- MWNTs的特性與品質保證參數 Introduction
單壁碳奈米管 (SWNT) 和多壁碳奈米管 (MWNT) 有一些相似之處，但也有顯著的差異。SWNTs 是一種類似富勒烯的 sp2 hybridized carbon 同素異構體。其結構可視為由 6 元碳環組成的圓柱管，就像石墨一樣。類似地，MWNT 是一系列這些管子的同心圓柱（圖 1）。可以將 MWNT 視為由一系列彼此嵌套的單壁管組成。這樣的同心管壁可能少至 6 個，多至 25 個。因此，MWNTs 的直徑可大至 30 奈米，而一般 SWNTs 的直徑則為 0.7 - 2.0 奈米。碳奈米管的非凡特性使其能廣泛應用於新的領域，並改善現有領域的性能。本文將簡要概述 MWNT 的物理化學性質與特性，並特別強調代表技術最新進展的新推出材料，以及其商品化的現況。
圖 1. 多壁碳奈米管。
MWNTs的特性
大众和科学媒体所报道的CNTs在机械强度、光学行为、电导率和热导率以及化学特性方面的许多非凡特性主要是SWNTs的特性。然而，由於成本因素（SWNTs 通常比 MWNTs 貴 100-1000 倍）以及 SWNTs 在溶液和聚合物化合物中的分散性所面臨的某些挑戰，MWNTs 在商業應用上的採用迄今已超越 SWNTs。MWNT 本身具有顯著的特性，而且商業應用的範圍不斷擴大。然而，由於壁面數量的差異很大，以及由此產生的一些明顯的性能差異，因此很難為 MWNT 賦予特定且有意義的特性，以直接轉換為最終物品的性能。MWNT 通常用於聚合化合物的添加劑、「降壓紙」[1]、電池電極或其他複合結構，在這些結構中，其整體性能與 MWNT 本身的固有屬性一樣，都是由形態因素驅動的。
電：MWNT 在適當地整合到複合結構中時具有高度導電性。
形態： MWNT 是高縱橫比材料，其長度通常是直徑的˃100 倍，在某些情況下甚至更高。其應用和性能不僅取決於長寬比，還取決於管子的直度和纏結程度，而這又是管子尺寸和缺陷程度的函數。
物理特性：單獨、無缺陷的 MWNT 具有極高的抗張強度，當加入複合物（例如熱塑性或熱固性複合物）中時，可大幅增加其強度2。
熱： MWNTs 的熱穩定性可達 >600°C，這取決於缺陷的程度，在一定程度上也取決於純度，因為產品中殘留的催化劑也會催化分解。
Chemical: MWNTs 是一種 sp2 hybridized carbon 的同素異構體，與富勒烯和石墨類似，因此化學性質非常穩定。然而，可以對奈米管進行官能化，以改善複合材料的分散性和強度3。
[1] Buckypaper 是一種由 CNTs 聚合而成的薄片
MWNTs商業化的挑戰
MWNTs的複雜性和多樣性為其在商業產品中的應用帶來了重大挑戰。
分散性：虽然 MWNTs 通常比 SWNTs 更容易分散到溶液或聚合物中，但 MWNTs 的分散可能具有挑战性，所获得的分散质量是最终产品性能的关键因素。
純度：許多 MWNTs 製程會產生顯著的殘留金屬催化劑，這可能會對性能造成損害。
缺陷：MWNTs 的層數越多，缺陷就越可能發生。4 分散過程的能量趨向於在這些缺陷位置破壞管子，縮短 CNT。 MWNT 的高縱橫比為其使用價值貢獻良多。
MWNTs 的特性分析和品質保證參數
MWNTs 的主要特性分析工具為觀察技術，例如 TEM、SEM 和 AFM，可用來收集長度、直徑和壁數等尺寸資訊。此外，熱重分析 (TGA) 可用於確定殘餘質量、開始氧化時的溫度以及最大氧化速率的溫度。最大氧化溫度會受到許多參數的影響，例如管徑、缺陷的存在以及殘留催化劑的存在。目前還無法分開這些不同的因素，也無法賦予此溫度任何明確的意義。但是，它代表了一個非常有用的製造控制參數。此外，導數曲線的形狀也可以提供有關材料多分散性的樣品均勻性的定性資訊。高而窄的峰值表示直徑分佈狹窄，且管材缺陷極少。
對於 MWNTs 來說，拉曼光譜是比 SWNTs 較沒有價值的工具，因為 MWNTs 沒有 RBM 轉換。通常，在 ~ 1350 和 2700 cm-1 處的二階過渡比在 SWNTs 中更明顯，而在 ~1590 cm-1 處的 G 波段則會減弱。事實上，某些 MWNTs 材料的 D 和 G 波段強度相似，這些光譜差異已被用來估計混合物中 SWNTs 和 MWNTs 的比例5。
MWNTs的應用
MWNTs目前有多種現有和新興的應用。這些應用包括：
- 電導性聚合物： MWNT 的高導電性和可能的高縱橫比使 MWNT 成為這些應用的絕佳添加劑。與碳黑或金屬微粒等較傳統的解決方案相比，MWNT 只需較低的添加量即可達到所需的導電水平。這些較低的添加劑量可減少聚合物本身固有物理特性的降解。其應用包括晶圓加工製造中的靜電放電保護、汽車燃油管路元件的抗靜電彈性與塑膠元件、導電性極佳的塑膠以實現汽車車身零件的靜電噴塗、RFI 屏蔽材料等。
- 電池陰極： SouthWest NanoTechnologies (SWeNT®) 的新型 MWNT 材料在納入陰極後，電池特性得到了顯著改善。
- 增強結構複合材料： MWNT 以樹脂灌注扣紙、編織或無紡織織物的形式，在飽和熱固性樹脂後，已證明可大幅提升複合材料結構的強度和剛性，例如高爾夫球桿桿身及航空應用的結構層壓板。
- 水過濾膜： 高機械強度、高長寬比和大比表面使其成為非常高效的過濾介質。
- 其他正在開發或最近推向市場的應用包括噴塗加熱元件、熱介面和其他熱傳導材料、增強碳纖維等。
SWeNT已開發出一種新類型的MWNT，稱為特殊多壁CNT (SMW)，其壁數可控制在三至八壁之間變化，同時保持CNT長度為3 µm，從而產生350 - 550範圍內的長寬比。壁數越少，結構缺陷越少，CNT 純度越高（98%），碳材料的浪費也越少，同時更直、更長的管子可提供更好的整體 CNT 形態（圖 2 和 3）。
圖 2. 商品 MWNT 和 SWeNT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840) TEM 和 AFM 圖像。
圖 3. SWeNT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840) 和競爭對手的 MWNTs TEM 和 SEM 圖像。
Figure 3 中的電子顯微圖將 SWeNT SMW 200（Aldrich Product No. 773840）與兩種具有競爭力的商品 MWNT 進行了比較。
有幾點很重要：
- SMW產品的長寬比（長度/直徑）遠高於其他牌號，而高長寬比對於在聚合物基體中以低添加劑含量形成導電網絡非常重要。
- SMW管材較直，這也是建立導電網路的優勢。
- 競爭材料會產生雜質和缺陷。管材更有可能在分散過程中在缺陷位置發生斷裂，這會減少電氣通路的數量以及由此產生的導電性。
圖 4 比較了 SWeNT SMW 200 和兩種競爭牌號 MWNTs 的 TGA 測試結果。 圖 4 (a) 顯示了 3 種材料的失重疊加曲線。圖 4 (b)、(c) 和 (d) 顯示了各條曲線以及導數曲線。導數曲線最大值的溫度被視為材料的熱穩定性。TGA 也可用於評估材料的均勻性。失重曲線導數的峰值高度和寬度都是 CNT 均勻性的量度標準。高而窄的峰值表明直徑分佈狹窄，管缺陷極少。SWeNT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840)具有更高的純度，其殘餘物百分比顯著較低。
圖 4. (a) SWeNT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840) 和兩種競爭牌號 MWNTs 的失重曲線。(b)、(c)及(d)為個別曲線與導數曲線。
圖 5 顯示 SWeNT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840)與其他市售 MWNTs 材料的電導率資料比較。測量 CNT 降阻紙（透過過濾 0.15 g CNT/m2 製成的固體薄膜）的薄片電阻顯示，一如所料，SWNT 材料（在此例中為 SWeNT SG76，Aldrich Product No. 704121）的電阻值最低。但顯著的是，與所調查的最佳 MWNT 材料（競爭對手 A）相比，SMW 200 純化材料的導電率高出兩倍多。
圖 5. 各種 CNT 產品的巴基紙電阻率量測。
圖 6 比較不同產品的薄片電阻降壓紙數據，作為 CNT 長寬比（L/D）的函數，由 AFM 和 TEM 分析確定。可以清楚觀察到，隨著寬度比越高，薄片電阻越低，SWeNT SMW 200 (Aldrich Product No. 773840)具有最佳的導電特性。除了 CNT 長寬比之外，我們也觀察到管子的形態是強烈影響管子導電性的另一個關鍵因素。管中缺陷的數量越少，導電能力就越高。
圖 6. 降阻紙的薄層電阻與 CNT 縱橫比的函數關係。
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參考資料
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