CN1667757A - 一种含碳纳米管的复合导电粉体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合导电粉体。该复合导电粉体由碳纳米管与其他微米颗粒复合形成，碳纳米管在微米颗粒表面均匀分散。碳纳米管在复合导电粉体中的重量含量小于 50％，最佳重量含量在0.5％－10％范围。所述其他微米颗粒为云母、石墨等矿物粉体以及氧化锌、氧化钛等氧化物粉体或者为高分子微粒(如高分子中空微球)等。所述其他微米粉体可以是导电体、半导体或绝缘体。

Description

一种含碳纳米管的复合导电粉体

本发明涉及一种含碳纳米管的复合导电粉体，特别适合用作导电或导静电复合材料制备中的导电功能体，属于功能材料领域。

随着技术的进步、经济的发展和人们生活水平的提高，静电的危害也日益突显出来。近10余年来，由于静电的干扰和危害(如引起电子电器设备的误操作)引起无数次事故，造成了重大的经济损失，特别是石油储罐，由于对防静电处理认识不足和重视不够，曾发生过严重的火灾爆炸事故。

导静电涂料是近年来迅速发展起来的一种功能性涂料，主要用于消除静电的危害。由于生产设备简单、施工方便、成本低廉等特点，导静电涂料得到了广泛使用。

导电功能体是导静电涂料重要组成成分。传统的导电功能体有炭黑、石墨、银、铜、铝、镍金属粉末，但这些导电功能体均有一定缺陷而在应用时受到限制。导电炭黑或石墨呈黑色，导电性较好，但着色力强、较难分散，尤其制品颜色很黑，容易吸收太阳光或红外光引起发热膨胀。各种金属粉末导电性虽强，但除银以外，铝、镍、铜粉末易氧化，耐腐蚀性差。故迫切希望开发颜色浅、导电性好、化学稳定性高、成本低的导电功能体。

碳纳米管是一种管状结构纳米碳材料，于1991年被日本NEC电镜专家饭岛发现。碳纳米管具有优良的导电性能和化学稳定性，且具有纤维状结构。在制备导静电涂料时，加入很少量的碳纳米管就能达到导静电的要求。因添加量少，其颜色容易掩盖，易于获得浅色色调产品，同时还有利于导静电涂料其它性能的设计，可调变空间大。

由于碳纳米管为一维纳米材料，直径在纳米尺寸范围，长度在微米尺度范围，长径比一般在1000以上。由于特殊的结构形态，碳纳米管之间互相缠绕，难于分散，使用性能并不理想。

本发明的目的是发明一种新型复合导电粉体，使其具有更好的综合使用性能。具体方案就是将碳纳米管与微米颗粒复合，使碳纳米管在微米颗粒表面均匀分散，获得一种含碳纳米管的复合导电粉体。

本发明的目的可以通过如下原理实现：首先在水溶液或者其它有机溶剂中将碳纳米管均匀分散，形成碳纳米管的悬浮液，然后在强力搅拌下将其它微米颗粒加入到碳纳米管悬浮液中，搅拌一定时间后过滤，滤液回收后循环使用，滤饼烘干后即得到复合导电粉体。

本发明的复合导电粉体具有以下优点：(1)实现了颗粒与纤维两种结构粉体材料的复合，在制备导电或导静电复合材料时，添加少量这种复合导电粉体就能形成导电网络，有利于导电或导静电复合材料性能的优化；(2)实现了碳纳米管在微米颗粒表面的均匀分散，实际使用时，只要解决微米颗粒的分散问题(现有技术完全能实现微米颗粒的均匀分散)，就解决了碳纳米管的分散问题；(3)将大大降低复合导电粉体的成本：碳纳米管将成为廉价的纤维状导电材料，与微米颗粒复合后，可避免使用高成本的半导体氧化锡等材料。

本发明的微米颗粒可以是目前现有的导电粉体，如导电云母粉、导电二氧化钛、导电二氧化硅、导电氧化锌、石墨、半导体氧化锡-氧化锑以及银、铜、镍等导电粉体，也可以是CuI、CuS、CdS等无机盐类导电体，还可以是不导电的云母粉、二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化锡等无机粉体以及高分子颗粒(如高分子中空微球)等。

本发明的碳纳米管主要作用是作为导电功能体，因而希望碳纳米管能最大程度地形成导电网络。根据现有研究结果，长度越小的碳纳米管越容易分散，但长度越小，所形成的导电网络越致密，参与形成导电网络的碳纳米管的量就越大。因此，在能保证充分分散的情况下，碳纳米管的长度越长越好。

本发明所用分散设备为超声分散设备，能将长度50μm以下的碳纳米管在水中或有机溶剂中很好分散。最理想的碳纳米管长度在10μm以下，超声分散所形成的碳纳米管悬浮液存放稳定期最长。

在充分分散情况下，碳纳米管的个体数量决定了导电网络形成的难易程度。实际情况是，在相同重量下直径小的碳纳米管比直径大的碳纳米管具有更多的碳纳米管个体数量，因而在碳纳米管充分分散情况下，直径小的碳纳米管比直径大的碳纳米管更容易形成导电网络。本发明中所采用的碳纳米管外直径在0.5-300nm范围，最佳的碳纳米管外直径在3-30nm范围。碳纳米管直径太小，其比表面积就更大，相互间作用力增强，不易分散。直径太大，单位重量下碳纳米管的个体数量就少，也不容易形成导电网络。

本发明的创新之处在于在微米颗粒中引入一维纳米导电材料碳纳米管(包括纳米碳纤维)，使碳纳米管在微米颗粒表面均匀分散，再通过分散微米颗粒使碳纳米管在目标产品中得到均匀分散。因碳纳米管之间以及碳纳米管与导电微米颗粒之间容易形成导电网络，故在实际使用中添加量要比现有导电粉体添加量少得多，这不但有利于降低目标产品的成本，也为目标产品性能改进提供了空间。

本发明所述的碳纳米管，也被称作纳米碳管，英文名称为carbon nanotubes，缩写为CNTs。本发明所述的碳纳米管包括多壁碳纳米管、复壁碳纳米管或者单壁碳纳米管，也包括纳米碳纤维或碳纳米纤维。

下面结合实施例说明本发明的过程：

实施例1

在350ml 95％的乙醇中加入0.5g长度50μm、直径10nm的碳纳米管，采用SONIC 130超声分散设备超声分散10分钟，形成碳纳米管悬浮液。该悬浮液呈碳素墨水状，静置30分钟未见明显分层。在强力搅拌下向该碳纳米管悬浮液中加入直径15μm左右的云母片24.5g，搅拌1小时后过滤，烘干滤饼得到含2wt％碳纳米管的复合导电粉体，在4MPa压力下测定该复合导电粉体的体积电阻率为88Ω·cm。

实施例2

同实施例1，将碳纳米管更换为长度5μm、直径10nm的碳纳米管，获得含2wt％碳纳米管的复合导电粉体，其体积电阻率为42Ω·cm。

实施例3

同实施例2，将直径15μm左右的云母片改为导电云母粉(体积电阻率96Ω·cm)，获得复合导电粉体的体积电阻率为18Ω·cm。

实施例4

在350ml蒸馏水中加入0.5g长度20μm、直径10nm的碳纳米管，采用SONIC 130超声分散设备超声分散10分钟，形成碳纳米管悬浮液。该悬浮液呈碳素墨水状，静置30分钟未见明显分层。在强力搅拌下向该碳纳米管悬浮液中加入直径5μm左右的导电钛白粉(体积电阻率109Ω·cm)99.5g，搅拌1小时后过滤，烘干滤饼得到含0.5wt％碳纳米管的复合导电粉体，在4MPa压力下测定该复合导电粉体的体积电阻率为39Ω·cm。

实施例5

同实施例4，将碳纳米管改为长度5μm、直径200nm的碳纳米管，将导电钛白粉改为直径5μm左右的二氧化钛粉体，获得复合导电粉体的体积电阻率为116Ω·cm。

Claims (10)

1.一种复合导电粉体，至少由两种物质组成，其中一种为云母、石墨、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、半导体氧化锡等粉体材料或高分子颗粒等，其特征在于至少有一种物质为碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的复合导电粉体，其特征在于所述碳纳米管为多壁碳纳米管(包括纳米碳纤维)、复壁碳纳米管或者单壁碳纳米管。

3.根据权利要求1所述的复合导电粉体，其特征在于所述碳纳米管在复合导电粉体中的重量含量小于50％。

4.根据权利要求3所述的复合导电粉体，其特征在于所述碳纳米管在复合导电粉体中的重量含量在0.05％-10％范围。

5.根据权利要求1所述的复合导电粉体，其特征在于所述的云母、石墨、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌等粉体材料为含有云母、石墨、二氧化硅、二氧化钛或氧化锌等导电粉体材料。

6.根据权利要求1所述的复合导电粉体，其特征在于所述的云母、石墨、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、半导体氧化锡等粉体材料以及高分子颗粒等为微米尺寸粉体材料。

7.根据权利要求1所述的复合导电粉体，其特征在于所述碳纳米管的管外直径在0.5nm-500nm范围。

8.根据权利要求7所述的复合导电粉体，其特征在于所述碳纳米管的管外直径在1.0nm-30nm范围。

9.根据权利要求1所述的复合导电粉体，其特征在于所述碳纳米管的长度在0.05μm-50μm范围。

10.根据权利要求1所述的复合导电粉体，其特征在于所述碳纳米管的长度在0.5μm-10μm范围。