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碳納米管

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碳納米管,又名巴基管,是一種具有特殊結構(徑向尺寸為納米量級,軸向尺寸為微米量級,管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離,約0.34nm,直徑一般為2~20 nm。並且根據碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性,而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。
碳納米管作為一維納米材料,重量輕,六邊形結構連接完美,具有許多異常的力學、電學和化學性能。近些年隨着碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。
中文名
碳納米管
外文名
carbon nanotubes
別    名
巴基管
熔    點
預計3652-3697℃
密    度
2.1 g/cm³(20℃時)
外    觀
粉末
應    用
複合材料,電子器件,熒光標記
危險性描述
該產品並沒有爆炸的危險
顏    色
黑色
氣    味
無味
相容性溶解度

碳納米管發現歷史

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碳納米管 碳納米管
1985 年,“足球”結構的C60 一經發現即吸引了全世界的目光,Kroto H. W.、Smalley R. E.、和Curl R. F.亦因共同發現C60 並確認和證實其結構而獲得1996 年諾貝爾化學獎。在富勒烯研究推動下,1991 年一種更加奇特的碳結構——碳納米管被日本電子公司(NEC)的飯島博士發現。
碳納米管在1991 年被正式認識並命名之前,已經在一些研究中發現並製造出來,只是當時還沒有認識到它是一種新的重要的碳的形態。1890 年人們就發現含碳氣體在熱的表面上能分解形成絲狀碳。1953 年在CO 和Fe3O4 在高温反應時,也曾發現過類似碳納米管的絲狀結構。從20 世紀50 年代開始,石油化工廠和冷核反應堆的積炭問題,也就是碳絲堆積的問題,逐步引起重視,為了抑制其生長,開展了不少有關其生長機理的研究。這些用有機物催化熱解的辦法得到的碳絲中已經發現有類似碳納米管的結構。在20 世紀70 年代末,新西蘭科學家發現在兩個石墨電極間通電產生電火花時,電極表面生成小纖維簇,進行了電子衍射測定發現其壁是由類石墨排列的碳組成,實際上已經觀察到多壁碳納米管。

碳納米管結構特徵

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碳納米管 碳納米管
碳納米管中碳原子以sp2 雜化為主,同時六角型網格結構存在一定程度的彎曲,形成空間拓撲結構,其中可形成一定的sp3 雜化鍵,即形成的化學鍵同時具有sp2 和sp3 混合雜化狀態,而這些p 軌道彼此交疊在碳納米管石墨烯片層外形成高度離域化的大π 鍵,碳納米管外表面的大π 鍵是碳納米管與一些具有共軛性能的大分子以非共價鍵複合的化學基礎。
對多壁碳納米管的光電子能譜研究結果表明,不論單壁碳納米管還是多壁碳納米管,其表面都結合有一定的官能基團,而且不同製備方法獲得的碳納米管由於製備方法各異,後處理過程不同而具有不同的表面結構。一般來講,單壁碳納米管具有較高的化學惰性,其表面要純淨一些,而多壁碳納米管表面要活潑得多,結合有大量的表面基團,如羧基等。以變角X 光電子能譜對碳納米管的表面檢測結果表明,單壁碳納米管表面具有化學惰性,化學結構比較簡單,而且隨着碳納米管管壁層數的增加,缺陷和化學反應性增強,表面化學結構趨向複雜化。內層碳原子的化學結構比較單一,外層碳原子的化學組成比較複雜,而且外層碳原子上往往沉積有大量的無定形碳。由於具有物理結構和化學結構的不均勻性,碳納米管中大量的表面碳原子具有不同的表面微環境,因此也具有能量的不均一性。
碳納米管不總是筆直的,而是局部區域出現凸凹現象,這是由於在六邊形編制過程中出現了五邊形和七邊形。如果五邊形正好出現在碳納米管的頂端,即形成碳納米管的封口。當出現七邊形時納米管則凹進。這些拓撲缺陷可改變碳納米管的螺旋結構,在出現缺陷附近的電子能帶結構也會發生改變。另外,兩根毗鄰的碳納米管也不是直接粘在一起的,而是保持一定的距離。

碳納米管分類

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含缺陷碳納米管 含缺陷碳納米管
碳納米管可以看做是石墨烯片層捲曲而成,因此按照石墨烯片的層數可分為:單壁碳納米管(或稱單層碳納米管,Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs)和多壁碳納米管(或多層碳納米管,Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs),多壁管在開始形成的時候,層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷,因而多壁管的管壁上通常佈滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比,單壁管直徑大小的分佈範圍小,缺陷少,具有更高的均勻一致性。單壁管典型直徑在0.6-2nm,多壁管最內層可達0.4nm,最粗可達數百納米,但典型管徑為2-100nm。
碳納米管依其結構特徵可以分為三種類型:扶手椅形納米管(armchair form),鋸齒形納米管(zigzag form)和手性納米管(chiral form)。碳納米管的手性指數(n,m)與其螺旋度和電學性能等有直接關係,習慣上n>=m。當n=m時,碳納米管稱為扶手椅形納米管,手性角(螺旋角)為30o;當n>m=0時,碳納米管稱為鋸齒形納米管,手性角(螺旋角)為0o;當n>m≠0時,將其稱為手性碳納米管。
含缺陷碳納米管 含缺陷碳納米管
根據碳納米管的導電性質可以將其分為金屬型碳納米管和半導體型碳納米管:當n-m=3k(k為整數)時,碳納米管為金屬型;當n-m=3k±1,碳納米管為半導體型。
按照是否含有管壁缺陷可以分為:完善碳納米管和含缺陷碳納米管。
按照外形的均勻性和整體形態,可分為:直管型,碳納米管束,Y型,蛇型等。
關於管壁缺陷對碳納米管力學性質的影響規律也值得引起關注,這也將有助於進一步認識碳納米管及其複合材料。由於碳納米管制造工藝的限制,碳納米管中含有大量的各種缺陷,如原子空位缺陷(單原子或多原子空位)和Stone-Thrower-Wales (STW)型缺陷等。見下圖。

碳納米管性質

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碳納米管力學

由於碳納米管中碳原子採取SP2雜化,相比SP3雜化,SP2雜化中S軌道成分比較大,使碳納米管具有高模量和高強度。
碳納米管具有良好的力學性能,CNTs抗拉強度達到50~200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6,至少比常規石墨纖維高一個數量級;它的彈性模量可達1TPa,與金剛石的彈性模量相當,約為鋼的5倍。對於具有理想結構的單層壁的碳納米管,其抗拉強度約800GPa。碳納米管的結構雖然與高分子材料的結構相似,但其結構卻比高分子材料穩定得多。碳納米管是目前可製備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成複合材料, 可使複合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性,給複合材料的性能帶來極大的改善。
碳納米管的硬度與金剛石相當,卻擁有良好的柔韌性,可以拉伸。在工業上常用的增強型纖維中,決定強度的一個關鍵因素是長徑比,即長度和直徑之比。材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1,而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上,是理想的高強度纖維材料。2000年10月,美國賓州州立大學的研究人員稱,碳納米管的強度比同體積鋼的強度高100倍,重量卻只有後者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”。
莫斯科大學的研究人員曾將碳納米管置於1011 MPa的水壓下(相當於水下10000米深的壓強),由於巨大的壓力,碳納米管被壓扁。撤去壓力後,碳納米管像彈簧一樣立即恢復了形狀,表現出良好的韌性。這啓示人們可以利用碳納米管制造輕薄的彈簧,用在汽車、火車上作為減震裝置,能夠大大減輕重量。
此外,碳納米管的熔點是已知材料中最高的。

碳納米管導電

碳納米管 導電 碳納米管 導電
碳納米管上碳原子的P電子形成大範圍的離域π鍵,由於共軛效應顯著,碳納米管具有一些特殊的電學性質。
碳納米管具有良好的導電性能,由於碳納米管的結構與石墨的片層結構相同,所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決於其管徑和管壁的螺旋角。當CNTs的管徑大於6nm時,導電性能下降;當管徑小於6nm時,CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。有報道説Huang通過計算認為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導性,儘管其超導轉變温度只有1.5×10-4K,但是預示着碳納米管在超導領域的應用前景。
常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向,其中Ch=na1+ma2,記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個基矢。(n,m)與碳納米管的導電性能密切相關。對於一個給定(n,m)的納米管,如果有2n+m=3q(q為整數),則這個方向上表現出金屬性,是良好的導體,否則表現為半導體。對於n=m的方向,碳納米管表現出良好的導電性,電導率通常可達銅的1萬倍。

碳納米管傳熱

碳納米管具有良好的傳熱性能,CNTs具有非常大的長徑比,因而其沿着長度方向的熱交換性能很高,相對的其垂直方向的熱交換性能較低,通過合適的取向,碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導材料。另外,碳納米管有着較高的熱導率,只要在複合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該複合材料的熱導率將會可能得到很大的改善。

碳納米管其他

碳納米管還具有光學等其他良好的性能。

碳納米管製備

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常用的碳納米管制備方法主要有:電弧放電法、激光燒蝕法、化學氣相沉積法(碳氫氣體熱解法)、固相熱解法、輝光放電法、氣體燃燒法以及聚合反應合成法等。

碳納米管電弧放電法

碳納米管制備 碳納米管制備
電弧放電法是生產碳納米管的主要方法。1991年日本物理學家飯島澄男就是從電弧放電法生產的碳纖維中首次發現碳納米管的。電弧放電法的具體過程是:將石墨電極置於充滿氦氣氬氣反應容器中,在兩極之間激發出電弧,此時温度可以達到4000度左右。在這種條件下,石墨會蒸發,生成的產物有富勒烯(C60)、無定型碳和單壁或多壁的碳納米管。通過控制催化劑和容器中的氫氣含量,可以調節幾種產物的相對產量。使用這一方法制備碳納米管技術上比較簡單,但是生成的碳納米管與C60等產物混雜在一起,很難得到純度較高的碳納米管,並且得到的往往都是多層碳納米管,而實際研究中人們往往需要的是單層的碳納米管。此外該方法反應消耗能量太大。有些研究人員發現,如果採用熔融氯化鋰作為陽極,可以有效地降低反應中消耗的能量,產物純化也比較容易。
發展出了化學氣相沉積法,或稱為碳氫氣體熱解法,在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態烴通過附着有催化劑微粒的模板,在800~1200度的條件下,氣態烴可以分解生成碳納米管。這種方法突出的優點是殘餘反應物為氣體,可以離開反應體系,得到純度比較高的碳納米管,同時温度亦不需要很高,相對而言節省了能量。但是製得的碳納米管管徑不整齊,形狀不規則,並且在製備過程中必須要用到催化劑。這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的碳納米管的結構,已經取得了一定進展。

碳納米管激光燒蝕法

激光燒蝕法的具體過程是:在一長條石英管中間放置一根金屬催化劑/石墨混合的石墨靶,該管則置於一加熱爐內。當爐温升至一定温度時,將惰性氣體衝入管內,並將一束激光聚焦於石墨靶上。在激光照射下生成氣態碳,這些氣態碳和催化劑粒子被氣流從高温區帶向低温區時,在催化劑的作用下生長成CNTs。

碳納米管固相熱解法

除此之外還有固相熱解法等方法。固相熱解法是令常規含碳亞穩固體在高温下熱解生長碳納米管的新方法,這種方法過程比較穩定,不需要催化劑,並且是原位生長。但受到原料的限制,生產不能規模化和連續化。

碳納米管離子或激光濺射法

另外還有離子或激光濺射法。此方法雖易於連續生產,但由於設備的原因限制了它的規模。

碳納米管聚合反應合成

在碳納米管制備方法中,聚合反應合成法一般指利用模板複製擴增的方法。
碳納米管的一般製備過程與有機合成反映類似,其副反應複雜多樣,很難保證同一爐碳納米管均為扶手椅式納米管或鋸齒形納米管。科學家發現,在強酸超聲波作用下,碳納米管可以先斷裂為幾段,再在一定納米尺度催化劑顆粒作用下增殖延伸,而延伸後所得的碳納米管與模板的捲曲方式相同。
於是科學家設想,如果通過這種類似於DNA擴增的方式對碳納米管進行增殖,那麼只需找到少量的扶手椅式納米管或鋸齒形納米管,便可在短時間內複製、擴增出數量幾百萬倍於模板數量的、同類型的碳納米管。這可能會成為製備高純度碳納米管的新方式。

碳納米管催化裂解法

催化裂解法是在600~1000℃的温度及催化劑的作用下,使含碳氣體原料(如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等)分解來製備碳納米管的一種方法。此方法在較高温度下使含碳化合物裂解為碳原子,碳原子在過渡金屬-催化劑作用下,附着在催化劑微粒表面上形成為碳納米管。催化裂解法中所使用的催化劑活性組分多為第八族過渡金屬或其合金,少量加入Cu、Zn、Mg等可調節活性金屬能量狀態,改變其化學吸附與分解含碳氣體的能力。催化劑前體對形成金屬單質的活性有影響,金屬氧化物、硫化物、碳化物及有機金屬化合物也被使用過。

碳納米管健康影響

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對人的不利影響
眼睛接觸:可能引起眼睛不適 。
皮膚接觸:2012年並不完全瞭解納米粒子從皮膚滲透是否會對人體會造成不良影響。然而,局部應用原料單壁碳納米管到裸鼠體內已經證明造成皮膚過敏。在使用體外培養的人皮膚細胞進行實驗時顯示,這兩個單壁碳納米管和多壁碳納米管可以進入細胞,造成親釋放,炎性細胞因子,氧化應激,降低細胞生存能力。
空氣吸入:可能導致肺癌的形成,塵肺,肉芽腫或間皮瘤。
食入:會刺激腸道,相關實驗不足。
對水生生物的不利影響
2012年8月24日,美國密蘇里大學和美國地質勘探局共同完成的研究顯示,碳納米管對某些水生生物是有毒的。碳納米管並不純是碳,用於其生產過程中的和其他金屬會殘留下來成為雜質。這些殘留的金屬和碳納米管能減緩某些種類水生生物的生長率甚至導致死亡。密蘇里大學鄧寶林教授表示,在碳納米管未來發展前景問題上,必須慎重和有準備地進行權衡。人們還沒有充分了解其對環境和人類健康的影響,應防止它作為大規模生產材料進入環境中。 [1] 

碳納米管應用前景

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碳納米管可以製成透明導電的薄膜,用以代替ITO(氧化銦錫)作為觸摸屏的材料。先前的技術中,科學家利用粉狀的碳納米管配成溶液,直接塗布在PET或玻璃襯底上,但是這樣的技術至今沒有進入量產階段;目前可成功量產的是利用超順排碳納米管技術;該技術是從一超順排碳納米管陣列中直接抽出薄膜,鋪在襯底上做成透明導電膜,就像從棉條中抽出紗線一樣。該技術的核心-超順排碳納米管陣列是由北京清華-富士康納米中心於2002年率先發現的新材料。 [2] 
碳納米管觸摸屏首次於2007~2008年間成功被開發出,並由天津富納源創公司於2011年產業化,至今已有多款智慧型手機上使用碳納米管材料製成的觸摸屏。與現有的氧化銦錫(ITO)觸摸屏不同之處在於:氧化銦錫含有稀有金屬“”,碳納米管觸摸屏的原料是甲烷、乙烯乙炔等碳氫氣體,不受稀有礦產資源的限制;其次,鋪膜方法做出的碳納米管膜具有導電異向性,就像天然內置的圖形,不需要光刻蝕刻和水洗的製程,節省大量水電的使用,較為環保節能。工程師更開發出利用碳納米管導電異向性的定位技術,僅用一層碳納米管薄膜即可判斷觸摸點的X、Y座標;碳納米管觸摸屏還具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性,可以製做出曲面的觸摸屏,具有高度的潛力可應用於穿戴式裝置、智慧傢俱等產品。 [3] 
據物理學家組織網、英國廣播公司2013年9月26日報道,美國斯坦福大學的工程師在新一代電子設備領域取得突破性進展,首次採用碳納米管建造出計算機原型,比基於硅芯片模式的計算機更小、更快且更節能。
瑞士洛桑聯邦理工學院電氣工程學院主任喬瓦尼·德·米凱利教授強調了這一世界性成就的兩個關鍵技術貢獻:首先,將基於碳納米管電路的製造過程落實到位。其次,建立了一個簡單而有效的電路,表明使用碳納米管計算是可行的。下一代芯片設計研究聯盟、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校納雷什教授評價道,雖然碳納米管計算機可能還需要數年時間才趨於成熟,但這一突破已經凸顯未來碳納米管半導體以產業規模生產的可能性。 [4] 
氫氣被很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低,壓縮成液體儲存又十分不方便。碳納米管自身重量輕,具有中空的結構,可以作為儲存氫氣的優良容器,儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱,氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲氫容器。
在碳納米管的內部可以填充金屬、氧化物等物質,這樣碳納米管可以作為模具,首先用金屬等物質灌滿碳納米管,再把碳層腐蝕掉,就可以製備出最細的納米尺度的導線,或者全新的一維材料,在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到應用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導線。這樣利用碳納米管或者相關技術製備的微型導線可以置於硅芯片上,用來生產更加複雜的電路。
利用碳納米管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用碳納米管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的碳納米管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高,不易對環境造成影響。碳納米管增強陶瓷複合材料強度高,抗衝擊性能好。碳納米管上由於存在五元環的缺陷,增強了反應活性,在高温和其他物質存在的條件下,碳納米管容易在端面處打開,形成一個管子,極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基複合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高温、熱膨脹係數小、抵抗熱變性能強。
碳納米管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管,給化學家提供了進行納米化學反應最細的試管。碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中的擺動頻率發生變化,利用這一點,1999年,巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的“納米秤”,能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的“納米秤”。
碳納米管分散劑介紹和使用建議
以無錫巨旺塑化材料有限公司的碳納米管及碳納米管分散劑為例研究和實際使用經驗如下:,
一、碳納米管分散技術三要素
二、分散劑用量推薦
三、碳納米管水分散劑(TNWDIS)概述
四、超聲波分散設備使用建議及分散實例
五、研磨分散設備使用建議
碳納米管分散技術三要素:分散介質、分散劑和分散設備
1、分散介質
(1)根據粘度不同,分散介質分為高粘度、中粘度和低粘度三種。在低粘度介質中,如水和有機溶劑,碳納米管易於分散。中粘度介質如液態環氧樹脂、液態硅橡膠等,高粘度介質如熔融態的塑料。
(2)此處介紹的碳納米管分散技術,針對中、低粘度分散介質。
2、分散劑
(1)分散劑的選擇,與分散介質的結構、極性、溶度參數等密切相關。
(2)分散劑的用量,與碳納米管比表面積和共價鍵修飾的功能基團有關。
(3)水性介質中,推薦使用TNWDIS。強極性有機溶劑中,如醇、DMF、NMP, 推薦使用TNADIS。中等極性有機溶劑如酯類、液態環氧樹脂、液態硅橡膠,推薦使用TNEDIS 。
3、分散設備
(1)超聲波分散設備:非常適合實驗室規模、低粘度介質分散碳納米管,用於中、高粘度介質時會受到限制。
(2)研磨分散設備:適合大規模地分散碳納米管、中粘度介質分散碳納米管。
(3)採用“先研磨分散、後超聲波分散”組合方法,可以高效、穩定地分散碳納米管
分散劑用量推薦。
1、碳納米管比表面積與分散劑用量
我們試劑級碳納米管分為單壁管(外徑<2nm)和多壁管。多壁管根據外徑不同,分為TNM1(外徑50nm)。隨着外徑的增加,碳納米管的比表面積減小
TNWDIS推薦用量:單壁管重量的3.5倍, TNM1 重量的1.0倍, TNM8 重量的0.2倍。其餘用量參考調整
2、碳納米管功能化與分散劑用量
功能化後的碳納米管,更容易在水中分散。 通常,碳納米管羧基功能化後,分散劑的用量可以減少50%
TNWDIS推薦用量:羧基化單壁管重量的1.5-1.8倍, 羧基化TNM1 重量的0.5倍, 羧基化TNM8 重量的0.1倍
3、對於TNADIS, TNM8 的推薦用量是重量的0.2倍。對於TNEDIS, TNM8 的推薦用量是重量的0.8倍
其餘碳納米管分散劑用量可以參照調整
碳納米管水分散劑(TNWDIS)概述
1、不含烷基酚聚氧乙烯醚 (APEO)的非離子表面活性劑,生態環保。歐洲國家自1976年起陸續制定了法規限制生產和使用APEO
2、含有芳香基團,特別適合製備碳納米管水分散液。芳香基團與碳納米管管壁親和性好,易於吸附在管壁
3、性能指標
活性物質含量:90%
水 分 含 量:10%
濁 點:68-70℃
碳納米管水分散劑(TNWDIS)結構
文獻報道分散CNTs常用的三種表面活性劑
超聲波分散設備使用建議
1、超聲波粉碎機(tip型)和超聲波清洗機(bath型)都可以用於碳納米管分散
2、超聲波粉碎機發出的超聲波能量密度高(能量集中於變幅杆上而不是一個平面上)、頻率低,更適合碳納米管的分散。根據碳納米管分散液的量,選擇合適的超聲波粉碎機功率和變幅桿直徑
3、在水介質中,超聲波的空化作用會使TNWDIS產生少量泡沫,泡沫會影響超聲效果,可以選擇靜置或加入消泡劑,消除泡沫
粘度高的介質不適合選擇超聲波設備分散 ,建議選擇研磨分散設備
超聲波粉碎機制備分散液實例
1、目標:製備100g多壁碳納米管TNM8 水分散液 ,碳納米管含量 2%
2、主要設備
(1)Scientz-ⅡD型超聲波細胞粉碎機(國產) 。所用超聲變幅杆為Φ6,輸出功率選擇為60%,超聲開時間為3s,超聲關時間也為3s,超聲總時間設置為5min
(2)SC-3614型低速離心機 (國產 )
(3)HCT-1微機差熱天平(國產)
操作步驟(1)
1、將0.40g分散劑TNWDIS 溶解於97.60g去離子水中。室温下TNWDIS 溶解度小,可用水浴加熱輔助其溶解,但使用温度不可超過其濁點温度
2、加入2.00g碳納米管,攪拌,使碳納米管被分散劑水溶液完全潤濕,而不是漂浮在水面上
3、開始超聲。超聲過程中,分散液會發熱、起泡,因此建議超聲5min後,可將分散液取出靜置於冰水中冷卻、消泡,再繼續超聲
4、分散程度觀察。用玻璃棒沾取少量分散液滴加至清水中,觀察稀釋狀態。分散好的碳納米管,猶如一滴墨水落入水中,在水中迅速均勻擴散開,而未分散好的碳納米管,在水中會有黑色顆粒出現。累計超聲總時間為30min(即5min×6次)
5、超聲結束後,將分散液離心沉降,去除未分散開的團聚粒子。離心速率為2000r/min,離心時間為30min。 經過離心,分散液可以穩定放置半年以上
6、離心結束後,將上層液體過300目濾布,得到最終的碳納米管分散液。烘乾下層沉澱至恆重,記為G2。對沉澱進行熱重分析,定義450℃時的熱失重率f(%)為沉澱中分散劑含量
7、分散液中碳納米管的實際含量(%)=2.00-(1-f)× G2
研磨分散設備使用建議
1. 製備1-2升碳納米管水分散液,可以選用實驗室分散砂磨機,砂磨介質可以選用1.0-1.2mm的硅酸鋯珠或氧化鋯珠
2.製備10-20升碳納米管分散液,可以選用小型的籃式砂磨機。砂磨介質選用設備允許的直徑較小的硅酸鋯珠或氧化鋯珠
3.水介質砂磨過程中,需要添加消泡劑來減少泡沫對分散效果的影響
4.對中等粘度的分散介質,如液態環氧樹脂,砂磨機不能帶動介質有效運動,可以選擇錐形磨或三輥機來研磨分散

碳納米管發展史

編輯
在1991年日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島(Lijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時,意外發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現在被稱作的“Carbon nanotube”,即碳納米管,又名巴基管。
1993年,S. Lijima等和D. S. Bethune等同時報道了採用電弧法,在石墨電極中添加一定的催化劑,可以得到僅僅具有一層管壁的碳納米管,即單壁碳納米管產物。
1997年,A. C. Dillon等報道了單壁碳納米管的中空管可儲存和穩定氫分子,引起廣泛的關注。相關的實驗研究和理論計算也相繼展開。據推測,單壁碳納米管的儲氫量可達10%(質量比)。此外,碳納米管還可以用來儲存甲烷等其他氣體。
碳納米管是無法用於儲氫的,主要問題有兩個:一是假如作為容器進行儲氫,則無法對其進行可控的封閉和開啓;二是假如用於氫氣吸附,則其吸附率不超過1%(質量分數)。1999年《SCIENCE》上有篇牛論"High H2 uptake by alkali-doped carbon nanotubes under ambient pressure and moderate temperatures"説可以用Li-doped CNT吸附高達20%的氫氣,第二年就被Ralph Yang給駁斥"Hydrogen storage by alkali-doped carbon nanotubes-revised"説吸附的根本都是水。另一篇1997年《NATURE》上的牛論"Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes"更被大家批駁得體無完膚。在進行了十幾年的研究後,最終NSF、DOE和GM得出結論説用碳納米管來儲氫就是痴人説夢。它就不是用來幹這個的,拜託大家還是饒了它吧。
能否控制單壁碳納米管的生長?近二十餘年來一直困擾着碳納米管研究領域的科學家們,能否找到控制方法也成為碳納米管應用的瓶頸。日前,這道世界性難題被北京大學李彥教授研究團隊攻克,該團隊在全球首次提出單壁碳納米管生長規律的控制方法,研究成果已於2014年6月26日發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上 [5] 

碳納米管潛在的環境風險

編輯
碳納米管由於其巨大的表面積和表面疏水性,對共存污染物尤其是有機污染物具有很強的吸附能力。碳納米管對污染物的吸附不僅會改變污染物的環境行為,也會影響自身的環境行為。因此,由於工程上的大量應用而導致廣泛存在於環境中的碳納米管的環境風險應當被關注。
參考資料