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超高导电纳米碳材料低成本量产,助力塑料导电性能飞跃

传统上,塑料都是作为绝缘材料使用。但如今随着电子工业的发展,抗静电、导电、抗电磁干扰屏蔽、电磁波吸收等技术越来越受到人们的关注,市场也对塑料提出了高导电性能的要求。

为了使塑料获得导电功能,实现从绝缘体到半导体再到导体的巨大变化,就需要将塑料作为基材和各种导电添加剂混合,用传统塑料的成型方法加工而成的功能型高分子材料。与传统的金属材料相比,这种材料具有重量轻、易成型、耐腐蚀、可回收、电阻率大范围调节等特点。其中用途最广和使用量最大的,正是以碳系导电物质为添加剂的碳系物填充导电塑料。

1传统导电碳材料

炭黑

碳系导电物质中,包括了导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯等材料。其中,炉法导电炭黑和乙炔黑是最传统导电碳材料,因为价格低(根据不同规格约10-200元/kg,进口普通导电炭黑在40-80元/kg),用量最大,光是中国国内每年生产量超过数万吨。

目前我国电线电缆用导电炭黑的市场容量约为3.8万吨左右,导电涂料、电子元件、抗静电油墨、导电膜等领域导电炭黑的需求量约为2万吨左右。随着我国国民经济及各行业的不断发展,导电炭黑的应用水平不断提高,导电炭黑生产量每年都在增加。但是为了达到所需要的导电效果,通常国产导电炭黑需要填充15-30%在塑料里,进口导电炭黑需要填充10%左右在塑料里,这会导致塑料力学性能损失较大,而且表面容易掉炭黑颗粒。

2新一代碳系导电材料

有旧自然也有新,新一代碳系导电材料中,最具代表性的莫过于碳纳米管和石墨烯,其突出优点是填充量比炭黑少,对塑料的力学性能损伤小。

碳纳米管

碳纳米管是由单层石墨片卷曲而成的无缝中空管子,管子的外径1-50纳米,长度几微米到上百微米。以使用量较大的欧洲某碳纳米管公司产品为例,采用通用的塑料加工方法和设备填充2%wt在PC塑料里便可达到表面电阻率104Ohm/sq,添加量仅为传统炭黑填料的1/5-1/15,且导电塑料加工性能较好。

但碳纳米管也存在一些应用上的问题。作为一维材料,碳纳米管彼此之间有巨大的范德华力内聚力,通常在生产设备出来是高度团聚的纠缠状态,需要特殊技术才能分散开。在国外会有专利技术、专用设备及保密分散剂等来进行专业的处理;但在国内,由于低端碳纳米管导电性和分散性比进口的差,通常需要添加3-8%在塑料里才能达到与国外公司相同效果,而且直接使用通用的塑料加工方法得到的国产碳纳米管导电塑料,表面不光滑,有凸点,因此在国内碳纳米管导电塑料的使用目前还较少见,还是以炭黑系的导电塑料为主。

石墨烯

理论上石墨烯拥有奇异的物理结构,从而具有优异的力学、电学和热学特性。自2010年石墨烯的发现者获得诺贝尔奖后,石墨烯的研究与炒作在国内呈星火燎原之势,越烧越旺,在国内的多个城市都已经投入巨资建立了多个石墨烯产业园。

不过,由于目前市场上还很少有石墨烯的大吨位工业应用,已经搭好的石墨烯产业园平台还得不到有效利用,已成立的石墨烯公司也大部分处于亏损状态。实际上以通用石墨矿物为原料,很难大批量获得高品质、高导电性石墨烯材料,但使用化学气相沉积法的话则能获得高品质、高导电性石墨烯。

从技术上分析,通常石墨烯粉体因为是二维平面片层结构,受到外力挤压的时候,很容易片层之间二次叠合,恢复石墨的本性,从而丢失石墨烯的特性,这也导致石墨烯粉体很难和传统塑料加工兼容,不易通过双螺杆挤出机直接加工的方式得到石墨烯填充导电塑料。笔者尝试过多家公司和多种类型石墨烯,直接和塑料一起混炼的话,通常需要3-8%填充量才能达到导电性。但石墨烯本身价格比碳纳米管贵,填充量又多,因此它目前在导电塑料领域的应用非常少见。

3突破:含三维石墨烯结构的纳米碳材料

综上所述,已有的各类导电碳材料其实都多少存在一些应用问题。但只有具备高导电性石墨烯片层结构的纳米碳材料,才能具有理论预测的优异高导电特性,才有可能开发出巨大的下游应用市场。

经过多年理论和工厂实践,通过借鉴传统碳材料——导电炭黑、碳纤维、活性炭等材料的工艺原理,赵社涛创新开发了超高导电性纳米碳材料量产工艺。通过一定工艺条件下,控制纳米碳材料生成三维石墨烯结构,即可大批量低成本制成超高导电性纳米碳材料。

超高导电性含三维石墨烯结构的纳米碳材料粉体

导电性测试

为了测试这种纳米碳材料的导电性能,研究员使用目前塑料行业通用的加工工艺,添加少量自制的超分散剂ZT3000,270℃直接熔融共混含石墨烯片层结构超高导电性纳米碳材料粉体和PC塑料粒子,经混炼后加工成厚度1mm测试片后测试其导电性。

通过实验发现,只需添加0.2%wt含三维石墨烯结构的纳米碳材料到PC塑料里便可赋予PC塑料导电性,而且加工过程还可以兼容传统塑料工业的加工方式。在达到相同导电效果的情况下,其添加量大致是进口导电炭黑的1/50,大致是欧洲公司进口碳纳米管的1/10,大致是普通石墨烯粉体的1/10到1/30,性能可排入目前报道的最高水平之列,与理论预测的石墨烯片层所具有超高导电性相符合。

而且这种超高导电纳米碳材料成本非常低,通过控制大分子碳氢化合物生成三维石墨烯片层结构即可低成本大批量获得。最重要的是它的添加量如此之低,塑料在获得导电性的同时,还可以最大程度的保留自身本身的力学强度。因此笔者相信,这种具有三维石墨烯结构的纳米碳材料若能得到广泛应用,必定具有改变全球导电碳材料和导电塑料市场竞争格局的能力。

本文来自粉体圈,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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