碳纳米管材料和碳纳米管纸

良 好 的 导电性 能，由于 碳 纳 米 管 的 结 构
与石墨 的片层 结 构 相同，所 以 具 有很 好
的电 学 性能，电导 率通常可达铜 的1万
倍。碳 纳 米 管具 有良 好 的 传 热 性 能，只要 在 复合材 料 中 掺
杂 微 量 的 碳 纳 米管，该 复合材 料 的 热 导 率 将 会可能 得 到很
米 管主 要由呈 六 边 形 排 列 的 碳 原子，构成 数 层 到 数 十层 的
同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34n m，直径
一 般 为2～2 0 n m。
碳 纳 米管 作为 纳 米 材 料，重 量 轻，六 边 形 结 构 连 接
完美，具 有许多异常的力学、电学和化学性能：碳纳米管
具有高模量和高
80 0 G P a。碳纳米管是如今可制备出的
具 有最高比 强度 的 材 料。若 以其他 工 程
材 料为基 体 与碳 纳 米管 制成 复合材 料，
可使 复合 材 料 表 现 出良 好 的 强 度、弹
石墨烯
性、抗疲劳 性及各向同性，给复合材 料 的 性 能 带 来极 大 的 改善。碳 纳 米 管具 有
大 的 改善。碳 纳 米 管 有 相当 大 的比 表面 积，如 果 你 有1 g 碳
纳 米 管，仅仅 是1 g，当你 把 这 1 g 重 的 碳 纳 米 管并 列 摆 好，
那 么它可 以 覆 盖 住一 个足 球 场 的三分之 二。碳 纳 米管 还 具
有光 学 和 储 氢等 其 他良 好 的 性 能,正 是 这 些 优良 的 性 质使
碳 纳米管分 散要 注 意的问题，主要是碳 纳米管的形 态、分散介质、分散剂和分散设备。
(1）碳纳米管的形态：晶须 碳纳米管 形态较直，比较 容易分散；细长又纠缠在一起的碳纳米管，比较难分散。
(2）分散介质：根据粘度不同，分散介质分为高粘度、 中粘度 和 低 粘度 三 种。在低 粘度介质中，如 水 和 有机 溶 剂，碳 纳 米 管 较 易于 分 散 。中粘度介质 如 液 态 环 氧 树 脂、 液 态 硅 橡 胶 等，高 粘度介质 如 熔 融 态 的 塑料，较 难 于分 散 。本 文 探讨 的 碳 纳 米 管分 散 技 术，仅涉及 碳 纳 米 管 在 水 及纸浆中的分散。
强 度 ，C N T s 抗
拉强度达到50～
2 0 0 G P a ，是 钢
的10 0 倍，密度却
只有钢 的1/6；它
的 弹性 模 量可 达
1T P a，与金刚石
的弹性模量相当，
约为 钢 的5 倍。对
于具 有 理 想 结 构
图2 富勒烯结构示意图
的 单层 壁 的 碳 纳 米 管，其 抗 拉 强 度 约
ຫໍສະໝຸດ Baidu
TECHNOLOGY 技术进步
金刚石
石墨
C60
图1 碳元素的同素异形体
19 9 6 年诺贝尔化 学 奖。起 初人们 认 为 这 种高度 对 称 的 完美
分子只能在实验室的苛刻条件下或者是星际尘埃中存在，
然而1992年美国科学家P. R. Buseck在用高分辨透射电
镜研究俄罗斯数亿年前的地下的一种名为Shu n g it e s的矿
2 碳纳米管的分散
近年来 随 着 碳 纳 米 管 制 备 技 术 不 断发 展，国内已 经 建
图5 50000倍扫描电镜下的晶须碳纳米管
图6 Scientz-ⅡD型超声波细胞粉碎机
12 第36卷第6期 2015年3月
成 多 条 碳 纳 米 管生 产 线，碳 纳 米 管 的产 量不 断 增 加，生 产 成本不断下降，又为走向实际应用提供了可能。目前，制约 碳 纳 米管 器件 和 碳 纳 米管 复合材 料实际应 用的问题，主要 是碳 纳米管的分散以及与基体材 料的相容性。碳 纳米管 巨 大 的比 表面 积 及很 高 的 长径比，加 之 碳 纳 米 管之间存 在 较 强范 德 华引力，使 碳 纳 米 管 相 互 缠 绕 形成 团 聚，较 难 分 散，严重影响了它的应用；另外碳纳米管表面缺陷少，表面 极 为 光 滑，很 难 把它们 粘 合在 一 起，对 碳 纳 米 管 表面 进行 改 性 处 理，在 碳 纳 米 管 表面 制 造 一 些 微 小凹陷，利 用 这 些 人 为 制 造 的凹陷，碳 纳 米 管 就 容 易 被 粘 合在 一 起 。同 时 碳 纳 米 管 表面 缺乏活 性 基团，在各种 溶 剂中溶解度 都 很 低， 与基 体 材 料界面结合 强度弱。故目前 对 碳 纳 米管 的 表面 改 性和碳纳米管的分散，是应用中重点研究的两个问题。 2.1 碳纳米管分散要注意几个问题
黄鸿，高级工程师；主要研究 方向: 特种纸。
摘 要：碳纳米管的发现，揭开了人类科技史上新的一页。本 文介绍了碳纳米管、碳纳米管纸、巴基纸的特性、生产工艺技 术、应用及市场前景。 关键词：碳纳米管；碳纳米管纸；巴基纸；用途；发展前景
Abstract: The discovery of carbon nanotubes has opened a new chapter in the histor y of human technology. In this paper was described the characteristics of carbon nanotubes, carbon nanotube paper, technology for bucky paper production, application and market prospects. Key words: carbon nanotubes properties; carbon nanotubes paper; bucky paper; carbon nanotube paper uses; developmental prospect
技术进步 TECHNOLOGY
● 专论与综述 ●
碳纳米管材料和碳纳米管纸
⊙ 黄鸿1 黄鲲2（1.湖南省造纸研究所有限公司，湖南湘潭 411104； 2.湖南工程学院，湖南湘潭 411101)
Carbon nanotubes and carbon nanotube paper
⊙ HUANG Hong1, HUANG Kun2 (1.Hunan Paper Research Institute, Xiangtan 411104, Hunan, China; 2 Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, Hunan, China)
技术进步 TECHNOLOGY
1 纳米科技
纳米科 技是20世 纪80年代末、90年代初发展起来的 前 沿 性、交 叉性 的 新 兴 学 科。若 是 做 成一 个 纳 米 的小 球， 将其放在一个乒乓球 表面的话，从比例上看，就像是把一 个乒 乓球 放在 地 球 表面。因此，纳 米 科 技 是在 和 微 观世 界 “打交道”。
石 时，发现了C 6 0 的存在，2 010 年加 拿大 科 学家 在6 5 0 0 光 年 以外的宇宙星云中发现了C60存在的证据，他们通过太空望 远镜 发现了C60特定的信号。克洛托说：“这个最令人兴奋 的 突 破 给 我们 提 供了令人信服 的 证 据：正 如 我们 一直 期 盼
的那 样，C 6 0巴 基 球 在宇宙的亘古 前 就存在了。 在富 勒 烯 研 究推动下，19 91年一种更加 奇 特 的碳 结
碳 纳 米 管 是 一种 奇异 分 子，它 是 使 用一种 特 殊 的 化 学 气相方法，使碳原子形成长链来生长出的超细管子，细到5 万根 并 排 起 来 才有一根 头 发 丝宽。这 种又长 又 细 的 分 子， 叫“纳 米 管 ”（见图 5）。碳 纳 米 管 有 着 不 可思议 的 强 度与 韧性，重量却极轻。
得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材 料的增强材 料
（图4）。近年来，随 着 碳 纳 米管及 纳 米 材 料 研 究 的 深 入，
其广阔的应用前景也不断地展现出来。
图3 碳纳米管结构示意图
图4 碳纳米管材料
11 China Pulp & Paper Industry
Mar., 2015 Vol.36, No.6
中图分类号：TS761.2 文献标志码：B 文章编号：1007-9211(2015)06-0010-06
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是一种常见的元素，在地球上的含量并不算多，
碳 大概占地壳重量的1%，但它却以多种形式广泛 存 在 着，而 且 所 起 的 作用 非 常 重要（图1）。传 统 的教 科书上，碳在自然界有三种常见的形态：一种是闪烁 着 五 彩 光 芒 的 金 刚 石；一种 是 灰 黑色 的 石墨；还 有一种 则 是 黑 褐 色 的 煤 炭 。它们 的外观 和 性 质 差 异 很 大，这 是 因为 碳元素单质以多种同素异形体形式存在的结果。单质碳形 成的化合物种类繁多，被认为是生命的基础。
1 9 8 5 年 9月，美 国 和 英 国 的 一 些 科 学 家 得 到了一 项 令 世 人 震 惊 的 意 外发 现：在 强 烈 的 激 光 脉 冲 辐 照 下，由碳 的 原子和离子所构成的极度混乱的等离子体中会自发地形成 一种 具 有完美 球 形 结 构 的 分 子：一 个正 好由6 0 个 碳 原子组 成 的足 球状 的 分 子，这 些 碳 分 子 的原子相 联 结 既 不是 构成 石墨 的层 状 结 构，也 不是 构成 金 刚 石 的三 维 网 状 结 构，竟 是 一 个 恰 如 足 球 的 空心“气 球 ”，简 称 为“ 富 勒 烯”（见图 2）。这个 新的分子 是碳“家庭”里的新成员，这一发现 刷 新 了人们 对 碳 元 素 的 认识 。几乎 就 在 一 夜 之 间，数不 清 的 百 科全书以及有关碳的教 科 书都变得过时了！富勒烯C60 一 经 发 现，即 吸引了全 世 界 的目光，克 洛 托 和 莱 斯 大 学 的 同事因共同发现富勒烯C60，并确 认和证实其结构而获得
TECHNOLOGY 技术进步
T N W DIS产生少量泡沫，泡沫会影响超声效果，可以加入 消泡剂磷酸三丁脂消除泡沫。 2.2 碳纳米管实验室分散制备
(1）制备100g多壁碳纳米管T N M8水分散液，碳纳米 管含量2%。
(2）主要设备： S c i e nt z-ⅡD 型 超 声波 细 胞 粉 碎 机 (国产)（见图 6）。 KQ -2 0 0 K D B型台式高 功率 数 控 超 声波清 洗 机（见图 7）。 SC-3614型低速离心机（国产）。 S c i e n t z-ⅡD型超声波细胞粉碎机，所用超声变幅杆 为φ6m m，输出功率选择为60%，超声开时间为3s，超声 关 时间也 为3 s，超 声总 时间设 置为5m i n。 2.3 操作步骤 (1）将0.40g分散剂T N W D I S溶解于97.60g去离子 水中。室温下T N W D I S溶解度小，可用水浴加热辅助其溶 解。 (2）将 碳纳米管在微波炉中热处理5～10 m i n时间， 经 化 学 提 纯 和 表面修 饰，然 后将2.0 0 g 碳 纳 米管加 入 蒸馏 水 、乙 醇 或 丙 酮 溶 剂中，并 进 行 分 散 处 理，使 碳 纳 米 管 均 匀 分 散在 液 体 中，被 分 散 剂 水 溶 液 完 全 润 湿，而 不是 漂 浮 在水面上。 (3）超声分散。超声波20k H z、400W、分散30m i n， 超声分散过程中分散液会发热、起泡，因此建议超声5m i n 后，可将分散液取出静置于冰水中冷却、消泡，再继续超声 分散。也可用消泡剂磷酸三丁脂消除泡沫。 (4）分 散 程 度 观 察。用玻 璃 棒 沾取少 量 分 散 液 滴 加 至 清水中，观察稀释状态。分散 好的碳纳米管，犹如一滴墨 水 落入 水中，在 水中迅 速均 匀 扩 散 开，而 未 分 散 好 的 碳 纳 米管，在 水中会有黑色 颗粒出现。累计 超 声总 时间为3 0 m i n （即5m i n×6 次）。 (5）超声分散结束后，将 分散 液离心沉降，去除未分 散 开的团聚粒子。离心速率为2 0 0 0 r/m i n，离心 时间为 30min。 (6）离心结束后，将上层液体过30 0目滤布，得到最终 的碳纳米管分散液备用。
(4）分 散 设 备：超 声 波 分 散 设 备 适合实 验 室 规 模 分 散 碳 纳米管。研磨分 散 设备 适合大 规模 地分 散碳 纳米管。 采用“先研磨分散、后超声波分散”组合方法，可以高效、 稳定 地分散碳 纳米管。超声波粉碎 机（t i p型）和超声波 清洗机（b a t h型）都可以用于碳纳米管分散。超声波粉碎 机 发出的 超 声 波 能 量密度 高、频 率 低，更 适合 碳 纳 米 管 的 分 散。根 据 碳 纳 米管分 散 液 的量，选 择合 适的超 声波 粉 碎 机 功 率 和 变 幅 杆 直径 。在 水中，超 声 波 的 空化作用 会 使
构 —— 碳 纳 米管被 发现。日本筑波 N EC实验 室 的物 理学家
饭岛澄男，使用高分 辨透射电子显微镜，从电弧法生产的
碳 纤 维中发 现 碳 纳 米 管，碳 纳 米 管 可 以 看 作 是 石墨 烯片层
卷曲而成。碳纳米管（Carbon Nanotube，缩写CNT），
又 名巴 基 管，是 一种 具 有 特 殊 结 构 的 材 料（见图3）。碳 纳
(3）分 散 剂：分 散 剂的选 择，与分 散介质的结 构、极 性等密切相关。水性介质中，推荐使用T N W D I S。分散剂 的用量，与 碳 纳 米管比 表面 积有关。碳 纳 米管分 为 单壁 管（外径＜2 n m）和多壁管。多壁管根 据外径不同，分为 T N M1（外径＜8n m）、T N M2（外径8～15n m）、T N M3 （外径15～2 0 n m）、T N M 5（外径 2 0～3 0 n m）、T N M7（外 径30～50 n m）、T N M8（外径＞50 n m）。随着外径的增 加，碳纳米管的比表面积减小。T N W D I S用量：单壁管重 量 的 3.5 倍，T N M1重 量 的1.0 倍，T N M8 重 量 的 0.2倍。