碳纳米管导电涂料

碳纳米管导电涂料
简介：
碳纳米管（CNT）具有优异的力学、电学、光学等性能，骨架结构中含有sp3和sp2杂化的碳原子，且在其边壁和端帽部分存在大量结构缺陷，可与电子给体和电子受体发生掺杂。

故碳纳米管以其独特的结构和电子特性的纳米尺寸的碳质管状物引起了全球物理、化学和材料等科学界的重视。

碳纳米管作为一种新型的纳米材料，其奇异的性质倍受青睐。

碳纳米管具有良好的导电性，同时又拥有较大的长径比，因而很适合做导电填料，相对于其它金属颗粒和石墨颗粒其很少的用量就能形成导电网链，且其密度比金属颗粒小得多，不易因重力的作用而聚沉。

利用碳纳米管的这些特性将其作为导电介质加入到涂料中，对涂料的导电性会产生强烈影响。

目前，碳纳米管在导电涂料中的应用研究主要是通过改变碳纳米管的的结构及含量，改进碳纳米管在导电涂料中的分散性，以及对碳纳米管进行表面处理来均衡东电涂料的导电性和其他各项性能。

碳纳米管的结构：
碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管（原子排列结构见图1）。

按照所含石墨片层数的不同，碳纳米管可以分成单壁碳纳米管
（Single-wallednanotubes，SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-wallednanotubes，MWNTs）。

其中，SWNTs由一层石墨片组成；MWNTs由多层石墨片组成，形状与同轴电缆相似（剖面结构见图2）。

碳纳米管的性能：
碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构，具有优异的物理化学性能。

一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点；较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性；直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性；独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。

此外，碳纳米管还具有独特的光学性能，良好的热传导性，极高的耐酸、碱性和热稳定性。

碳纳米管的导电机理：
以加溴多壁碳纳米管微观体系模型来研究溴对多壁碳纳米管的作用及导电机理。

溴在多壁碳纳米管上的作用主要体现在对多壁碳纳米管π电子云的影响。

多壁碳纳米管上的π电子与溴的p孤对电子形成p-π共轭，由于溴的诱导效应，使多壁碳纳米管内的电子云偏向溴，类似于分子的偶极化，多壁碳纳米管出现电子离位而产生穴载流子，同时吸引出的电子仍具有一定的自由移动能力，整个体系的载流子数目（自由电子与窄穴）增多，载流子的浓度增大，提高了多壁碳纳米管的导电性。

图3Ⅰ为加溴前的多壁碳纳米管以及单质溴分子体系模型，管内的黑点代表自由电子，分布于管壁之间；图3Ⅱ代表溴的吸附过程模型；图3Ⅲ为加溴多壁碳纳米管的共轭体系模型。

碳纳米管导电涂料的影响因素：
Ø 碳纳米管的分散性
碳纳米管具有极大的比表面积，很容易聚集，因此未经分散处理的商品碳纳米管缠绕成微米级大小的团状结构，须细化处理，以使碳纳米管微米团分散。

处理后的碳纳米管在基体材料中形成的导电通路较多，所以导电性较好。

碳纳米管越稳定，团聚现象越少，纳米碳管间分散性较好，在基体材料中相互交缠，形成良好的空间网络，因而沉降比小的纳米碳管能在涂料表面形成较好的网络通道，有利于提高其导电性。

Ø 碳纳米管的管径
涂料的体积电阻率随碳纳米管管径的增大而增大，亦即涂料的导电性随碳纳米管管径的增大而降低。

这是因为相同质量的碳纳米管中，碳纳米管的管径越细，其管数就越多，添加到导电涂料中形成导电网链时，互相接触的机会就越多，从而接触的机会就越多，从而形成的导电通路也就越多，导电性自然也就越好。

Ø 碳纳米管的含量
碳纳米管的含量越高，其体积电阻率越小，导电性越好。

在碳纳米管含量为某一值时，出现逾渗现象（亦称渗流作用），即逾渗阈值（渗流临界值）。

当碳纳米管的含量小于逾渗阈值时，碳纳米管在涂料中不易形成导电通路，只有当碳纳米管的含量大于或等于逾渗阈值时才能形成较好的导电通路。

Ø 碳纳米管的长径比
当碳纳米管的长径比约为250时，其涂料的导电性最好；当长径比小于250时，涂料的导电性随长径比的增大而增强；当长径比大于250时，涂料导电性随长径比的增大而减弱。

这是因为碳纳米管长径比过小（小于250）时，同等条件下长径比越小越不易形成导电网络，这也是通常情况下球状导电填料不如片状或现状填料导电性好的原因；当碳纳米管长径比过大（大于250）时，长径比越大，碳纳米管越易相互缠绕，就越难在基质材料中均匀的分散，也就越难形成良好的导电网络。