新的“长”碳纳米管在热塑性塑料、LSR中显露头角

文/本刊记者Matthew H. Naitove

新型发丝状碳纳米管Miralon CNT与各种热塑性塑料和LSR等热固性塑料有着良好的结合，除具有耐受高辐射、高盐、高水分和强腐蚀的能力，以及优良的机械性能和导热性外，在非常低的用量下还提供导电性。

一种新的碳纳米管（CNT）有望被热塑性塑料和热固性塑料包括液体硅橡胶（LSR）采用而应用于诸多潜在领域。据称，该碳纳米管与聚合物高度相容。Miralon CNT片材、纱和分散品级来自Nanocomp技术公司（美国新罕布什尔州梅里马克）。该公司成立于2004年并在2012年搬到原造纸厂一座较大的设施中。目前正处于试生产阶段，年产能约为0.85 t。该公司正募集资金，计划到2018年扩产至8 t，2021年产量可能超过20 t。Nanocomp技术公司联合创始人、总裁和首席执行官Peter Antoinette预计其碳纳米管十分有潜力在现有塑料加工流程中被大规模使用。该产品采用乙醇和甲醇作为低成本原料，它们在气化炉反应器中超过800℃时气化，采用无氧纯氢气和铁作为催化剂。在这个气化炉中，化学气相沉积沉淀了十亿根碳纳米管，它们有两种独特的性能。

首先，Miralon CNT通常有1～10 mm 长，但宽仅有 3～5 nm，形成约100万∶1的纵横比（长径比L/D）。与典型的碳纳米管（纵横比 1 000～10 000∶1）相比，它们具有相似的厚度，但长度在μm范围内（1 mm的1/1 000）。高的纵横比被认为是相对于其他碳纳米管的一个优势，普通碳纳米管呈粉末状，并且据报道在加入树脂时，往往会结块。尽管Miralon CNT有大的L/D，但仍然是小到看不见，比头发丝细约10 000倍，比标准的碳纤维细1 000倍。

第二个关键的不同是，不像粉末状的碳纳米管，生成的都是松散、单独的纤维，Miralon CNT往往在反应器中缠结、交织在一起；它们也容易粘在一起，形成一个复杂的网络。这使得更容易把它们从炉中收集出来并将其转换为连续纤维或片材。

Miralon CNT从炉中出来是一团缠结的碳纳米管，被称为“袜子”。它可以绕在卷筒上，形成一种毡，然后能被压实成一种非织造片材，该片材可以被切成带。另外，“袜子”可以被收集在一个喷丝头中，形成一种由数以百万计缠结的碳纳米管组成的连续纱线，每个碳纳米管只有几毫米长。

含有Miralon碳纳米管的复合物，其高导电率部分是因为像头发丝一样的纤维丝缠结在一起的效果

在高温反应器中，乙醇被注入到氢气气氛中和铁催化剂一起，产生一种缠结的碳纳米管，类似连续的头发丝“袜子”

Miralon CNT纱可用于复合材料中，片材可以制成预浸料或短切成直径约0.05 mm、长约1 mm的多孔管束。Nanocomp技术公司提供短切的“分散产品”，根据要求可以是“干浆”或是订制色母粒。短切的Miralon CNT可用于热塑性塑料注塑或模压成型、LSR注塑成型，也可复合成3D打印长丝。Nanocomp技术公司目前有13条生产线，6条用于纤维，7条用于片材生产。

该公司表示，毫米级长度的Miralon碳纳米管已被美国环保署归类为“物品”而不是“颗粒”，它们不同于碳纳米管粉末或松散的管状物。据Nanocomp技术公司称，这意味着它们太大了，而不会被皮肤吸入或吸收。

Miralon碳纳米管的性能

目前这一代的Miralon CNT纱具有0.8～1 GPa的拉伸强度，而对于开发中的新一代产品，这一数值将增加一倍。Miralon CNT纱的断裂应变为3.5%。目前的碳纳米管的密度为0.8 g/cm3，约是碳纤维的一半。因此，目前该材料的比拉伸强度（单位质量的强度）是航空级碳纤维或芳纶纤维的一半左右。但是新一代产品可以匹敌或超过它们。

Miralon CNT分散在各种热塑性塑料中形成的粒料可以被注塑或模压成型

目前的一些碳纳米管被用在一种复合材料中时，已符合或接近于航空碳纤维如IM7和T1000的断裂应变。这些纤维本身强度可能会更大，但是当用于复合材料中时，会遭受大幅的“性能降低”。Antoinette称，Miralon CNT不会遭受这样的性能降低。他说，美国宇航局（NASA）已经用Miralon CNT生产热固性复合材料，其比强度是碳纤维复合材料的两倍。而且，据Antoinette称，Miralon CNT增强热塑性塑料可保留高达98%的纤维原始断裂应变。这是因为Miralon CNT与各种热塑性树脂有着良好的结合。

更重要的是，Miralon CNT纱非常有弹性，当扎成一个结时有较高的强度保持率，这与碳纤维不同。由于具有网络结构，它也有着非常高的表面积，可用于粘接树脂和/或传递热或电。其柔韧性/延展性在柔软的防弹衣中也很有价值，据报道，即使在低温下也不会发生疲劳断裂。Miralon碳纳米管还具有耐受高辐射、高盐、高水分和强腐蚀的能力。

导热性和导电性也是Miralon碳纳米管的优异性能。据 Antoinette称，0.02%～0.05%的Miralon CNT可以提供静电耗散（ESD）性能。在一个胶粘剂应用中，Antoinette表示，它可以与0.15%的石墨烯或10%的碳纤维提供的ESD保护性能相媲美。仅5%的Miralon CNT或单层的、30～50 μm厚的 Miralon CNT 片材就可以提供电磁干扰（EMI）屏蔽。

Antoinette称，Miralon CNT的热导率会博得赞誉，把焊炬火焰对准复合材料片材，Miralon碳纳米管纤维散热很快，足以使片材抵抗熔融或燃烧。Miralon CNT还是一个红外线发射器。Antoinette对此用连接到电源上的Miralon CNT片材进行演示：手放在距离片材几厘米的地方几乎立即感觉到发出的温暖，但是触摸片材本身几乎没有热的感觉。

使用的场合

采用Miralon CNT的热固性复合材料（环氧和氰酸酯）已被批准用于航空航天应用。Miralon CNT片材被用在Juno飞船推进器和发动机盖上的一种复合材料辐射/静电耗散（ESD）屏蔽和电磁干扰防护层中。该飞船在2016年7月曾到达木星。

Nanocomp技术公司正与许多热塑性塑料配混公司合作（包括克利夫兰的HyComp有限公司），使用聚醚醚酮等树脂开发含有Miralon碳纳米管的热塑性复合物。一种含有分散Miralon CNT的压缩成型Ultem PEI支架目前已被用在太空卫星的运载火箭上。Antoinette称，西门子和不同的汽车公司正在研发含有Miralon CNT的注塑成型和压缩成型热塑性塑料部件。碳纳米管片材也已用熔融己内酰胺进行灌注，通过原位聚合生产尼龙6复合材料。

鉴于0.5%的分散Miralon CNT可以增加LSR的耐热性达100℃，Antoinette称其公司也将开发Miralon CNT的LSR应用。

在目前的试生产阶段，Miralon CNT的估价是每磅几千美元。随着生产规模的扩大，Antoinette预见在未来4～6年内，成本会下降一个数量级。