碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(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(gòu)成數(shù)層到數(shù)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(jù)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(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)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(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。

　　應(yīng)用前景

　　碳納米管可以制成透明導(dǎo)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(shù)中，科學(xué)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(shù)至今沒有進(jìn)入量產(chǎn)階段;目前可成功量產(chǎn)的是利用超順排碳納米管技術(shù);該技術(shù)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(dǎo)電膜，就像從棉條中抽出紗線一樣。該技術(shù)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(fā)現(xiàn)的新材料。[2]

　　碳納米管觸摸屏首次于2007~2008年間成功被開發(fā)出，并由天津富納源創(chuàng)公司于2011年產(chǎn)業(yè)化，至今已有多款智慧型手機(jī)上使用碳納米管材料制成的觸摸屏。與現(xiàn)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?xì)錃怏w，不受稀有礦產(chǎn)資源的限制;其次，鋪膜方法做出的碳納米管膜具有導(dǎo)電異向性，就像天然內(nèi)置的圖形，不需要光刻、蝕刻和水洗的制程，節(jié)省大量水電的使用，較為環(huán)保節(jié)能。工程師開發(fā)出利用碳納米管導(dǎo)電異向性的定位技術(shù)，僅用一層碳納米管薄膜即可判斷觸摸點(diǎn)的X、Y座標(biāo);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(yīng)用于穿戴式裝置、智慧家俱等產(chǎn)品。[3]

　　據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)、英國廣播公司2013年9月26日報(bào)道，美國斯坦福大學(xué)的工程師在新一代電子設(shè)備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，首次采用碳納米管建造出計(jì)算機(jī)原型，比基于硅芯片模式的計(jì)算機(jī)小、快且節(jié)能。

　　瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院電氣工程學(xué)院主任喬瓦尼·德·米凱利教授強(qiáng)調(diào)了這一世界性成就的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)貢獻(xiàn)：首先，將基于碳納米管電路的制造過程落實(shí)到位。其次，建立了一個(gè)簡單而有效的電路，表明使用碳納米管計(jì)算是可行的。下一代芯片設(shè)計(jì)研究聯(lián)盟、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校納雷什教授評價(jià)道，雖然碳納米管計(jì)算機(jī)可能還需要數(shù)年時(shí)間才趨于成熟，但這一突破已經(jīng)凸顯未來碳納米管半導(dǎo)體以產(chǎn)業(yè)規(guī)模生產(chǎn)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(jié)構(gòu)，可以作為儲存氫氣的優(yōu)良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態(tài)或固態(tài)氫氣的密度還高。適當(dāng)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(nèi)部可以填充金屬、氧化物等物質(zhì)，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質(zhì)灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細(xì)的納米尺度的導(dǎo)線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學(xué)器件或納米電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導(dǎo)線。這樣利用碳納米管或者相關(guān)技術(shù)制備的微型導(dǎo)線可以置于硅芯片上，用來生產(chǎn)加復(fù)雜的電路。

　　利用碳納米管的性質(zhì)可以制作出很多性能優(yōu)異的復(fù)合材料。例如用碳納米管材料增強(qiáng)的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)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(fù)合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對環(huán)境造成影響。碳納米管增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。碳納米管上由于存在五元環(huán)的缺陷，增強(qiáng)了反應(yīng)活性，在高溫和其他物質(zhì)存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開，形成一個(gè)管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基復(fù)合材料。這樣的材料強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抵抗熱變性能強(qiáng)。

　　碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細(xì)現(xiàn)象機(jī)理最細(xì)的毛細(xì)管，給化學(xué)家提供了進(jìn)行納米化學(xué)反應(yīng)最細(xì)的試管。碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中的擺動頻率發(fā)生變化，利用這一點(diǎn)，1999年，巴西和美國科學(xué)家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個(gè)病毒的質(zhì)量。隨后德國科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)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(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)如下：，

　　一、碳納米管分散技術(shù)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(shè)備使用建議及分散實(shí)例

　　五、研磨分散設(shè)備使用建議

　　碳納米管分散技術(shù)三要素：分散介質(zhì)、分散劑和分散設(shè)備

　　1、分散介質(zhì)

　　(1)根據(jù)粘度不同，分散介質(zhì)分為高粘度、中粘度和低粘度三種。在低粘度介質(zhì)中，如水和有機(jī)溶劑，碳納米管易于分散。中粘度介質(zhì)如液態(tài)環(huán)氧樹脂、液態(tài)硅橡膠等，高粘度介質(zhì)如熔融態(tài)的塑料。

　　(2)此處介紹的碳納米管分散技術(shù)，針對中、低粘度分散介質(zhì)。

　　2、分散劑

　　(1)分散劑的選擇，與分散介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、極性、溶度參數(shù)等密切相關(guān)。

　　(2)分散劑的用量，與碳納米管比表面積和共價(jià)鍵修飾的功能基團(tuán)有關(guān)。

　　(3)水性介質(zhì)中，推薦使用TNWDIS。強(qiáng)極性有機(jī)溶劑中，如醇、DMF、NMP， 推薦使用TNADIS。中等極性有機(jī)溶劑如酯類、液態(tài)環(huán)氧樹脂、液態(tài)硅橡膠，推薦使用TNEDIS 。

　　3、分散設(shè)備

　　(1)超聲波分散設(shè)備：非常適合實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、低粘度介質(zhì)分散碳納米管，用于中、高粘度介質(zhì)時(shí)會受到限制。

　　(2)研磨分散設(shè)備：適合大規(guī)模地分散碳納米管、中粘度介質(zhì)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(wěn)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(jù)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(diào)整

　　2、碳納米管功能化與分散劑用量

　　功能化后的碳納米管，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(diào)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(tài)環(huán)保。歐洲國家自1976年起陸續(xù)制定了法規(guī)限制生產(chǎn)和使用APEO

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

　　3、性能指標(biāo)

　　活性物質(zhì)含量：90%

　　水 分 含 量：10%

　　濁 點(diǎn)：68-70℃

　　碳納米管水分散劑(TNWDIS)結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)報(bào)道分散CNTs常用的三種表面活性劑

　　超聲波分散設(shè)備使用建議

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

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

　　3、在水介質(zhì)中，超聲波的空化作用會使TNWDIS產(chǎn)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(zhì)不適合選擇超聲波設(shè)備分散 ，建議選擇研磨分散設(shè)備

　　超聲波粉碎機(jī)制備分散液實(shí)例

　　1、目標(biāo)：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(shè)備

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

　　(2)SC-3614型低速離心機(jī) (國產(chǎn) )

　　(3)HCT-1微機(jī)差熱天平(國產(chǎn))

　　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(diǎn)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(fā)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(xù)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(tài)。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(kuò)散開，而未分散好的碳納米管，在水中會有黑色顆粒出現(xiàn)。累計(jì)超聲總時(shí)間為30min(即5min×6次)

　　5、超聲結(jié)束后，將分散液離心沉降，去除未分散開的團(tuán)聚粒子。離心速率為2000r/min，離心時(shí)間為30min。 經(jīng)過離心，分散液可以穩(wěn)定放置半年以上

　　6、離心結(jié)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(jìn)行熱重分析，定義450℃時(shí)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(shí)際含量(%)=2.00-(1-f)× G2

　　研磨分散設(shè)備使用建議

　　1. 制備1-2升碳納米管水分散液，可以選用實(shí)驗(yàn)室分散砂磨機(jī)，砂磨介質(zhì)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(jī)。砂磨介質(zhì)選用設(shè)備允許的直徑較小的硅酸鋯珠或氧化鋯珠

　　3.水介質(zhì)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(zhì)，如液態(tài)環(huán)氧樹脂，砂磨機(jī)不能帶動介質(zhì)有效運(yùn)動，可以選擇錐形磨或三輥機(jī)來研磨分散

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