單壁碳納米管替換常規導電劑可行性報告

2020-12-05 塗料交流

摘要：討論單壁碳納米管在導靜電防腐塗料中的應用以及同石墨、導電雲母粉的導電性能和物理性能的差別。

0、引言

1991 年，日本 NEC 公司基礎研究實驗室電子顯微鏡專家 li JI-ma 在高解析度透射電子顯微鏡下觀察 C60 結構時，偶然發現了直徑 4-30nm，長達 um 量級， 管壁呈石墨結構的多層碳分子，這就是今天被廣泛關注的碳納米管，然而，Li ji-ma 當時所發現的並不是單壁納米管，其最小層數為 2 層，稱為雙壁納米管。1993 年 NEC 和 IBM 的研究小組同時成功合成單層的納米管，從某種意義講，單壁納米管才是真正意義的碳納米管。由於單壁納米管的獨特結構，極高的力學性能，獨特的電性質和電化學穩定性，激起世界範圍內許多科學家的極大興趣。

1、單壁納米管的結構和特性

1.1單壁納米管的結構

多層納米管是由多個碳原子六方點陣的同軸圓柱面套構而成的空心小管，而單壁納米管僅由一個碳圓柱面構成。這種管狀結構的管壁由類似於石墨片的六邊形網格所組成，六邊形的交點即碳原子所在，每個碳原子與周圍的 3 個碳原子相鄰， 同時管的兩端（端帽）由含五邊形的碳環組成的多邊形結構來封閉。其直徑可由拉曼光譜測定，大部分在 1.16-1.60nm 之間，在 1.2-1.4nm 範圍內的最多，且幾十根集合成一束長度可達數微米，其結構如圖。

1.2單壁納米管的特性

當材料尺寸減小到納米量級，會產生宏觀尺度上完全看不到的或者是特別優異的性能達到 納米量級的材料會產生自組裝效應，小尺寸效應，表面效應和量子效應等，單壁納米管正是 因為自組裝效應，使得無論採用何種製備方法獲得的單壁碳納米管，碳原子均能以六邊形的 單元組成空心的管狀結構，並且這種管狀結構的端帽是自動封閉的。由於納米尺度的小尺寸 量子效應是原有的有關導體的電阻概念必須用量子力學模型來代替。電子沿碳納米管的徑向 運動受到限制，呈飛彈式，可以認為碳納米管是一維量子導線，使納米管顯示出優良的導電 性。

2、單壁納米管在導靜電防腐塗料中應用

2.1.1配漆及製版

將醇酸樹脂、膨潤土、白炭黑、鈦白粉、TUBALL301 依次加入，1400 轉/min 高速分散 40 分鐘，加入聚氨酯固化劑，製成塗膜試板。

2.1.2單壁納米管不同含量在不同基材上的導電性比較

結論分析：由 GB13348-92《液體石油產品靜電安全規程》規定儲罐內壁防腐蝕面漆的電阻率在108 -1011 之間，當單壁碳納米管的添加量達到千分之 3 時可以滿足要求。

2.2.1 不同膜厚對導電性能的影響

結論分析：導靜電防腐漆的導電性能同塗裝厚度有關，且隨著塗膜厚度增加呈正相關關係

2.3單壁碳納米管同石墨、導電雲母粉的物理性能比較

2.3.1配漆及製版

將環氧樹脂、有機膨潤土、酒精、鈦白粉、滑石粉、導電粉/石墨/單壁碳納米管、二甲苯依次加入，1400 轉/min 高速分散 40 分鐘，加入聚醯胺固化劑，製成塗膜試板。

2.3.2單壁碳納米管同石墨、導電雲母粉的物理性能比較

結論分析：單壁碳納米管石墨、導電雲母粉相比，對導靜電防腐塗料沒有太大的改變，只有些許增稠作用，但是從成本考慮，導電石墨 16 元 kg 左右，導電雲母粉 45 元/kg 左右， TUBALL301 單壁碳納米管 3500 元/kg 左右，單壁碳納米管還是比較有優勢。

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