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納米復合材料發展概況2008年(連載二)

時間:2009-07-04 21:26:23來源:網絡 作者:admin 點擊:

   2 碳納米管

    碳納米管被認為是納米技術的最好實例之一。碳納米管添加到塑料里不僅可以提高塑料的抗壓力,則還可以提高材料的電導率和熱導率,但是由于納米管價格昂貴(最近報價大約為$100/g),而限制了它在商業上的應用發展。1990年代開始,美國出產的每輛汽車上基本都使用了碳納米管,最典型的例子就是在制造燃料系統的材料尼龍里將他添加,來提高材料的抗靜電性能。通過添加納米管提高材料的抗靜電性能也被用在計算機的讀/寫保護頭的制備上。

    碳納米管有單壁和多壁兩種結構,前者的外徑一般為1到2nm,而后者則在8到12nm之間,它的典型長度一般為10微米,最長可達100微米,長徑比至少可達1000:1。碳納米管的拉伸強度是普通不銹鋼管的50倍,熱導系數為銅的5倍。當把它加入到聚合物材料的母體中,只要一點點,就可以得到比傳統填料如碳黑或金屬粉末更好的材料電導率和熱導率。

    美國國內碳納米管的生產商有Hyperion Catalysis公司(產品是多壁碳納米管)和Zyvex公司(產品有單壁和多壁碳納米管)。這兩家廠商提供的母料中都含有15%-20%的碳納米管。

    這種微小的管子可以用來生產非常強的,和增強混凝土一樣構造的塑料——可以開發這一優勢應用于運動器材,由來自拜耳材料科技的Bay-tubes(碳納米管,CNT)做成的冰球棍能承受超過一百萬次以上的“打擊”;可以生產出更輕、更長,因而效率更高的風輪機葉片;可使滑雪杖重量比傳統的輕6%,但硬度卻比傳統的高出30%。

    據報道Pyrograf Ⅲ納米光纖在提高材料的熱導率、電導率,改善材料的熱力學性能和阻燃性能方面可以與碳納米管相媲美。更重要的是,納米光纖要比納米管便宜大約100-150美元/磅。以上這些是在尼龍、PP和聚亞甲胺樹脂等材料中添加后進行實驗評估得出的結論。

    在上個世紀90年代初,就有將尼龍12與碳納米管的復合物做成內部防護層的實例,應用在汽車燃油管組件快速連接器和過濾器中。

    含氟聚合物/納米管復合材料可以用來制造車用燃油連接器的O形圈。

    在電子工業上,聚碳酸酯和聚醚酰亞胺(GE的Ultem)材質的計算機硬件,經由納米管增強,可以有更好的傳導性,表面更加光滑。

    歐洲一家非常大的汽車制造公司添加碳納米管到GE塑料公司出品的Noryl GTX尼龍/PPO合金中,鑄模成型外部擋泥板。這種導電納米復合物材料可以用靜電法上漆。

    位于蘭辛市東部的密歇根大學(MSU)復合物材料與結構中心新近開發出了一種表面處理過的石墨納米板。石墨的模量是粘土的好幾倍,并且具有更佳的電學和熱學方面的性能,它與一個環氧樹脂基接合以后,與一般碳光纖和納米碳黑相比,會有更佳的力學性能以及更高的電導率。預測這種塑料納米石墨復合物將賣到$5/磅,比納米管材料要便宜得多。

    碳納米管能改變的遠不只是傳導率。美國國家標準與技術研究院(NIST)研究發現,碳納米管添加到PP里面,不只改善材料的強度及性能,而且可以改變熔融聚合物的流動狀況,切實消除模口膨脹。

    RTP公司提高了改性塑料中的碳納米管加工技術,新的混配料在最終產品的性能上有很大提高,新型碳納米管改性塑料包括PC,PBT,PETG,PPS,PEI和PEEK。

    碳納米管改性塑料是RTP公司的核心產品,它們具有優越的電導率,并且抗靜電性能良好。碳納米管改性塑料給加工過程帶來了重大的改進,包括消除了加工后產品的各向異性,加工性能甚至可與純樹脂相比,加工工藝更為彈性。

    住友化學公司將與美國Head-waters公司展開合作,開發新型碳納米材料“碳納米球”(Carbon NanoSpheres,以下簡稱CNS),并使之產品化。CNS為石墨化的球狀多層結構碳納米材料。他們開發的碳納米球的代表性尺寸為外徑100nm以下,中空結構。與碳納米管(CNT)以及高性能碳黑(HPCB class="wz_rc">PCB)等此前的碳納米材料相比,制造工藝簡單,還具備導電性高的特點;有望用于塑料的防帶電用填充劑(Filler)等用途。

    另外,與CNT不同,CNS在保持基本結構的同時,不用損失強度和導電性即可在表面進行修飾。因為有此性質,所以各種塑料的親和性得到了提高,所以很容易得到組成均勻的含CNS的塑料。

    中國科學院化學所的研究人員以離子液體為介質,制備出了再生纖維素/碳納米管復合纖維,該纖維具有力學性能優異、高溫模量保持率高,以及熱燒蝕殘炭率高等特點。

    在前期研究中,他們發現一類新型離子液體對纖維素具有優異的溶解性能,該類離子液體和碳納米管之間具有較強的相互作用,這有利于碳納米管在離子液體中的分散。

    他們首先制備出纖維素/碳納米管的離子液體溶液;再通過干噴-濕紡技術,以水為凝固浴,制備出再生纖維素/碳納米管復合纖維。這種復合方法無需對碳納米管進行先期表面改性,其中離子液體既是纖維素的溶劑又是碳納米管的分散劑。干噴濕紡過程有效地提高了碳納米管在纖維素基體中的取向。該技術對于制備纖維素基碳纖維與功能性纖維素纖維,具有潛在的應用前景。

    3 納米阻燃劑

    大量研究已經證明了納米粘土作為阻燃增效劑的效力。他們發現,添加了2%-5%的納米粘土的尼龍6的散熱速度減少了32%-63%。

    Foster Corp公司最近宣布將高含量(含13.9%)的納米粘土添加到尼龍12彈性體中,僅有原來1/8厚度的時候,就可以達到UL94V-0的級別。

    納米粘土的添加讓典型的添加50%的鹵素/銻氧化物的阻燃體系用量減少到一半,大大降低了對材料物理性能的損害。

    德國Sud-Chemie公司提供了一種叫Nanofil的改良納米粘土,可做阻燃劑。最近還開發了一種無鹵素的EVA/PE電纜,它含有3%-5%新Nanofil SE 3000,其添加52%-55%的氫氧化鋁或氫氧化鎂后,具有更好的力學性能,更光滑的表面以及更快的擠出速度。

    最近的研究表明,多壁碳納米管也將會被應用到無鹵素的阻燃劑中。不管是在EVA中還是在馬來酐改性的PP中,添加2.4%-4.8%的碳納米管,將會達到比添加等量的納米粘土更好的放熱速度。

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