碳说｜单壁碳纳米管VS多壁碳纳米管

中国粉体网讯  碳原子可以以不同的方式结合在一起，从而产生了许多具有不同物理性质的碳的同素异形体。已知的同素异形体包括石墨、金刚石、富勒烯、纳米管和石墨烯， 后三者多为人造。

当这些碳的同素异形体作为添加剂使用时，它们的来源、形态和生产方法会影响材料的性能，而因为碳的不同形态具有很大的不同。石墨烯和单壁碳纳米管具有最佳的性能组合和优势。

除石墨烯外，这些碳基添加剂的生产规模可达数百吨或上千吨，并可用于工业用途。

碳纳米管

碳纳米管基本上分为两类

单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。尽管有明显的共性，但由于结构上的差异，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的物理性质存在显著差异。

区分单壁碳纳米管最重要的特征是，管壁只有一层。换句话说，单壁碳纳米管可以被描述为单层石墨烯片卷起来形成的无缝空心圆柱筒。这就是为什么它们经常被称为单层石墨烯纳米管。

与单壁碳纳米管不同，多壁碳纳米管可被视为单壁碳纳米管的同心排列，即由多层石墨烯片无缝卷起成管状。

单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的这些差异，导致了它们在添加到材料中时，给材料的性能带来很大不同，并对材料产生了相应的影响。

例如，单壁碳纳米管的杨氏模量(有时被称为与材料在拉伸或压缩下承受长度变化的能力有关的弹性模量)，几乎比多壁碳纳米管高一个数量级。

图 碳纳米管结构对杨氏模量的影响：

(i) 单壁碳纳米管(SWCNTs);

(ii)和(iii) 多壁碳纳米管(MWCNTs)，分别在720℃和900℃下通过化学气相沉积法(CVD)合成。

 单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的物理参数

* 可更大的直径，但会导致缺陷数量的增加

**长度可更长，限于实验室规模

单壁碳纳米管特性

1、真正的纳米级管径

单壁碳纳米管的管径小于2 nm，而多壁碳纳米管的直径大多大于5 nm，可高达数百纳米。

2、长且少缺陷的结构

这两种类型的碳纳米管都可以生长到几百纳米甚至几毫米的长度，但通常都在1- 30微米的范围内。

3、高长径比(长度-直径比)

由于其直径较小，长度长，单壁碳纳米管通常具有较高的长度-直径比，从而具有前所未有的柔韧性。事实上，单壁碳纳米管给材料所带来的许多机械性能改进，都可以归因于高长径比。

在极低的添加量下可以形成三维导电网络，起始添加量仅为总重量的0.01%。如此低的添加对颜色影响较小。

多壁碳纳米管的典型纵横比较低，因此电导率的渗透阈值较高。由于其更大的直径，多壁碳纳米管非常坚硬，其类似石棉的特性也会造成健康风险。

4、弹性

由于其较高的刚性，在不损坏结构的前提下，多壁碳纳米管不容易弯曲、扭曲、扭结或屈曲，而单壁碳纳米管具有柔韧性，可以更容易地恢复其原始结构。

5、优良的机械性能

单壁碳纳米管的抗拉强度和弹性模量是材料中最高的之一（分别为~50 GPa和~ 1000 GPa），这一特性适用于强化各种材料，包括聚合物复合材料。

理论上，在聚合物复合材料中，达到各向同性分布的单壁碳纳米管的理想分散，每添加1 %（质量比）的单壁碳纳米管，可使抗拉强度提高100 MPa。在实践中，达到要求的机械性能提升所需的单壁碳纳米管的剂量，可以低至0.2%（质量比）。

对于多壁碳纳米管，通常需要3- 5%的添加量来改善机械性能。高添加量会影响其他重要特性，如最终产品的表面质量和颜色。

6、导热性

在单位质量导热系数方面，单壁碳纳米管超过了多壁碳纳米管，可以作为提高导热系数的添加剂。这两种材料都能承受高温（在正常条件下高达750°C）。

7、导电性

单壁碳纳米管有一层碳原子，并根据空间的螺旋特性（手征）可表现出金属或半导体性能。这两种类型都有其独特的优点，分离后可用于纳米电子学。即使没有分离，原始单壁碳纳米管的高导电性(可以通过添加进一步提高)，低量添加量即可用来提高复合材料的导电性。

单壁碳纳米管不仅具有最高的导电性，而且由于其强大的碳-碳键，金属特性的单壁碳纳米管的电流密度，比铜等金属的电流密度大1000倍以上，而铜等金属的电流密度会受到电迁移的限制。换句话说，单壁碳纳米管具有较高的载流量。

碳纳米管作为一种抗静电添加剂在各种材料中有着广泛的应用。

当导电添加剂的添加量高于所谓的“渗透阈值”时，这些改进材料的电导率就会出现。渗透阈值与填料的长径比成反比，单壁碳纳米管及其管束的纵横比最高。这就是为什么最佳分散和分布的单壁碳纳米管，能够在添加量低至0.01%时即能消散材料中的静电。而多壁碳纳米管需要更高的添加量，超过0.5%，才能达到相近的效果。

（中国粉体网编辑整理/青黎）

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