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碳纳米管在橡胶中的应用


来源:三昧

[导读]  碳材料填充橡胶,带给橡胶工业很大的提升,而在今后的研究中,尤其应关注能够规模化生产的碳纳米管、石墨烯等低维碳纳米材料。

中国粉体网讯  碳纳米管,又名巴基管,是一种径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口的一维量子材料。


近年来,以碳纳米管为代表的纳米碳素材料、一维粘土、多面体低聚倍半硅氧烷、山梨酸盐和各种无机非硅酸盐层状物等纳米粒子相继被被应用于橡胶基纳米复合材料,构成了新型橡胶基纳米复合体系,可以赋予传统橡胶基纳米复合材料所不具备的独特电学、热学、各向异性等性能,丰富发展了橡胶基纳米复合材料的种类。



碳纳米管在橡胶中的应用


碳纳米管中碳原子主要以sp2杂化为主,在其空间拓扑结构中又有着同时具有sp2和sp3混合杂化的化学键,而这些 p 轨道彼此交叠在碳纳米管表面时,形成高度离域化的大 π 键,是其与一些具有共轭功能的大分子复合的化学基础。碳纳米管的独特结构使其具有许多优良的性能,如比表面积大、强度高、韧性好、密度小、导热性和导电性优良等。


补强材料、防震材料

力学性能

1.硬度极高、柔韧性好

2.抗拉强度是钢的100倍

3.熔点高达3652~3697℃


热学性能

1.长度方向导热性好

2.垂直方向导热性差

3.具有较强的热导率


碳-碳共价健密度较高的碳纳米管 ,其理论强度是钢的 100 倍, 而密度是钢的 1/6.通常多层碳纳米管结构中缺陷很多, 较难达到理论强度, 但单层的缺陷很少 ,可接近理论强度。


由于碳纳米管是中空的 ,圆周方向由几个到几 10 个石墨型六边形碳 -碳共价键网络形成的笼形结构,轴向则由很多的石墨型六边网络组成 .这种结构使它具有惊人的韧性和弹性形变能力。


利用碳纳米管优异的力学性能可为橡胶基体提供极好的补强性, 并提高其抗疲劳性能。碳纳米管在橡胶基体中形成的填充网络可将其中积聚的热量迅速散失, 降低橡胶制品的热疲劳损失 ,延长使用寿命碳纳米管大的长径比有利于提高橡胶的耐撕裂性和耐磨性。


导电材料、静电屏蔽材料

电学性能

1.管径大于6nm,导电性下降

2.管径小于6nm,良好导电性

3.管径约0.7nm,预估有超导性


碳纳米管因具有大的长径比 ,加入到聚合物基体中可以在较低填充量时即可达到逾渗值, 不会因填充量过高而导致材料弹性降低。用单壁碳纳米管填充氟橡胶与用炭黑填充氟橡胶相比,填充量小 ,硬度低, 在混合汽油中的渗透性低, 压缩永久变形小,导电性好, 适合制备汽车油箱用 O型密封圈。此外碳纳米管的优良导电性能和半导体性质 ,使它与橡胶的复合材料具有比普通炭黑-橡胶更好的静电屏蔽效果。


碳纳米管在橡胶应用中的难题


在橡胶工业中,将碳纳米管填充各种橡胶材料以提高其导热、导电及物理性能等成为发展趋势。由于碳纳米管自身有着很高的表面自由能,碳纳米管间相互作用力强、与橡胶的粘结力差以及橡胶极高的粘度,碳纳米管难以均一地在橡胶基体内分散,易发生团聚现象,因此在填充使用时,需要提高其分散性和相容性。为了解决碳纳米管难以分散的问题,可采用共价键改性和非共价键改性等方法。


碳纳米管分散机理:

1.破坏长纤维纠缠粘结状态

2.克服团聚体强吸附力

3.稳定碳纳米管分散状态


碳纳米管分散方法:


随着“工业4.0 ”及“ 2025计划”的实施,碳材料填充橡胶的多样化、功能化以及实用化更加符合当今材料科学的发展趋势,其特殊结构、优异性能在高分子材料及其他领域展现了广阔的应用前景。碳材料填充橡胶,带给橡胶工业很大的提升,而在今后的研究中,尤其应关注能够规模化生产的碳纳米管、石墨烯等低维碳纳米材料。


2018年4月24-25日,中国粉体网联合江苏省纳米技术产业创新中心、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,将于苏州金陵观园国际酒店举办 “2018低维碳纳米材料制备及应用技术交流会”,会议旨在共同探讨低维碳材料现阶段的发展中所面临的机遇和挑战,分享最新的研究成果,共同推动其产业化进程。



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