奈米碳纖維的應用與特性

David Burton, Patrick Lake, Andrew Palmer

Applied Sciences, Inc., Cedarville, OH

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使用蒸鍍碳纖維 (VGCF) 製造技術合成的碳奈米纖維 (CNF) 的特性與應用

Induction

Pyrograf^®-III 蒸鍍碳奈米纖維屬於多晶矽材料的一種。/a>Introduction

Pyrograf^®-III 蒸鍍碳奈米纖維屬於稱為多壁碳奈米管 (MWCNT) 的材料類別，是以浮動催化劑法製造而成。碳奈米纖維 (CNF) 是不連續的、高度石墨化、與大多數聚合物加工技術高度相容，並且可以各向同性或各向異性模式分散。CNFs 具有優異的機械特性、高導電性和高導熱性，可賦予熱塑性塑料、熱固塑料、彈性體、陶瓷和金屬等多種基材。碳奈米纖維也具有獨特的表面狀態，這有助於功能化和其他表面改性技術，使奈米纖維適合主聚合物或應用。碳奈米纖維可以自由流動的粉末形式提供（通常 99% 的質量呈纖維狀）。

產品說明和規格

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Pyrograf^®-III蒸鍍碳奈米纖維具有獨特的形態（圖1），是目前其他奈米材料生產商所無法提供的。單獨的奈米纖維是由催化劑粒子析出，具有一個中空的核心，核心周圍是由高度結晶的石墨基面組成的圓柱狀纖維，石墨基面與纖維的縱軸成約 25 度角堆疊。這種形態稱為「堆疊杯狀」或「人字紋」，可產生沿著奈米纖維的整個內表面和外表面都有外露邊緣平面的纖維。相對於石墨的基底面，這些邊緣位置具有反應性，有助於對纖維表面進行化學改性，以最大程度地融入聚合物複合材料中並進行機械強化。這種開放式結構也有助於異質原子的快速插層和去插層，對於調整導電率非常有用。

圖 1. PR-25 碳奈米纖維的 HRTEM 顯微圖片，顯示奈米纖維壁內外側的暴露邊緣位置。

所提供的納米碳纖維的平均直徑在 125 到 150 nm 之間，視等級而定，長度在 50 到 100 µm 之間。這些奈米纖維的直徑遠小於傳統的連續或研磨碳纖維（5-10 nm），也遠大於碳奈米管（1-20 nm），但卻具有許多相同的優點。納米碳纖維在製成後會進行處理，以便在表面狀態上賦予各種特性。有三種納米纖維可供選擇。產品編號719811經熱剝離以去除表面碳氫化合物，並產生可進行化學接合的原始表面。此產品也可作為其他兩個列表的前體。產品編號 719803 則經熱處理至 1500 °C。a href="/product/aldrich/719781">719781的熱處理溫度為 2900 °C，以產生不含催化劑的產品，並在複合材料中最大化熱傳導特性。各產品的典型物理特性列於表 1.

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表一Pyrograf 碳奈米纖維的精選特性

Property	Product
719811	719803	719781
Pyrograf產品編號	PR-25-XT-LHT	PR-25-XT-HHT
產品的批量密度 (lb/ft3)	0.5 - 3.5	0.5 - 3.5	0.5 - 3.5
*奈米纖維密度 (包含中空纖維芯) (g/cm3)	1.4 - 1.6	1.4 - 1.6	1.4 - 1.6
奈米纖維壁密度 (g/cm3)	2.0 - 2.1	2.0 - 2.1	2.0 - 2.1
催化劑（鐵）含量（ppm）	< 14,000	< 14,000	< 100<
外徑, (nm)	125 - 150	125 - 150	125 - 150
比表面積，m2/g	54	39	24
平均孔隙體積(cm3/g)	0.12	0.124	0.075
平均孔徑(埃Å)	89.3	126.06	123.99
*此密度應用於將複合物中的質量分數轉換成體積分數。

特性與應用<

電導性

Endo et al. 首次報導高度石墨化蒸鍍碳纖在室溫下的本質導電率為 5 x 10^-5 Ω.cm，接近石墨的電阻率。由於碳奈米纖維/聚合物複合材料中幾乎所有的電導性都是透過碳奈米纖維的網路來實現的，因此很明顯，良好的纖維分散性和纖維長度維持將有助於在低纖維負載下實現高複合材料電導性。由於 CNF 擁有高導電性和高縱橫比，因此相較於傳統的導電填料，CNF 能以較低的載量為複合材料帶來等效的導電性。此外，透過控制纖維的載量，還可製造出不同電阻值的複合材料。這對於需要不同範圍電阻率的應用特別重要，例如靜電消散 (ESD) {10⁶ - 10⁸ Ω-cm}、靜電塗裝 {10⁴ - 10⁶ Ω。cm}、EMI 屏蔽 {10³ - 10¹ Ω.cm}，以及雷擊保護 {< 10 Ω.cm}.

下圖表示不同 CNF 負載水平和剪切條件下可能出現的滲透曲線。在複合材料加工過程中，較高的剪切力會導致較高的滲透臨界值。

圖 2. 使用 CNF 製成的複合材料的體積電阻率與纖維重量負荷的關係。

機械強化

對單個納米尺度纖維的直接測量最近才得以實現，而且數量有限，只能重現。Ozkan 等人直接在單獨的碳奈米纖維上進行了⁵ 仔細的拉伸強度測量，並測量出了真實的強度。根據環狀橫截面積，發現其強度高達 8.7 GPa，接近石墨微纖維的強度。⁶  根據直接測量碳奈米纖維的母類，或宏觀蒸發生長的碳纖維，推斷碳奈米纖維的模量為 600 GPa。⁶ 當加入高分子複合材料中時，碳奈米纖維可以增加基底聚合物的拉伸強度、壓縮強度、楊氏模量、層間剪切強度、斷裂韌性和振動阻尼。改善的程度取決於聚合物的種類、分散程度和加工歷史。^7-12

圖 3. CNF 基複合材料的機械特性概述。

熱傳導特性

根據直接測量碳奈米纖維的母類，或宏觀蒸發生長的碳纖維，可再次推斷碳奈米纖維的熱傳導率為 2000 W/m-K。在這三種碳奈米纖維中，只有經過熱處理的奈米纖維 (溫度達 2900+ °C，產品編號 719781) 能大幅提升聚合物複合材料的熱傳導率。Lafdi 和 Matzek 能夠實現¹³ 熱導率從環氧樹脂的 0.2 W/m-K 增加到 20 wt% Vapor Grown CNF 複合物的 2.8 W/m-K。這些結果顯示，與強度或剛性不同，與基材的良好耦合並非達到高導熱性的必要條件，這使得複合材料的關鍵性降低。

其他研究人員^14-15 則專注於熱塑材料中碳奈米纖維的阻燃特性。載有納米碳纖維的複合材料暴露在火焰中時，會出現延遲和較低的峰值熱釋放率、較低的煙氣排放以及熔融聚合物沒有滴落或積聚的現象。

NIST（美國國家標準與技術研究院）網站提供了描述 CNF 作為聚合物複合材料阻燃添加劑性能的鏈接：

CNFs in Flexible Polyurethane Foams -

CNFs in Clay Foams -

CNFs Cut Flammability of Upholstered Furniture -

CNFs 可降低軟墊家具的易燃性。

圖 4. CNFs 對滑石粉和粘土的增強阻燃性。經 NIST 許可使用：先進技術聚合物，2008 年 6 月

鑑於石墨的熱膨脹率較低，載入碳奈米纖維的聚合物複合物不僅在預期之內，而且已證明其熱膨脹係數遠低於純基材。

圖 5. 圖表顯示 15 vol % CNF 複合物與純聚合物材料相比，其熱膨脹係數 (CTE) 有所降低。

相關產品

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參考資料

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