 也可以称为石墨烯纳米管，因为它本质上是极薄的石墨薄片卷曲而成。这些纳米管的卓越性与它们的特殊性能有关，如良好的导电性、耐高温性能、极轻的重量、极好的强度和高柔韧性。0.01%的单壁碳纳米管可以赋予透明聚乙烯膜永久均匀的抗静电性，并且还可以显著改善聚乙烯吹塑膜的强度指标，展示了其增加热稳定性的潜力。

图：单壁碳纳米管，来源ocsial

虽然单壁碳纳米管的巨大潜力已经被认可多年，但直到最近，它们在工业中的广泛应用仍是不可行的，因为缺少大规模生产的技术，价格昂贵，缺乏将它们引入材料的方法。

多壁碳纳米管具有比表面积高、碳相纯度高、超高长径比的特点。该多壁碳纳米管采用改性催化碳气相沉积法制得。该产品可广泛应用于防静电高分子材料、催化剂载体、锂电池导电胶、导热材料、机械增强材料等领域，且表现出优良的产品性能。

此外还有双壁碳纳米管，东丽的双壁碳纳米管特点是直径小、结晶度高。该纳米管具有全球最高的导电性。

三、碳纳米管在塑料中的应用

目前应用比较多的是多壁碳纳米管，虽然我们这里关注碳纳米管在塑料中的应用，其实它在锂电方面的应用比塑料上多得多。添加在电极材料中提升电极导电性能。

碳纳米管能够应用于PE、PP、PS、ABS、PVC、PA等多种塑料以及橡胶、树脂、复合材料中，能够均匀分散于基体中，赋予基体优良的导电性能。广泛应用于以下行业：

• 薄膜、各种塑料制品

• 抗静电包装

• 电子器件的包装、传输、处理材料

• 导电胶辊，传输带，密封件

• 汽车工业

• 动力电缆及配件

• 导电涂料

• 胶片盘

• 电磁屏蔽，军工领域

碳纳米管添加量仅为导电炭黑的三~五分之一，即可达到与其相同的导电性，不会因为导电填料过多添加造成塑料力学性能的损失。

四、碳纳米管母粒

碳纳米管功能母粒是碳纳米管预分散在聚合物树脂中制成的具有较高碳纳米管含量的功能母粒，通常是将碳纳米管与在熔融状态下的热塑性聚合物进行充分混炼后冷却切粒得到。使用碳纳米管功能母粒，可避免在生产过程中产生大量的粉尘，有利于人员健康和环保。

碳纳米管PC功能母粒概述

1. 碳纳米管有限成份浓度为25wt%，添加2～20wt%即获得抗静电或导电效果；

2. 塑料导电添加剂，赋予制品永久抗静电、静电耗散、导电和电磁屏蔽等性能；

3. 预分散母粒，选择合适的基体，具有优异的分散效果；母粒混合过程简单、洁净且易操作；

4. 力学性能好，特别对材料的力学性能保持率高，如韧性和抗冲；制品表面耐磨、耐刮擦，表面光洁性好；

4. 材料经再生和回收用时，导电性能几乎保持不变。

五、碳纳米管国内参与者

深圳市德方纳米科技股份有限公司（Shenzhen Dynanonic Co., Ltd.）成立于2007年1月，是一家致力于纳米材料开发直至产业化，集研发、生产和销售纳米材料及其应用产品为一体的国家级高新技术企业。公司总部位于深圳市南山区，并先后在广东省佛山市、山东省肥城市和深圳市坪山区建立了研发和生产基地。

深圳市三顺纳米新材料股份有限公司创立于2011年，是一家专注于碳纳米技术的研发与碳纳米材料的研发、生产和销售的国家级高新技术企业，公司致力于开发、生产高性能碳纳米管（CNTs），产品应用于二次锂电池导电剂、工程塑料、透明导电膜、场发射等。

中国科学院成都有机化学有限公司是由成立于1958年的中国科学院成都有机化学研究所，于2001年整体转制为中国科学院控股的企业。公司致力于精细化工和新材料行业的成果转化以及规模产业化，并提供有特色的产品和技术服务，目前已发展成为集研究开发、工程化验证、产品生产经营等为一体的综合性高新技术企业。

山东大展纳米材料有限公司专注于碳纳米材料的研发、生产和应用性开发及销售，在橡胶、塑料、锂电池、各种复合材料中已广泛应用。建设有千吨级的纳米材料及其应用生产线，公司先后通过了ISO9000认证、ISO14000认证、OHSAS18000认证，碳纳米管产品通过了欧盟RoHS认证。

山东华企新材料科技有限公司位于美丽的泉城—济南，公司主要研发销售石墨烯、碳纳米管、导电浆料、导电母粒、发热材料等，产品广泛应用于涂料、橡胶、塑料、锂电池、及各种复合材料，公司跟艾达科技联合开发的生态地暖发热膜已经在市场上得到一致好评，致力为碳材料应用尽一份微薄之力！

六、碳纳米管价格

碳纳米管价格都是在200~600元/kg之间

七、碳纳米管复合材料的应用

碳纳米管能够提高塑料等基材的导电，导热性能，且添加量少。在制品使用过程中，不像炭黑容易脱落。比如集成电路托盘材料需具有优异的机械性能，良好的静电消散能力，耐热性高，尺寸稳定，翘曲小等特性，碳纳米管复合材料就非常适合。

道达尔:电子产品的包装

“其实碳纳米管也不是什么新鲜事物，它早在1991年就被研发出来。但是一直未能应用在塑料中，因为纳米级的物体都有容易团聚的共性，业界一直未能解决将碳纳米管从碳纳米管粉中分离并在塑料中均匀分散和分布的难题。”道达尔特种化学品全球销售总监Claude Delahaut说。“道达尔正是攻克了这一难题，让碳纳米管可应用于塑料中。”据Claude Delahaut介绍，业界通常通过涂布导电液或者添加碳黑颗粒的方式来实现塑料导电，“但是碳黑颗粒一般要添加到20%以上的含量，才能实现导电，这样不但会影响材料的物理性能，而且在摩擦过程中，产品表面容易有碳黑颗粒脱落造成污染”。“道达尔的碳纳米管混配料技术，只需添加1%-2%的碳纳米管，便可实现导电；碳纳米管材料不吸湿、无需干燥，清净度高，洗机转换速度也较快，生产碳黑产品洗机转换通常需要10-12个小时，而生产碳纳米管材料只需0.5至1个小时，便可完成洗机转换。”Claude Delahaut补充说。

Claude Delahaut表示，轻量化让塑料在包装及危化品的存储运输中发着越来越大的作用。“中国作为电子产品的消费大国，消费者对电子产品的包装要求也在不断提升；同时近年来中国发生的危化品爆炸事件，也让人们更加慎重对待危化品的运输存储。添加了碳纳米管的塑料包装或存储罐，可有效解决静电问题，减少安全事故的发生。

沃特新材料：金融产品上应用

沃特新材料早在几年前就进行了研发，分散技术也做得比较好，目前还可以直接使用碳纳米管原粉添加到塑料中。下图为沃特碳纳米管复合材料在ATM柜员机上的应用；

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始发于微信公众号： 艾邦高分子