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CNT——21世纪最具潜力功能材料丨锦湖石油化学介绍
时间 : 2023-07-25

导电材料是指专门用于输送和传导电流的材料,一般分为良导体材料和高电阻材料两类。常见的塑料、橡胶大多数均属于高阻电材料,需要额外添加导电填料才能达到抗静电/导电效果。常见的导电填料如下所示:


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碳纳米管(CNT),又名巴基管,是一种具有特殊结构(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,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。



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发现历史

1985年,“足球”结构的C60(富勒烯)一经发现即吸引了全世界的目光,Kroto H. W、Smalley R. E、和Curl R. F.因共同发现C60并确认和证实其结构而获得1996年诺贝尔化学奖。在富勒烯研究推动下,1991年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管,被日本电子公司(NEC)的饭岛博士发现。

碳纳米管在1991年被正式认识并命名之前,已经在一些研究中发现并制造出来,只是当时还没有认识到它是一种新的重要的碳的形态。例如:

1890年

人们就发现含碳气体在热的表面上能分解形成丝状碳。

1953年

在CO和Fe3O4高温反应时,也曾发现过类似碳纳米管的丝状结构。

20世纪50年代开始

石油化工厂和冷核反应堆的积炭问题,也就是碳丝堆积的问题,逐步引起重视,为了抑制其生长,开展了不少有关其生长机理的研究。这些用有机物催化热解的办法得到的碳丝中已经发现有类似碳纳米管的结构。

20世纪70年代末

新西兰科学家发现在两个石墨电极间通电产生电火花时,电极表面生成小纤维簇,实际上已经观察到多壁碳纳米管。


结构特征

CNT中碳原子以sp2 杂化为主,同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲,形成空间拓扑结构,其中可形成一定的sp3 杂化键,即形成的化学键同时具有sp2 和sp3 混合杂化状态。这些p轨道彼此交叠,会在碳纳米管片层外形成高度离域化的大π 键,而这些大π 键是CNT与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础。


理化性能


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其他:CNT还具有光学性能、通电发热性能,通电后会释放一定波长的红外线,已经有科学实验证明此波段红外线对身体有一定益处;另外,CNT的结构虽然与高分子材料相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。


市场前景

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经过近十年的推广,CNT在橡胶、硅胶、塑料、聚氨酯等各种体材料系的应用均有重大突破,与传统各类导电剂相比,CNT导电性能更高效,少量添加,即可达到防静电甚至导电效果,降低对原有材料物性的破坏。

锦湖石油化学MWCNT介绍

韩国锦湖石油化学

株式会社

锦湖石油化学成立于1970年,业务范围覆盖合成橡胶、合成树脂、精密化学、建筑材料、CNT等诸多领域,其中核心业务合成橡胶的生产能力位居世界首位。

自2007年开始研发CNT以来,致力于各类抗静电/导电复合材料的研发应用,如导电塑料(HIPS、ABS、PC、PA6/66、TPU、EVA等)、导电橡胶(NR、BR、NBR、CR等)、导电硅橡胶、导电浆料(NMP、DMF、PMA、IPA、MEK、水)等,依托其高度阵列型结构,导电性及分散性能远优于市面其它同类产品,现已成功应用于电子载带、托盘、汽车轮胎、导电胶辊、导电硅胶制品、劳保手套、导电涂料、锂电池等领域。


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锦湖石油化学根据不同的应用需求推出了不同的系列规格,性能参数如下:


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针对CNT密度轻,容易飘散,不方便称量和下料,生产环境差等问题,锦湖推出Tablet系列颗粒状产品,虽然外观看起来是颗粒,稍用力即可变成纯粉体形态。下图为P系列和T系列外观状态的区别:


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锦湖MWCNT复合材料


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01

HIPS/CNT复合材料

HIPS / CNT复合材料可用于生产运输电子产品和汽车零件的托盘,载带、卷材等。

与传统炭黑(CB)复合材料相比,CNT添加量低,一般在2-3%左右(CB添加量20-30%),极大限度保留了基材原有物性。

1.1  应用


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1.2 规格参数


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02

ABS/CNT复合材料

ABS / CNT复合材料主要用于电子托盘、静电喷涂、高硬度塑料外壳。 MAB150系列产品主要适用于涂层型导电挤出板,具有出色的光泽度和表面质量,MAB150M在激光打标识别率方面表现出色。而EAB120用于非涂装加工,可以提高涂装效率和导电均匀性。

2.1  应用


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2.2 规格参数

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03

聚烯烃/CNT复合材料

聚烯烃/ CNT复合材料主要应用于电子托盘、LCD零件运输泡沫、农业覆盖薄膜等。

与HIPS/CNT复合材料特性相近,CNT添加量少,为CB的1/10,极大限度保留了基材原有物性。

对于农业覆盖薄膜,聚烯烃/CNT复合材料还可以提高土壤温度、抑制杂草的效果。

3.1  应用

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3.2 规格参数


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04

导热/电磁干扰屏蔽复合材料

目前市场很多电气设备都有散热、电磁干扰屏蔽(EMI)的需求,例如:电子控制单元、灯具、无线充电器外壳、车辆前后雷达等。与其它导热/EMI材料相比,CNT-导热/EMI复合材料有更轻质和紧密的特性(可减轻约40~55%的重量),而且在EMI部分可调整干扰屏蔽频段。

4.1  应用


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4.2 规格参数


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05

锦湖MWCNT母粒

MWCNT只有在基材中充分分散,才有可能表现出高导电效率,但由于比表面积大,容易团聚,需要用户具有一定的分散技术。

针对用户遇到难分散的问题,锦湖提供了各种基材不同浓度的母粒,可有效解决客户分散问题。浓度在8-15wt%范围为主,可用于挤出、注塑、发泡等工艺。

5.1  应用


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从图中可以看出,在塑料领域,导电效果有一般规律(不是完全绝对):

1

非结晶比结晶材料做导电要容易。

2

熔点越高的材料做导电越容易。


5.2 对比数据

从下图中可以看出,用纯CNT粉料来做导电没有用相应母粒效果好,因为导电母粒已经做了一次预分散,二次加工可以把CNT分散的更均匀,从而达到更好的导电效果。


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06

锦湖CNT分散液

锦湖针对一些涂料、胶黏剂、乳胶手套、聚氨酯发泡等行业推出了CNT分散液,生产工艺如下:


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6.1  特点

a   针对不同体系有不同的溶剂

b   良好的储存稳定性

c   优异的导电性

d   高浓度

6.2 应用


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a   在功能性涂料领域特点:ESD,电磁干扰,散热等。

b   用在工业手套的特点:良好的导电性、耐久性。


6.3 规格参数

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07

NB Latex/CNT 分散液


7.1 特点

a   用于工业用手套的规格—— SBL050

b   使用离子乳化剂,相容性好,储存性好

c   优异的导电性和耐磨性

d   无需添加黑色颜料


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7.2  应用(工业用手套)


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SBL050应用配方表案例

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7.3 典型特性

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08

K-Nanos系列用于锂电池行业


在锂电池行业中,CNT替代炭黑、石墨类作为导电剂,其使用已经越来越普及。除了动力电池,在数码电池里CNT导电剂也开始使用。CNT导电剂添加量明显少于CB,同时能使粘接剂的用量降低至原来的50%左右,对锂离子电池有综合的明显好处。

经高工产研锂电研究所(GGII)调研和预计,在未来几年,全球碳纳米管导电剂浆料需求量将保持40.8%的年复合增长速度,2023年需求量将达19.06万吨。如下:


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锦湖石油化学提供CNT材料及其分散液类产品,可用作锂离子电池阴极和阳极的导电剂。用于锂电池的CNT规格不包含Fe、Mn、Cr、Zn、Ni、Mo等关键杂质,因此锦湖产品可以不经纯化直接用于锂电池,亦有NMP分散液和水分散液等规格,方便直接使用。


8.1 规格参数

MWCNT用于锂电池规格参数


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MWCNT分散液参数


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8.2  锂电池行业评估数据

阴极:单板电池


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阳极:半电池


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09

橡胶/CNT母胶


9.1 介绍

1

CNT均匀分布在高顺丁橡胶中。

2

与CNT粉末相比,在橡胶母胶中显示出更好的分散状态。

3

方便生产,减少CNT粉末污染。

4

实现更好的机械性能和电气性能。


9.2  应用


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9.3 规格参数


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