碳納米管在塑料中的應用

一、什麼是碳納米管

碳納米管（CNTs)是日本NEC的Iijima教授於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。根據石墨層的多少可分為單壁管、雙壁管和多壁管， 由於石墨"巻曲"角度不同，碳納米管可形成椅型、Z型或手性等結構。

碳納米管具有獨特的物理化學性能。例如就導電性而言，碳納米管可以是金屬性的， 也可以是半導體性的，甚至在同一根碳米管的不同部位，由於結構不同，也會表現出不同的導電性，而且碳納米管的導電性與其直徑和手性有密切關係，碳納米管被認為是--維量 7-導體，有研究表明碳納米管的電流運載能力是銅導線的一千倍。又如碳納米管有優異的力學性能，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，由於其特殊的結構，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穩定性好、熱穩定生高、 良好的軸嚮導熱性、低溫超導性、電磁波吸收特性和較好的吸附性等諸多性能。應用研究結果表明，基於碳納米管優良的電學、力學等性能，碳納米管可被廣泛用於能源、材料、 生命科學等高科技領導中，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，其中它在電子和複合材料方面的應用是最具有潛力的。用 碳米管製備複合材料的最大優點是易於加工成型，而且由於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。該結構相當於捲起的單原子或多原子石墨層，以至於形成具有通 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)。由於范德華力，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，因為它本質上是極薄的石墨薄片捲曲而成。這些納米管的卓越性與它們的特殊性能有關，如良好的導電性、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，並且還可以顯著改善聚乙烯吹塑膜的強度指標，展示了其增加熱穩定性的潛力。

圖：單壁碳納米管，來源ocsial

雖然單壁碳納米管的巨大潛力已經被認可多年，但直到最近，它們在工業中的廣泛應用仍是不可行的，因為缺少大規模生產的技術，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。該多壁碳納米管採用改性催化碳氣相沉積法製得。該產品可廣泛應用於防靜電高分子材料、催化劑載體、鋰電池導電膠、導熱材料、機械增強材料等領域，且表現出優良的產品性能。

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、結晶度高。該納米管具有全球最高的導電性。

三、碳納米管在塑料中的應用

目前應用比較多的是多壁碳納米管，雖然我們這裡關注碳納米管在塑料中的應用，其實它在鋰電方面的應用比塑料上多得多。添加在電極材料中提升電極導電性能。

碳納米管能夠應用於PE、PP、PS、ABS、PVC、PA等多種塑料以及橡膠、樹脂、複合材料中，能夠均勻分散於基體中，賦予基體優良的導電性能。廣泛應用於以下行業：

薄膜、各種塑料製品

抗靜電包裝

電子器件的包裝、傳輸、處理材料

導電膠輥，傳輸帶，密封件

汽車工業

動力電纜及配件

導電塗料

膠片盤

電磁屏蔽，軍工領域

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

四、碳納米管母粒

碳納米管功能母粒是碳納米管預分散在聚合物樹脂中製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下的熱塑性聚合物進行充分混煉後冷卻切粒得到。使用碳納米管功能母粒，可避免在生產過程中產生大量的粉塵，有利於人員健康和環保。

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%即獲得抗靜電或導電效果；

2. 塑料導電添加劑，賦予製品永久抗靜電、靜電耗散、導電和電磁屏蔽等性能；

3. 預分散母粒，選擇合適的基體，具有優異的分散效果；母粒混合過程簡單、潔凈且易操作；

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

4. 材料經再生和回收用時，導電性能幾乎保持不變。

五、碳納米管國內參與者

深圳市德方納米科技股份有限公司（Shenzhen Dynanonic Co., Ltd.）成立於2007年1月，是一家致力於納米材料開發直至產業化，集研發、生產和銷售納米材料及其應用產品為一體的國家級高新技術企業。公司總部位於深圳市南山區，並先後在廣東省佛山市、山東省肥城市和深圳市坪山區建立了研發和生產基地。

深圳市三順納米新材料股份有限公司創立於2011年，是一家專註於碳納米技術的研發與碳納米材料的研發、生產和銷售的國家級高新技術企業，公司致力於開發、生產高性能碳納米管（CNTs），產品應用於二次鋰電池導電劑、工程塑料、透明導電膜、場發射等。

中國科學院成都有機化學有限公司是由成立於1958年的中國科學院成都有機化學研究所，於2001年整體轉製為中國科學院控股的企業。公司致力於精細化工和新材料行業的成果轉化以及規模產業化，並提供有特色的產品和技術服務，目前已發展成為集研究開發、工程化驗證、產品生產經營等為一體的綜合性高新技術企業。

山東大展納米材料有限公司專註於碳納米材料的研發、生產和應用性開發及銷售，在橡膠、塑料、鋰電池、各種複合材料中已廣泛應用。建設有千噸級的納米材料及其應用生產線，公司先後通過了ISO9000認證、ISO14000認證、OHSAS18000認證，碳納米管產品通過了歐盟RoHS認證。

山東華企新材料科技有限公司位於美麗的泉城—濟南，公司主要研發銷售石墨烯、碳納米管、導電漿料、導電母粒、發熱材料等，產品廣泛應用於塗料、橡膠、塑料、鋰電池、及各種複合材料，公司跟艾達科技聯合開發的生態地暖發熱膜已經在市場上得到一致好評，致力為碳材料應用盡一份微薄之力！

六、碳納米管價格

碳納米管價格都是在200~600元/kg之間

七、碳納米管複合材料的應用

碳納米管能夠提高塑料等基材的導電，導熱性能，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異的機械性能，良好的靜電消散能力，耐熱性高，尺寸穩定，翹曲小等特性，碳納米管複合材料就非常適合。

道達爾:電子產品的包裝

「其實碳納米管也不是什麼新鮮事物，它早在1991年就被研發出來。但是一直未能應用在塑料中，因為納米級的物體都有容易團聚的共性，業界一直未能解決將碳納米管從碳納米管粉中分離並在塑料中均勻分散和分布的難題。」道達爾特種化學品全球銷售總監Claude Delahaut說。「道達爾正是攻克了這一難題，讓碳納米管可應用於塑料中。」據Claude Delahaut介紹，業界通常通過塗布導電液或者添加碳黑顆粒的方式來實現塑料導電，「但是碳黑顆粒一般要添加到20%以上的含量，才能實現導電，這樣不但會影響材料的物理性能，而且在摩擦過程中，產品表面容易有碳黑顆粒脫落造成污染」。「道達爾的碳納米管混配料技術，只需添加1%-2%的碳納米管，便可實現導電；碳納米管材料不吸濕、無需乾燥，清凈度高，洗機轉換速度也較快，生產碳黑產品洗機轉換通常需要10-12個小時，而生產碳納米管材料只需0.5至1個小時，便可完成洗機轉換。」Claude Delahaut補充說。

Claude Delahaut表示，輕量化讓塑料在包裝及危化品的存儲運輸中發著越來越大的作用。「中國作為電子產品的消費大國，消費者對電子產品的包裝要求也在不斷提升；同時近年來中國發生的危化品爆炸事件，也讓人們更加慎重對待危化品的運輸存儲。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，減少安全事故的發生。

沃特新材料：金融產品上應用

沃特新材料早在幾年前就進行了研發，分散技術也做得比較好，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複合材料在ATM櫃員機上的應用；

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