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超高導電納米碳材料低成本量産,助力塑料導電性能飛躍

傳統上,塑料都是作為絕緣材料使用。但如今随着電子工業的發展,抗靜電、導電、抗電磁幹擾屏蔽、電磁波吸收等技術越來越受到人們的關注,市場也對塑料提出了高導電性能的要求。

為了使塑料獲得導電功能,實現從絕緣體到半導體再到導體的巨大變化,就需要将塑料作為基材和各種導電添加劑混合,用傳統塑料的成型方法加工而成的功能型高分子材料。與傳統的金屬材料相比,這種材料具有重量輕、易成型、耐腐蝕、可回收、電阻率大範圍調節等特點。其中用途最廣和使用量最大的,正是以碳系導電物質為添加劑的碳系物填充導電塑料。

1傳統導電碳材料

炭黑

碳系導電物質中,包括了導電炭黑、乙炔黑、碳納米管、石墨烯等材料。其中,爐法導電炭黑和乙炔黑是最傳統導電碳材料,因為價格低(根據不同規格約10-200元/kg,進口普通導電炭黑在40-80元/kg),用量最大,光是中國國内每年生産量超過數萬噸。

目前我國電線電纜用導電炭黑的市場容量約為3.8萬噸左右,導電塗料、電子元件、抗靜電油墨、導電膜等領域導電炭黑的需求量約為2萬噸左右。随着我國國民經濟及各行業的不斷發展,導電炭黑的應用水平不斷提高,導電炭黑生産量每年都在增加。但是為了達到所需要的導電效果,通常國産導電炭黑需要填充15-30%在塑料裡,進口導電炭黑需要填充10%左右在塑料裡,這會導緻塑料力學性能損失較大,而且表面容易掉炭黑顆粒。

2新一代碳系導電材料

有舊自然也有新,新一代碳系導電材料中,最具代表性的莫過于碳納米管和石墨烯,其突出優點是填充量比炭黑少,對塑料的力學性能損傷小。

碳納米管

碳納米管是由單層石墨片卷曲而成的無縫中空管子,管子的外徑1-50納米,長度幾微米到上百微米。以使用量較大的歐洲某碳納米管公司産品為例,采用通用的塑料加工方法和設備填充2%wt在PC塑料裡便可達到表面電阻率104Ohm/sq,添加量僅為傳統炭黑填料的1/5-1/15,且導電塑料加工性能較好。

但碳納米管也存在一些應用上的問題。作為一維材料,碳納米管彼此之間有巨大的範德華力内聚力,通常在生産設備出來是高度團聚的糾纏狀态,需要特殊技術才能分散開。在國外會有專利技術、專用設備及保密分散劑等來進行專業的處理;但在國内,由于低端碳納米管導電性和分散性比進口的差,通常需要添加3-8%在塑料裡才能達到與國外公司相同效果,而且直接使用通用的塑料加工方法得到的國産碳納米管導電塑料,表面不光滑,有凸點,因此在國内碳納米管導電塑料的使用目前還較少見,還是以炭黑系的導電塑料為主。

石墨烯

理論上石墨烯擁有奇異的物理結構,從而具有優異的力學、電學和熱學特性。自2010年石墨烯的發現者獲得諾貝爾獎後,石墨烯的研究與炒作在國内呈星火燎原之勢,越燒越旺,在國内的多個城市都已經投入巨資建立了多個石墨烯産業園。

不過,由于目前市場上還很少有石墨烯的大噸位工業應用,已經搭好的石墨烯産業園平台還得不到有效利用,已成立的石墨烯公司也大部分處于虧損狀态。實際上以通用石墨礦物為原料,很難大批量獲得高品質、高導電性石墨烯材料,但使用化學氣相沉積法的話則能獲得高品質、高導電性石墨烯。

從技術上分析,通常石墨烯粉體因為是二維平面片層結構,受到外力擠壓的時候,很容易片層之間二次疊合,恢複石墨的本性,從而丢失石墨烯的特性,這也導緻石墨烯粉體很難和傳統塑料加工兼容,不易通過雙螺杆擠出機直接加工的方式得到石墨烯填充導電塑料。筆者嘗試過多家公司和多種類型石墨烯,直接和塑料一起混煉的話,通常需要3-8%填充量才能達到導電性。但石墨烯本身價格比碳納米管貴,填充量又多,因此它目前在導電塑料領域的應用非常少見。

3突破:含三維石墨烯結構的納米碳材料

綜上所述,已有的各類導電碳材料其實都多少存在一些應用問題。但隻有具備高導電性石墨烯片層結構的納米碳材料,才能具有理論預測的優異高導電特性,才有可能開發出巨大的下遊應用市場。

經過多年理論和工廠實踐,通過借鑒傳統碳材料——導電炭黑、碳纖維、活性炭等材料的工藝原理,趙社濤創新開發了超高導電性納米碳材料量産工藝。通過一定工藝條件下,控制納米碳材料生成三維石墨烯結構,即可大批量低成本制成超高導電性納米碳材料。

超高導電性含三維石墨烯結構的納米碳材料粉體

導電性測試

為了測試這種納米碳材料的導電性能,研究員使用目前塑料行業通用的加工工藝,添加少量自制的超分散劑ZT3000,270℃直接熔融共混含石墨烯片層結構超高導電性納米碳材料粉體和PC塑料粒子,經混煉後加工成厚度1mm測試片後測試其導電性。

通過實驗發現,隻需添加0.2%wt含三維石墨烯結構的納米碳材料到PC塑料裡便可賦予PC塑料導電性,而且加工過程還可以兼容傳統塑料工業的加工方式。在達到相同導電效果的情況下,其添加量大緻是進口導電炭黑的1/50,大緻是歐洲公司進口碳納米管的1/10,大緻是普通石墨烯粉體的1/10到1/30,性能可排入目前報道的最高水平之列,與理論預測的石墨烯片層所具有超高導電性相符合。

而且這種超高導電納米碳材料成本非常低,通過控制大分子碳氫化合物生成三維石墨烯片層結構即可低成本大批量獲得。最重要的是它的添加量如此之低,塑料在獲得導電性的同時,還可以最大程度的保留自身本身的力學強度。因此筆者相信,這種具有三維石墨烯結構的納米碳材料若能得到廣泛應用,必定具有改變全球導電碳材料和導電塑料市場競争格局的能力。

本文來自粉體圈,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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