新的“長”碳納米管在熱塑性塑料、LSR中顯露頭角

文/本刊記者Matthew H. Naitove

新型發(fā)絲狀碳納米管Miralon CNT與各種熱塑性塑料和LSR等熱固性塑料有著良好的結(jié)合，除具有耐受高輻射、高鹽、高水分和強腐蝕的能力，以及優(yōu)良的機械性能和導(dǎo)熱性外，在非常低的用量下還提供導(dǎo)電性。

一種新的碳納米管（CNT）有望被熱塑性塑料和熱固性塑料包括液體硅橡膠（LSR）采用而應(yīng)用于諸多潛在領(lǐng)域。據(jù)稱，該碳納米管與聚合物高度相容。Miralon CNT片材、紗和分散品級來自Nanocomp技術(shù)公司（美國新罕布什爾州梅里馬克）。該公司成立于2004年并在2012年搬到原造紙廠一座較大的設(shè)施中。目前正處于試生產(chǎn)階段，年產(chǎn)能約為0.85 t。該公司正募集資金，計劃到2018年擴產(chǎn)至8 t，2021年產(chǎn)量可能超過20 t。Nanocomp技術(shù)公司聯(lián)合創(chuàng)始人、總裁和首席執(zhí)行官Peter Antoinette預(yù)計其碳納米管十分有潛力在現(xiàn)有塑料加工流程中被大規(guī)模使用。該產(chǎn)品采用乙醇和甲醇作為低成本原料，它們在氣化爐反應(yīng)器中超過800℃時氣化，采用無氧純氫氣和鐵作為催化劑。在這個氣化爐中，化學(xué)氣相沉積沉淀了十億根碳納米管，它們有兩種獨特的性能。

首先，Miralon CNT通常有1～10 mm 長，但寬僅有 3～5 nm，形成約100萬∶1的縱橫比（長徑比L/D）。與典型的碳納米管（縱橫比 1 000～10 000∶1）相比，它們具有相似的厚度，但長度在μm范圍內(nèi)（1 mm的1/1 000）。高的縱橫比被認為是相對于其他碳納米管的一個優(yōu)勢，普通碳納米管呈粉末狀，并且據(jù)報道在加入樹脂時，往往會結(jié)塊。盡管Miralon CNT有大的L/D，但仍然是小到看不見，比頭發(fā)絲細約10 000倍，比標準的碳纖維細1 000倍。

第二個關(guān)鍵的不同是，不像粉末狀的碳納米管，生成的都是松散、單獨的纖維，Miralon CNT往往在反應(yīng)器中纏結(jié)、交織在一起；它們也容易粘在一起，形成一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。這使得更容易把它們從爐中收集出來并將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)纖維或片材。

Miralon CNT從爐中出來是一團纏結(jié)的碳納米管，被稱為“襪子”。它可以繞在卷筒上，形成一種氈，然后能被壓實成一種非織造片材，該片材可以被切成帶。另外，“襪子”可以被收集在一個噴絲頭中，形成一種由數(shù)以百萬計纏結(jié)的碳納米管組成的連續(xù)紗線，每個碳納米管只有幾毫米長。

含有Miralon碳納米管的復(fù)合物，其高導(dǎo)電率部分是因為像頭發(fā)絲一樣的纖維絲纏結(jié)在一起的效果

在高溫反應(yīng)器中，乙醇被注入到氫氣氣氛中和鐵催化劑一起，產(chǎn)生一種纏結(jié)的碳納米管，類似連續(xù)的頭發(fā)絲“襪子”

Miralon CNT紗可用于復(fù)合材料中，片材可以制成預(yù)浸料或短切成直徑約0.05 mm、長約1 mm的多孔管束。Nanocomp技術(shù)公司提供短切的“分散產(chǎn)品”，根據(jù)要求可以是“干漿”或是訂制色母粒。短切的Miralon CNT可用于熱塑性塑料注塑或模壓成型、LSR注塑成型，也可復(fù)合成3D打印長絲。Nanocomp技術(shù)公司目前有13條生產(chǎn)線，6條用于纖維，7條用于片材生產(chǎn)。

該公司表示，毫米級長度的Miralon碳納米管已被美國環(huán)保署歸類為“物品”而不是“顆粒”，它們不同于碳納米管粉末或松散的管狀物。據(jù)Nanocomp技術(shù)公司稱，這意味著它們太大了，而不會被皮膚吸入或吸收。

Miralon碳納米管的性能

目前這一代的Miralon CNT紗具有0.8～1 GPa的拉伸強度，而對于開發(fā)中的新一代產(chǎn)品，這一數(shù)值將增加一倍。Miralon CNT紗的斷裂應(yīng)變?yōu)?.5%。目前的碳納米管的密度為0.8 g/cm3，約是碳纖維的一半。因此，目前該材料的比拉伸強度（單位質(zhì)量的強度）是航空級碳纖維或芳綸纖維的一半左右。但是新一代產(chǎn)品可以匹敵或超過它們。

Miralon CNT分散在各種熱塑性塑料中形成的粒料可以被注塑或模壓成型

目前的一些碳納米管被用在一種復(fù)合材料中時，已符合或接近于航空碳纖維如IM7和T1000的斷裂應(yīng)變。這些纖維本身強度可能會更大，但是當用于復(fù)合材料中時，會遭受大幅的“性能降低”。Antoinette稱，Miralon CNT不會遭受這樣的性能降低。他說，美國宇航局（NASA）已經(jīng)用Miralon CNT生產(chǎn)熱固性復(fù)合材料，其比強度是碳纖維復(fù)合材料的兩倍。而且，據(jù)Antoinette稱，Miralon CNT增強熱塑性塑料可保留高達98%的纖維原始斷裂應(yīng)變。這是因為Miralon CNT與各種熱塑性樹脂有著良好的結(jié)合。

更重要的是，Miralon CNT紗非常有彈性，當扎成一個結(jié)時有較高的強度保持率，這與碳纖維不同。由于具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它也有著非常高的表面積，可用于粘接樹脂和/或傳遞熱或電。其柔韌性/延展性在柔軟的防彈衣中也很有價值，據(jù)報道，即使在低溫下也不會發(fā)生疲勞斷裂。Miralon碳納米管還具有耐受高輻射、高鹽、高水分和強腐蝕的能力。

導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性也是Miralon碳納米管的優(yōu)異性能。據(jù) Antoinette稱，0.02%～0.05%的Miralon CNT可以提供靜電耗散（ESD）性能。在一個膠粘劑應(yīng)用中，Antoinette表示，它可以與0.15%的石墨烯或10%的碳纖維提供的ESD保護性能相媲美。僅5%的Miralon CNT或單層的、30～50 μm厚的 Miralon CNT 片材就可以提供電磁干擾（EMI）屏蔽。

Antoinette稱，Miralon CNT的熱導(dǎo)率會博得贊譽，把焊炬火焰對準復(fù)合材料片材，Miralon碳納米管纖維散熱很快，足以使片材抵抗熔融或燃燒。Miralon CNT還是一個紅外線發(fā)射器。Antoinette對此用連接到電源上的Miralon CNT片材進行演示：手放在距離片材幾厘米的地方幾乎立即感覺到發(fā)出的溫暖，但是觸摸片材本身幾乎沒有熱的感覺。

使用的場合

采用Miralon CNT的熱固性復(fù)合材料（環(huán)氧和氰酸酯）已被批準用于航空航天應(yīng)用。Miralon CNT片材被用在Juno飛船推進器和發(fā)動機蓋上的一種復(fù)合材料輻射/靜電耗散（ESD）屏蔽和電磁干擾防護層中。該飛船在2016年7月曾到達木星。

Nanocomp技術(shù)公司正與許多熱塑性塑料配混公司合作（包括克利夫蘭的HyComp有限公司），使用聚醚醚酮等樹脂開發(fā)含有Miralon碳納米管的熱塑性復(fù)合物。一種含有分散Miralon CNT的壓縮成型Ultem PEI支架目前已被用在太空衛(wèi)星的運載火箭上。Antoinette稱，西門子和不同的汽車公司正在研發(fā)含有Miralon CNT的注塑成型和壓縮成型熱塑性塑料部件。碳納米管片材也已用熔融己內(nèi)酰胺進行灌注，通過原位聚合生產(chǎn)尼龍6復(fù)合材料。

鑒于0.5%的分散Miralon CNT可以增加LSR的耐熱性達100℃，Antoinette稱其公司也將開發(fā)Miralon CNT的LSR應(yīng)用。

在目前的試生產(chǎn)階段，Miralon CNT的估價是每磅幾千美元。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，Antoinette預(yù)見在未來4～6年內(nèi)，成本會下降一個數(shù)量級。