聚合物碳纳米管复合材料研究综述

聚合物/碳纳米管复合材料研究综述

摘要

综述了目前碳纳米管在填充聚合物来制备介电、导电、吸波、导热等复合材料方面的应用。对常见的几种聚合物/碳纳米管复合材料的制备工艺以及碳纳米管在聚合物中的分散方法进行了详细地阐述。最后对聚合物/碳纳米管在研究过程中存在的问题和未来的研究方向进行了相应地分析和展望。

关键词:碳纳米管; 逾渗理论; 复合材料; 制备工艺; 分散

Review of Research on Polymer /Carbon Nanotube

Composite

Abstract

The current carbon nanotube-filled polymer compound to prepare the electricity，conductive，absorbing，thermal conductivity，and other aspects of application of composite materials are reviewed．Several common polymer / carbon nanotube composite preparation process as well as the dispersion of carbon nanotubes in polymer are elaborated．Finally，the polymer /carbon nanotube in the study process and future research is analyzed and prospected．

Key words: carbon nanotubes; percolation theory; composite; preparation; dispersion

1. 引言

自1991年日本科学家Iijima发现碳纳米管以来[1]，由于其优良的电学、磁学力学等性能，在介电材料、电极材料、纳米电子器件、复合材料等多方面等方面得到了广泛的应用[2]。通过特殊的加工工艺将碳纳米管填充到聚合物基体中来制备使用性能优良的介电材料、导电材料、吸波材料、电磁屏蔽材料等复合材料成为人们关注的热点。由于碳纳米管有比较大的长径比和比表面积，在填充量很小的情况下，可以得到使用性能优良的聚合物/碳纳米管复合材料。虽然碳纳米管在高分子领域具有很大的应用前景，碳纳米管的管与管之间具有很强的范德华力和非常高的长径比[3]，因此碳纳米管一般都呈束状缠绕很难分开。CNTs 是既不溶于水又不溶于有机溶剂而悬浮液又易团聚的物质，这种难于分散的性质限制了其在许多领域的应用[4]。文章将从碳纳米管在常见的一些复合材料中的应用，以及常用的几种聚合物/碳纳米管复合材料的制备工艺和碳纳米管在聚合物中的分散方法等几个方面进行综述

2. 聚合物/ 碳纳米管高介电复合材料

随着电子和信息工业的快速发展，介电性能优良的储能材料得到了广泛的应用。随着纳米技术的成熟，制备介电常数高、介电损耗低、加工性能优良的聚合物基纳米复合材料来满足市场需求成为行业关注的热点[5]。根据逾渗理论聚合物基体中掺入的导电粒子含量低于但接近逾渗阈值，则可得到高介电常数的复合材料[6]。将碳纳米管填充到聚合物基体中，将填充含量控制在逾渗值附近可以得到介电性能优良的复合材料。逾渗理论指出，当导电粒子的添加含量等于逾渗阈值时，会发生绝缘体-导体转变。当导电粒子的填充含量接近逾渗阈值时，聚合物复/导电体复合材料的介电常数将会得到大幅度的提高。所以可以通过控制导电粒子在聚合物中的含量来提高复合材料的介电常数。

Li等[7]将碳纳米管作为导电填料与PVDF复合后发现，复合材料的渗流阈值仅为3.8%，在室温及1 KZ下，复合材料的介电常数高达3600，这可归因于碳纳米管具有较长的长径比和较高的导电率; 北京化工大学党智敏等[8]研究了未改性MWNTs填充PVDF的介电性能，研究结果显示，复合材料的渗阈值仅为1.61%，在体积分数为2%时，ε为300，是PVDF的30倍且介电损耗低于0.4。因此，未经过化学处理的纯碳纳米管可以大幅度提高PVDF的介电性能。李淑琴等[9]对碳纳米管用三乙烯四胺进行改性，采用溶液浇铸法制备了改性前后MWNTs / PVDF复合薄膜，研究发现，改性MWNTs与PVDF制备薄膜的介电

常数高达3209，是未改性碳纳米管的2倍，并且分散性更好。

3. 聚合物/ 碳纳米管导电复合材料

相关研究表明，任意取向碳纳米管的电导率近似103 s/m，球状任意取向碳纳米管的电导率大约为50 s/m。在聚合物中添加碳纳米管，可以在保证材料柔韧性的同时，使复合材料的导电性能得到大幅度地提高。Potschke[10]在PC中添加含量为2%的多壁碳纳米管制备母粒，然后与PE熔融共混挤出，研究发现，当MWNTs的体积分数为0.14%时，复合材料的导电率提高了7个数量级。Safadi[11]等用高速旋转法制备了PS/CNTs复合材料，研究发现，采用旋转速度为2200 r/min 时，MWNTs在径向为45°和135°的方向上取向排列，材料的拉伸模量增加了2 倍，同时聚合物由绝缘体变成了导体。Jing[12]等采用原位聚合的方法制备了聚酰亚胺(PI) /MWNTs复合材料，研究表明，当碳纳米管的填充质量分数为0.15%时，复合材料的电导率提高了11个数量级。

4. 聚合物/ 碳纳米管吸波材料

随着电子信息工业的快速发展，电器产品得到了广泛的应用。由于电器产品在使用过程中会产生大量的电磁辐射，影响人们的身体健康，同时电磁辐射会泄露信息，使计算机等仪器无安全保障。作为电磁波发生源或受扰对象的电气设备往往以聚合物作为外壳材料，通常聚合物对电磁波几乎没有屏蔽作用，因此为了保护设备稳定和人体安全，国内外研究者就改善聚合物的电磁屏蔽性能开展了大量研究。研究者通过研究不同碳纳米管添加含量下CNT/PP复合材料的电磁屏蔽机理，认为CNT基复合材料的屏蔽机理，主要为吸收损耗，其次才是反射损耗[13]。还有研究发现，反射损耗和吸收损耗会随着碳纳米管填充量的增加发生相互转换[14]。Liu [15]等研究了碳纳米管填充量对PU/SWCNT复合材料电磁屏蔽性能的影响，研究发现，增加碳纳米管含量，在逾渗值附近复合材料的电磁屏蔽效能值SE会得到大幅度地提高。Jou[16]等采用化学气相沉积法和电弧放电法制备了两种不同性质的碳纳米管，然后分别填充到液晶高分子聚合物和三聚氰胺树脂中，研究表明，在碳纳米管填充量相同的情况下，无论是液晶高分子聚合物和三聚氰胺树脂纳米复合材料，电磁屏蔽效能值SE值均随碳纳米管填充量的增加而不断增大。

5. 碳纳米管在导热材料方面的应用

随着信息电子工业的快速发展，需要生产大量的防腐蚀和导热性能良好的电子产品来满足市场需求。J. Hone[17]等发现碳纳米管是世界上导热性能最好的材