使用碳纳米管遇到的技术壁垒。

热塑性聚氨酯(TPU)凭借力学强度高、加工性能好和生物相容性能优良等特性，在电子、汽车、医学等领域得到广泛应用。将TPU与导电炭黑、石墨烯或碳纳米管等进行熔融共混，可制备具有导电性能的复合材料。

那么，碳纳米管究竟有什么“特异功能”和技术壁垒？TPU/碳纳米管复合材料是怎么制备的呢？碳纳米管的应用有哪些领域？

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碳纳米管的“特异功能”

碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。

碳纳米管(CNTs)，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。

碳纳米管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。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20nm。

碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。

碳纳米管的硬度与金刚石相当，强度是钢的100倍，但柔韧性良好，可以拉伸。

碳纳米管具有良好的导电性能，其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降;当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。理论计算表明直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。

碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。碳纳米管还具有光学等其他良好的性能。

碳纳米管生产过程中核心壁垒体现为：

分散体系：粉体分散是浆料制备的核心步骤。由于CNT粉体直接实际应用效果不好，所以电池厂目前更倾向于采购CNT浆料。而由于碳纳米管之间较强的范德华 力和高长径比，容易形成大的管束，并且纳米尺寸效应的存在，使得团聚效应更为显著。常见的分散方法包括研磨、高能球磨、添加表面活性剂等。实际生产中 ，常采用PVP等表面活性剂作为分散剂，NMP作为分散介质，使用砂磨机进行分散。而不同组分和不同含量的分散剂所得到的效果存在显著差异。

催化剂：催化剂的制备方法和流程，会影响其粒径、活性、纯度等性能，进而对碳纳米管的管径、长度、纯度以及均一性产生显著影响。各家企业针对催化剂的 组分和生产流程多进行了专利布局，并且通过自身实际生产工艺进行灵活调整。而催化剂制备水平的优劣也会直接反应在碳纳米管产品的性能上。

近年来随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来，是材料科学领域的研究热点之一。

TPU/碳纳米管的制备

配方组成：

TPU/CNTs-10 共混体系配方

制备方法：

将TPU、碳纳米管、偶联增容改性剂YY-502B等组分按配比称量，采用转矩流变仪在温度为190℃、转速60r/min条件下进行熔融共混，混炼时间5min～8min。

采用热压成型机将上述共混物在200℃热压制备厚度为1mm和0.05mm的薄片，预热时间5min、热压时间1min、冷却时间2min。

TPU/碳纳米管的性能

对于TPU/碳纳米管共混复合材料的性能研究，研究YY-502B的用量对材料的拉伸性能、体积电导率的影响。

1.拉伸性能分析

-502B 用量对材料拉伸强度的影响

由于碳纳米管与TPU基体存在界面-502B是一种多官能团的偶联增容改性剂，可改善TPU/碳纳米管的界面结合力。随着其含量增加，两相界面结合力增加，故拉伸强度增大。

与TPU大分子相比，502B 是一种分子量相对较小的改性剂，当其用量足够在两相界面产生偶联增容时，过多的502B会产生增塑效应，拉伸强度反而会有所降低。
当502B 含量为 1% 时，拉伸强度达到最大值为:25.2MPa。

2.导电性能分析

-502B 用量对材料体积电导率的影响

由于502B是一种具有偶联和增容多功能的改性剂，在体系中能够提高两相界面作用力，防止碳纳米管在高混和加工过程中产生团聚，当碳纳米管分散均匀并能形成相互贯通的导电网络时，材料的导电率增加。

当其用量足够碳纳米管分散时，进一步提高用量对碳纳米管分散没有进一步改善，故体积电导率基本保持稳定。

当502B含量为 2%时,导电性能达到最大值0.52S/cm，是未添加（0.22S/cm）的2.36 倍，说明502B的加入可有效提高复合材料的电导率。

碳纳米管的应用

碳纳米管的用途无处不在，从碳纤维网球拍到商业和军用飞机上的复合材料。碳纳米管应用：

1、新能源领域：最有代表性的是新能源汽车动力电池、光伏和风力发电站的储能电池、氢燃料电池和超级纳米碳纤维电池。

碳纳米管作为锂离子电池导电剂能显著降低电池内阻、提高充放电倍率、增加电池容量和延长循环寿命。可根据客户要求加工定制，所提供的专用产品有水系和油系两种，即：锂离子电池专用碳纳米管水系导电液、锂离子电池专用碳纳米管油系（NMP、异丙醇、DMF、乙酸丁酯等）导电液。

碳纳米管导电液由多壁碳纳米管、碳纳米管分散剂、液体介质等三种成分组成，经过特定的机械研磨设备和分散工艺，规模化地生产。广泛应用在锂电池行业，该行业年需求碳纳米管粉料在15000吨左右。

2、复合材料领域：高强度碳纤维材料，碳纳米管的长度是直径的几千倍，因而号称“超级纤维”。

碳纳米管粉体可直接用于塑料制品、橡胶制品行业，作为导电导热耐磨填料。应用主要在汽车轮胎取代现有炭黑材料，极大提高轮胎的耐磨、减震和附着性能等方面的应用。仅汽车轮胎行业目前年所需炭黑粉为200万吨左右，按碳纳米管替代工艺所需碳纳米管粉料为60～80万吨。
碳纳米管粉体具有高导电、导热率和高的热辐射率，与颗粒状的导电、散热填料相比，在涂层中更容易形成导电导热网络，是导电、散热涂料的良好功能填料。该应用主要在隐形涂料和船舶防腐涂料两领域，前期重点放在军用船舶的防腐涂料，该领域年需求碳纳米管粉料在5000吨左右。

3、电子领域 ：用碳纳米管制成天线，就可以像接收无线电波的天线一样接受光波。对接收可见光纳米天线的实际应用，专家认为，纳米天线可制成光电视，即将电视信号加到在光纤上传送的激光束，而在终端，由一系列纳米管（每个功能类似于高速二极管）将信号解调，而大大提高电视信号的效率和图像的品质。

4、医疗领域及生物工程：微型机器人，可以进入血管疏通血栓；利用碳纳米管制造纳米芯片、人体组织及器官。

5、环境保护领域：利用纳米级集尘灰微粒的特性，发展新的保湿材料，大幅提升土壤之保水能力，提高绿化成功率与速度；利用碳纳米管生产疏水外墙涂料，该涂层外表不沾水，不积灰，节省高层建筑外墙清洁费用，降低高空作业风险。

6、航空领域：航空轮胎是航空器起降时唯一与地面接触的部件，一向被视为轮胎制造行业“皇冠上的明珠”。

将TPU/碳纳米管共混复合材料加入航空轮胎面胶中使其具有具有抗静电、高导热、高耐磨、高抗撕裂等优点，以改善轮胎综合性能，使飞机起飞和降落时轮胎产生的静电荷能均匀传至地面。同时更容易节省制造成本。

应用碳纳米与高分子材料共混可获得力学性能优良、导电性好、耐腐蚀和电磁屏蔽等新型复合材料。碳纳米管聚合物复合材料被认为是传统智能材料的替代物，在未来的应用范围将会越来越广泛。