2 碳纳米管
碳纳米管被认为是纳米技术的最好实例之一。碳纳米管添加到塑料里不仅可以提高塑料的抗压力,则还可以提高材料的电导率和热导率,但是由于纳米管价格昂贵(最近报价大约为$100/g),而限制了它在商业上的应用发展。1990年代开始,美国出产的每辆汽车上基本都使用了碳纳米管,最典型的例子就是在制造燃料系统的材料尼龙里将他添加,来提高材料的抗静电性能。通过添加纳米管提高材料的抗静电性能也被用在计算机的读/写保护头的制备上。
碳纳米管有单壁和多壁两种结构,前者的外径一般为1到2nm,而后者则在8到12nm之间,它的典型长度一般为10微米,最长可达100微米,长径比至少可达1000:1。碳纳米管的拉伸强度是普通不锈钢管的50倍,热导系数为铜的5倍。当把它加入到聚合物材料的母体中,只要一点点,就可以得到比传统填料如碳黑或金属粉末更好的材料电导率和热导率。
美国国内碳纳米管的生产商有Hyperion Catalysis公司(产品是多壁碳纳米管)和Zyvex公司(产品有单壁和多壁碳纳米管)。这两家厂商提供的母料中都含有15%-20%的碳纳米管。
这种微小的管子可以用来生产非常强的,和增强混凝土一样构造的塑料——可以开发这一优势应用于运动器材,由来自拜耳材料科技的Bay-tubes(碳纳米管,CNT)做成的冰球棍能承受超过一百万次以上的“打击”;可以生产出更轻、更长,因而效率更高的风轮机叶片;可使滑雪杖重量比传统的轻6%,但硬度却比传统的高出30%。
据报道Pyrograf Ⅲ纳米光纤在提高材料的热导率、电导率,改善材料的热力学性能和阻燃性能方面可以与碳纳米管相媲美。更重要的是,纳米光纤要比纳米管便宜大约100-150美元/磅。以上这些是在尼龙、PP和聚亚甲胺树脂等材料中添加后进行实验评估得出的结论。
在上个世纪90年代初,就有将尼龙12与碳纳米管的复合物做成内部防护层的实例,应用在汽车燃油管组件快速连接器和过滤器中。
含氟聚合物/纳米管复合材料可以用来制造车用燃油连接器的O形圈。
在电子工业上,聚碳酸酯和聚醚酰亚胺(GE的Ultem)材质的计算机硬件,经由纳米管增强,可以有更好的传导性,表面更加光滑。
欧洲一家非常大的汽车制造公司添加碳纳米管到GE塑料公司出品的Noryl GTX尼龙/PPO合金中,铸模成型外部挡泥板。这种导电纳米复合物材料可以用静电法上漆。
位于兰辛市东部的密歇根大学(MSU)复合物材料与结构中心新近开发出了一种表面处理过的石墨纳米板。石墨的模量是粘土的好几倍,并且具有更佳的电学和热学方面的性能,它与一个环氧树脂基接合以后,与一般碳光纤和纳米碳黑相比,会有更佳的力学性能以及更高的电导率。预测这种塑料纳米石墨复合物将卖到$5/磅,比纳米管材料要便宜得多。
碳纳米管能改变的远不只是传导率。美国国家标准与技术研究院(NIST)研究发现,碳纳米管添加到PP里面,不只改善材料的强度及性能,而且可以改变熔融聚合物的流动状况,切实消除模口膨胀。
RTP公司提高了改性塑料中的碳纳米管加工技术,新的混配料在最终产品的性能上有很大提高,新型碳纳米管改性塑料包括PC,PBT,PETG,PPS,PEI和PEEK。
碳纳米管改性塑料是RTP公司的核心产品,它们具有优越的电导率,并且抗静电性能良好。碳纳米管改性塑料给加工过程带来了重大的改进,包括消除了加工后产品的各向异性,加工性能甚至可与纯树脂相比,加工工艺更为弹性。
住友化学公司将与美国Head-waters公司展开合作,开发新型碳纳米材料“碳纳米球”(Carbon NanoSpheres,以下简称CNS),并使之产品化。CNS为石墨化的球状多层结构碳纳米材料。他们开发的碳纳米球的代表性尺寸为外径100nm以下,中空结构。与碳纳米管(CNT)以及高性能碳黑(HPCB class="wz_rc">PCB)等此前的碳纳米材料相比,制造工艺简单,还具备导电性高的特点;有望用于塑料的防带电用填充剂(Filler)等用途。
另外,与CNT不同,CNS在保持基本结构的同时,不用损失强度和导电性即可在表面进行修饰。因为有此性质,所以各种塑料的亲和性得到了提高,所以很容易得到组成均匀的含CNS的塑料。
中国科学院化学所的研究人员以离子液体为介质,制备出了再生纤维素/碳纳米管复合纤维,该纤维具有力学性能优异、高温模量保持率高,以及热烧蚀残炭率高等特点。
在前期研究中,他们发现一类新型离子液体对纤维素具有优异的溶解性能,该类离子液体和碳纳米管之间具有较强的相互作用,这有利于碳纳米管在离子液体中的分散。
他们首先制备出纤维素/碳纳米管的离子液体溶液;再通过干喷-湿纺技术,以水为凝固浴,制备出再生纤维素/碳纳米管复合纤维。这种复合方法无需对碳纳米管进行先期表面改性,其中离子液体既是纤维素的溶剂又是碳纳米管的分散剂。干喷湿纺过程有效地提高了碳纳米管在纤维素基体中的取向。该技术对于制备纤维素基碳纤维与功能性纤维素纤维,具有潜在的应用前景。
3 纳米阻燃剂
大量研究已经证明了纳米粘土作为阻燃增效剂的效力。他们发现,添加了2%-5%的纳米粘土的尼龙6的散热速度减少了32%-63%。
Foster Corp公司最近宣布将高含量(含13.9%)的纳米粘土添加到尼龙12弹性体中,仅有原来1/8厚度的时候,就可以达到UL94V-0的级别。
纳米粘土的添加让典型的添加50%的卤素/锑氧化物的阻燃体系用量减少到一半,大大降低了对材料物理性能的损害。
德国Sud-Chemie公司提供了一种叫Nanofil的改良纳米粘土,可做阻燃剂。最近还开发了一种无卤素的EVA/PE电缆,它含有3%-5%新Nanofil SE 3000,其添加52%-55%的氢氧化铝或氢氧化镁后,具有更好的力学性能,更光滑的表面以及更快的挤出速度。
最近的研究表明,多壁碳纳米管也将会被应用到无卤素的阻燃剂中。不管是在EVA中还是在马来酐改性的PP中,添加2.4%-4.8%的碳纳米管,将会达到比添加等量的纳米粘土更好的放热速度。
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