碳納米管

　　碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結構(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。并且根據碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。

　　碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。

　　應用前景

　　碳納米管可以制成透明導電的薄膜，用以代替ITO(氧化銦錫)作為觸摸屏的材料。先前的技術中，科學家利用粉狀的碳納米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃襯底上，但是這樣的技術至今沒有進入量產階段;目前可成功量產的是利用超順排碳納米管技術;該技術是從一超順排碳納米管陣列中直接抽出薄膜，鋪在襯底上做成透明導電膜，就像從棉條中抽出紗線一樣。該技術的核心-超順排碳納米管陣列是由北京清華-富士康納米中心于2002年率先發現的新材料。[2]

　　碳納米管觸摸屏首次于2007~2008年間成功被開發出，并由天津富納源創公司于2011年產業化，至今已有多款智慧型手機上使用碳納米管材料制成的觸摸屏。與現有的氧化銦錫(ITO)觸摸屏不同之處在于:氧化銦錫含有稀有金屬“銦”，碳納米管觸摸屏的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氫氣體，不受稀有礦產資源的限制;其次，鋪膜方法做出的碳納米管膜具有導電異向性，就像天然內置的圖形，不需要光刻、蝕刻和水洗的制程，節省大量水電的使用，較為環保節能。工程師更開發出利用碳納米管導電異向性的定位技術，僅用一層碳納米管薄膜即可判斷觸摸點的X、Y座標;碳納米管觸摸屏還具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性，可以制做出曲面的觸摸屏，具有高度的潛力可應用于穿戴式裝置、智慧家俱等產品。[3]

　　據物理學家組織網、英國廣播公司2013年9月26日報道，美國斯坦福大學的工程師在新一代電子設備領域取得突破性進展，首次采用碳納米管建造出計算機原型，比基于硅芯片模式的計算機更小、更快且更節能。

　　瑞士洛桑聯邦理工學院電氣工程學院主任喬瓦尼·德·米凱利教授強調了這一世界性成就的兩個關鍵技術貢獻：首先，將基于碳納米管電路的制造過程落實到位。其次，建立了一個簡單而有效的電路，表明使用碳納米管計算是可行的。下一代芯片設計研究聯盟、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校納雷什教授評價道，雖然碳納米管計算機可能還需要數年時間才趨于成熟，但這一突破已經凸顯未來碳納米管半導體以產業規模生產的可能性。[4]

　　氫氣被很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲存又十分不方便。碳納米管自身重量輕，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲氫容器。

　　在碳納米管的內部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細的納米尺度的導線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到應用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導線。這樣利用碳納米管或者相關技術制備的微型導線可以置于硅芯片上，用來生產更加復雜的電路。

　　利用碳納米管的性質可以制作出很多性能優異的復合材料。例如用碳納米管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的碳納米管復合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易對環境造成影響。碳納米管增強陶瓷復合材料強度高，抗沖擊性能好。碳納米管上由于存在五元環的缺陷，增強了反應活性，在高溫和其他物質存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開，形成一個管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基復合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數小、抵抗熱變性能強。

　　碳納米管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應最細的試管。碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動頻率發生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質量。隨后德國科學家研制出能稱量單個原子的“納米秤”。

　　碳納米管分散劑介紹和使用建議

　　以無錫巨旺塑化材料有限公司的碳納米管及碳納米管分散劑為例研究和實際使用經驗如下：，

　　一、碳納米管分散技術三要素

　　二、分散劑用量推薦

　　三、碳納米管水分散劑(TNWDIS)概述

　　四、超聲波分散設備使用建議及分散實例

　　五、研磨分散設備使用建議

　　碳納米管分散技術三要素：分散介質、分散劑和分散設備

　　1、分散介質

　　(1)根據粘度不同，分散介質分為高粘度、中粘度和低粘度三種。在低粘度介質中，如水和有機溶劑，碳納米管易于分散。中粘度介質如液態環氧樹脂、液態硅橡膠等，高粘度介質如熔融態的塑料。

　　(2)此處介紹的碳納米管分散技術，針對中、低粘度分散介質。

　　2、分散劑

　　(1)分散劑的選擇，與分散介質的結構、極性、溶度參數等密切相關。

　　(2)分散劑的用量，與碳納米管比表面積和共價鍵修飾的功能基團有關。

　　(3)水性介質中，推薦使用TNWDIS。強極性有機溶劑中，如醇、DMF、NMP， 推薦使用TNADIS。中等極性有機溶劑如酯類、液態環氧樹脂、液態硅橡膠，推薦使用TNEDIS 。

　　3、分散設備

　　(1)超聲波分散設備：非常適合實驗室規模、低粘度介質分散碳納米管，用于中、高粘度介質時會受到限制。

　　(2)研磨分散設備：適合大規模地分散碳納米管、中粘度介質分散碳納米管。

　　(3)采用“先研磨分散、后超聲波分散”組合方法，可以高效、穩定地分散碳納米管

　　分散劑用量推薦。

　　1、碳納米管比表面積與分散劑用量

　　我們試劑級碳納米管分為單壁管(外徑<2nm)和多壁管。多壁管根據外徑不同，分為TNM1(外徑50nm)。隨著外徑的增加，碳納米管的比表面積減小

　　TNWDIS推薦用量：單壁管重量的3.5倍， TNM1 重量的1.0倍， TNM8 重量的0.2倍。其余用量參考調整

　　2、碳納米管功能化與分散劑用量

　　功能化后的碳納米管，更容易在水中分散。 通常，碳納米管羧基功能化后，分散劑的用量可以減少50%

　　TNWDIS推薦用量：羧基化單壁管重量的1.5-1.8倍， 羧基化TNM1 重量的0.5倍， 羧基化TNM8 重量的0.1倍

　　3、對于TNADIS， TNM8 的推薦用量是重量的0.2倍。對于TNEDIS, TNM8 的推薦用量是重量的0.8倍

　　其余碳納米管分散劑用量可以參照調整

　　碳納米管水分散劑(TNWDIS)概述

　　1、不含烷基酚聚氧乙烯醚 (APEO)的非離子表面活性劑，生態環保。歐洲國家自1976年起陸續制定了法規限制生產和使用APEO

　　2、含有芳香基團，特別適合制備碳納米管水分散液。芳香基團與碳納米管管壁親和性好，易于吸附在管壁

　　3、性能指標

　　活性物質含量：90%

　　水 分 含 量：10%

　　濁 點：68-70℃

　　碳納米管水分散劑(TNWDIS)結構

文獻報道分散CNTs常用的三種表面活性劑

　　超聲波分散設備使用建議

　　1、超聲波粉碎機(tip型)和超聲波清洗機(bath型)都可以用于碳納米管分散

　　2、超聲波粉碎機發出的超聲波能量密度高(能量集中于變幅桿上而不是一個平面上)、頻率低，更適合碳納米管的分散。根據碳納米管分散液的量，選擇合適的超聲波粉碎機功率和變幅桿直徑

　　3、在水介質中，超聲波的空化作用會使TNWDIS產生少量泡沫，泡沫會影響超聲效果，可以選擇靜置或加入消泡劑，消除泡沫

　　粘度高的介質不適合選擇超聲波設備分散 ，建議選擇研磨分散設備

　　超聲波粉碎機制備分散液實例

　　1、目標：制備100g多壁碳納米管TNM8 水分散液 ，碳納米管含量 2%

　　2、主要設備

　　(1)Scientz-ⅡD型超聲波細胞粉碎機(國產) 。所用超聲變幅桿為Φ6，輸出功率選擇為60%，超聲開時間為3s，超聲關時間也為3s，超聲總時間設置為5min

　　(2)SC-3614型低速離心機 (國產 )

　　(3)HCT-1微機差熱天平(國產)

　　操作步驟(1)

　　1、將0.40g分散劑TNWDIS 溶解于97.60g去離子水中。室溫下TNWDIS 溶解度小，可用水浴加熱輔助其溶解，但使用溫度不可超過其濁點溫度

　　2、加入2.00g碳納米管，攪拌，使碳納米管被分散劑水溶液完全潤濕，而不是漂浮在水面上

　　3、開始超聲。超聲過程中，分散液會發熱、起泡，因此建議超聲5min后，可將分散液取出靜置于冰水中冷卻、消泡，再繼續超聲

　　4、分散程度觀察。用玻璃棒沾取少量分散液滴加至清水中，觀察稀釋狀態。分散好的碳納米管，猶如一滴墨水落入水中，在水中迅速均勻擴散開，而未分散好的碳納米管，在水中會有黑色顆粒出現。累計超聲總時間為30min(即5min×6次)

　　5、超聲結束后，將分散液離心沉降，去除未分散開的團聚粒子。離心速率為2000r/min，離心時間為30min。 經過離心，分散液可以穩定放置半年以上

　　6、離心結束后，將上層液體過300目濾布，得到最終的碳納米管分散液。烘干下層沉淀至恒重，記為G2。對沉淀進行熱重分析，定義450℃時的熱失重率f(%)為沉淀中分散劑含量

　　7、分散液中碳納米管的實際含量(%)=2.00-(1-f)× G2

　　研磨分散設備使用建議

　　1. 制備1-2升碳納米管水分散液，可以選用實驗室分散砂磨機，砂磨介質可以選用1.0-1.2mm的硅酸鋯珠或氧化鋯珠

　　2.制備10-20升碳納米管分散液，可以選用小型的籃式砂磨機。砂磨介質選用設備允許的直徑較小的硅酸鋯珠或氧化鋯珠

　　3.水介質砂磨過程中，需要添加消泡劑來減少泡沫對分散效果的影響

　　4.對中等粘度的分散介質，如液態環氧樹脂，砂磨機不能帶動介質有效運動，可以選擇錐形磨或三輥機來研磨分散