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2023-11-30

碳纳米管:小管子 大影响

碳纳米管与众不同的特性为纳米技术和材料科学带来了很大希望。一种新的高效的合成工艺为其在工业应用和商业使用扫平了道路,这些应用包括增加塑料部件的强度,提高热塑性复合材料的产量。

对于位于德国的拜耳材料科技公司(Bayer MaterialScience)而言,创新是其获得成功的中心。该公司用它最近5年内开发的产品和应用技术赚取了其总销售额的20%(07年数据)。拜耳集团正在开发中的新产品有大约2000件,2006年,它在研究开发和客户导向性项目方面的投入超过3.5亿欧元。纳米技术在拜耳材料科技也是一块重要平台。人们对碳纳米管(CNT)寄予了非常大的期望。以此为焦点,拜耳科技服务公司(Bayer Technology Services)出口金额2557.4万美元和拜耳材料科技联合开发了一种新的合成工艺,它基于化学气象沉淀(CVD)法中碳氢化合物的催化分解。

碳纳米管结构

进入规模化生产

以前的碳纳米管的生产有两个原则上的弱点。首先,合成成本总是超过1000欧元/kg;第二,碳纳米管总是包括大量的破坏性杂质。这两者都妨碍了碳纳米管在工业应用上的大范围推广。随着新工艺的诞生,可以以超过95%的一致的材料纯度进行经济地量化生产。拜耳材料科技生产的名为Baytubes的碳纳米管同时也摆脱了无定形碳。

该公司是能够以稳定的质量进行商业量化生产碳纳米管的企业之一。这是抓住长期市场份额并进入利润丰厚的工业应用的前提。Baytubes新的合成工艺非常灵活。根据催化剂的使用,碳纳米管可以被制造成不同的直径、长度和壁厚。通过这个方法,它们可以被定制用于个别的特殊应用。

07年下半年,拜耳材料科技着手于一个起初是30t/a产能,后来迅速增大为60t/a产能的试验工厂。该公司是碳纳米管生产的领头企业之一。此外,一家Baytubes产品年产量3000t的大规模生产工厂也在07年开始筹备。随后几年,碳纳米管的市场潜力被估计将达到每年几千甚至上万吨。其中,在亚洲的潜力尤其大。纳米技术及其应用在日本的发展姿态及其鲜明。例如,该国在纳米技术的研究上投入了27亿美元,获得了排名于美国之后的世界第二的位置。

Baytubes(图1)是由多重石墨层聚合得到的多壁碳纳米管团聚而成,碳纳米管的突出特点是其非常高的长径比。举例来说,如果把Baytubes大幅放大,到我们使用的吸管那样的大小(吸管直径为5mm),那么这根吸管就得有3.5m长。

图1 显微镜下显示,Baytubes由多壁碳纳米管团聚而成

杰出的材料性能

由于碳纳米管与众不同的特性及其市场应用潜力,人们对它寄予了非常高的期望。其中一项产品优势在于其出众的承载强度。尽管碳纳米管的重量仅为钢重量的四分之一,但其机械载荷强度却是其五倍。由分子结构决定,碳纳米管能比铜提供更好的半导体性能或导电性能。碳纳米管是温度不敏感材料,与金刚石的导热性能相类似。

作为添加剂,碳纳米管能够增加塑料的硬度和强度。举例来说,如果将它添加到环氧树脂复合物中,就能够获得大幅提高的材料强度和机械弹力。当材料主体接受压力时,碳纳米管状系统就分散所负载的张力。这样一来,这些部件就可以被生产得更轻,并能获得更好的机械性能。

碳纳米管的这一优势已经被用来进行体育用品的生产加工,如冲浪板。在这项应用中,法国Sophia Antipolis的Nanoledge公司开发了一款使用了Baytubes的特殊环氧树脂产品。该树脂晋中产品能被用来生产一种具有以前无法达到的极其杰出的机械性能和热性能的复合材料(Nano In technology)。通过与Californian的体育用品生产商Entropy Research Labs (ERL)合作,Nanoledge公司推出了一款新型冲浪板(题图),该产品使用了这种结合了多项优势的纳米改性复合材料,达到所需的弯曲特性,产品质量轻,并且持久耐用。这种类型的环氧树脂系统在目前用于冲浪板生产的聚氨酯和聚酯之外,提供了一种新的选择。

此外,Nanoledge公司还推出了一种基于使用Baytubes添加剂的特殊环氧树脂体系生产的复合材料,用于滑雪板的制造(Nano in Res technology)。通过与法国Chamrousse 的Axunn公司合作,该材料已经用于滑雪板的生产,这种滑雪板具有非常稳固,抗震一样买个实验机性能好的特点(图2)。

图2 基于使用Baytubes添加剂的特殊环氧树脂体系生产的复合材料而生产的滑雪板,

非常稳固,抗震性能好。

其他例子还有如碳纳米管用于冰球棍的生产。此处,当球棍击打冰球时,碳纳米管能够提供更好的稳定性(图3)。在这个例子当中,Baytubes碳纳米管经过一个特殊的加工过程,与球棍所用聚合物通过化学反应以共价键结合。这些球棍必须接受芬兰职业曲棍球联盟(Finnish professional hockey league)的严格测试以展现其稳定性。测试中,球棍以全部力量击打冰球100次。为了能够入围,测试结果必须达到至少80次击射(slap shot),而这款添加了Baytubes生产的球棍在没有一次失误的情况下通过了测试,并且,其质量比传统球棍的质量轻了很多。

图3 这款4.5 实验机分度局部的刻线应精确、平均、明晰添加了Baytubes而生产的球棍在没有一次失误的情况下通过了严格的测试,

并且其质量比传统球棍的质量轻了很多。

位于芬兰Helsinki的Berner Sports公司生产的棒球棍也因为使用了Baytubes而受益于大大提高的球棍击打性能。

芬兰冬季运动专家团(Finnish winter sport specialists)Excel最近也为越野滑雪和北欧式行走运动介绍了一些专用的塑料滑雪杖。通过使用碳纳米管,这些滑雪杖的刚性增加了30%,而产品质量却比传统育儿嫂产品少了6%。

风力发电机的动叶片是碳纳米管的应用中非常有前途的一个领域,非常吸引人。目前叶片由碳纤维和环氧树脂制造,其长度因为其重量的影响而受到限制。只要在环氧树脂内添加少量碳纳米管,就能使动叶片大大减轻重量,并显著增加长度,同时还提高了其稳定性。最终,将导致风力发电机性能的显著提高(图4)。

图4 现在风力发电机的动叶片由碳纤维和环氧树脂制造,其长度因为其重量的影响而受到限制。

只要在环氧树脂内添加少量碳纳米管,就能使动叶片大大减轻重量,并显著增加长度,

同时还提高了其稳定性。

Baytubes的电学性能尤其为其打开了新的应用市场。它能使聚合物具有导电性,例如它能用于计算机芯片或其他敏感电子元件的抗静电包装上;有一个应用于聚醚醚酮(PEEK)半成品的例子,改性后的材料可以用于生产多种机械元件,如喷嘴;仅仅添加很少量的Baytubes,汽车塑料挡泥板半成品就能获得导电性能(图5),而这种新的材料性能可以实现更高效、更环保的喷涂工艺,减少用于挡泥板喷涂的成本;碳纳米管应用于汽高频板车行业内的类似例子还有:当在塑料车身部件,如翼片内添加碳纳米管,那么就不用再在喷漆之前先喷涂导电底漆了。

图5 添加了Baytubes的具有导电性能的塑料

此外,碳纳米管也能够提高航空透平中陶瓷构件的导电性能。

拜耳材料科技为其客户提供相关的技术诀窍,使得Baytubes能应用于更多聚合物建瓯之中。为了做到这一点,该公司与欧洲,以及欧洲地区以外的专业配混企业和配方设计师达成合作关系。为了推进碳纳米管在工业应用领域内的发展,拜耳材料科技也在寻找能够与之达成战略合作伙伴关系的专业贸易和研究伙伴。 (end)

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