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碳纳米管杂谈-2

译自Chem-Station网站日本版 原文链接:カーボンナノチューブをふりかえる〜Nano Hypeの狭間で

翻译:炸鸡 校对:Jiao Jiao

②加热元件

笔者个人觉得加热元件是碳纳米管最大的用处了。以东京大学特任教授古月文志先生(当时隶属于北大)的研究成果为基础,由kuraray公司、茶久染色公司和松文产业公司三家公司联合打造轻薄加热器。

图片来自中部经济产业局网站

(左)利用分散的碳纳米管染色前后的丝线,丝线被染色的很均匀(中)发热中的碳纳米管加热器的温度分布很均匀(右)碳纳米管加热器的实践证明

古月先生制成的分散碳纳米管,左边是在AFM上看到的分散碳纳米管,右边是在TEM上看到的分散碳纳米管 上一幅图中的丝线就是被如这幅图中所示的分散碳纳米管染色的

碳纳米管顾名思义,它本质上就是碳,高温暴露在空气中时会被氧化,作为加热元件使用时如果不放入玻璃封管中的话,碳纳米管就会燃烧殆尽。但是问题来了:如果在常温下使用碳纳米管作为加热元件,它的持久性就成问题,而且很可能加热温度最多到100℃。如果在低温下使用,那么就和一般的金属加热元件比并没有突出的成本优势。但是如果把它均匀延展开来,再加上它的轻量特性,就可以很好的发挥碳纳米管的优势了:融雪加热器。

到目前为止,融雪加热器基本上都是用镍铬合金线制成的,虽然便宜,但一般都不能均匀加热的,而且很重,外观上也不美。因此,古月教授和企业合作,利用碳纳米管分散性优良的特点开发出了这种能均匀加热的加热器。

均匀供热,再加上重量轻可以安装在屋顶上,而且弯曲和耐久性也很好,发热面燃烧后会自动消失,产品的外观条纹非常好看。在积雪地区的设备附近铺设这种碳纳米管制成的加热器展现的效果很棒。如果不考虑价格,它也许是全球寒冷地区不可或缺的一种加热元件。

 图片来自松文産業公司的网站

笔者非常喜欢能造福日常生活的研究,希望碳纳米管加热器能有更广的用途。笔者曾经在工厂里工作,每当寒冷的冬天我走在空旷的工厂里总希望我的脚能稍微暖和一点,要是脚下有个什么加热器就好了。保持温暖不仅需要加热元件还需要绝热材料,如果将绝热材料和粘合剂组组合起来,也可以成为另一种意义上的保暖设备。

碳纳米管加热元件系列产品中,最有趣的一个采用了“用纳米管给纤维上色”的方法,这个方法非常有新意但也有很高的难度。如果只是简单的把纤维浸透进纳米管里,就无法做出均匀的导线。日本的茶九染色公司深入研究了碳纳米管作为染料的性质,解决了这一问题。

图片来自自爱知产业技术研究所介绍的茶九染色公司技术的资料

看起来很细的碎屑是碳纳米管,它均匀地缠绕在纤维的表面上

③电机材料

碳纳米管的另一应用领域就是我们熟悉的锂离子电池。在正极和负极的活性材料中混合极少量的碳纳米管,除了降低初始内阻外,还具有抑制由于电极(或电池)充电和放电引起的膨胀和收缩引起的接触电阻增加,以及抑制由于活性材料和活性材料聚集体的微裂纹引起的内阻增加,因此各种制造商使用了昭和电工的多层碳纳米管[4]

昭和电工的电池添加物VGCF属于多层碳纳米管的添加物 图片来自文献[4]

该材料名为VGCF(Vapor Grown Carbon Fiber),该材料是昭和电工在碳纳米管的结构确定正式确定之前就已经上市的产品。制作方法也几乎和碳纳米管一样。在锂离子电池需求不断增长的今天,它也是世界上最重要的添加材料之一,具有独特的性能和极高的生产量。在20世纪80年代初开始试生产时,产量极少,但现在昭和电工的产量达到每年400吨/年,以其高纯度和质量保证为前提,提高了可靠性。中国和韩国的产量也在稳步提升。

电池中VGCF的外观(纤维状)及其效果的示意图

用很少的添加物连接大量的活性物质,能很好地应对状态变动 [文献4]

顺便说一句,信州大学的远藤守信先生和昭和电工早在1982年左右共同开发试制了VGCF,在20世纪80年代后半期作为产品上市时,当时相关人员普遍认为“这是一种石墨烯卷曲的结构”。然而,为了在物理上准确地确定纳米管的结构,需要饭岛先生使用的高精度TEM技术。哎,说来也可惜远藤先生只差一步就能得到结构分析的结果了,似乎这也是命运吧。

结束语

以上列举了碳纳米管作为功能性材料的三点代表性成果。 虽然取得了各种各样的成果,但是当初人们畅想的“作为宇宙电梯的支柱使用”这样的用途尚没有被开发出来,反而在功能性材料领域风生水起。实际上,对于碳纳米管来说,除了存在强大的竞争对手炭黑这一老大之外,早于它出世的VGCF已经占据目标市场,碳纳米管很难发挥出它的特异性。

除了上文我介绍的应用实例外,在结构构件和机械构件方面也有碳纳米管的用武之地,少量添加后有能降低电阻,提高强度和抗静电(Nanocyl公司发表的结果),碳纳米管在工业产品的应用开发仍在继续。此外,如果在橡胶中加入特定的碳纳米管,在非常高的温度下,也可以生产出高性能的复合材料(来自产总研)。

【参考文献】

  1. “Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications”, A. John Hart et al, SCIENCE VOL 339 1 FEBRUARY 2013
  2. “カーボン材料について”, 2012年 東レ㈱ 総合科学技術会議 ナノテクノロジー・材料共通基盤技術検討WG資料 リンクこちら
  3. “Building a World Impact Business on Carbon Nano Tubes”, 2016年 MicroNano International Conference,  P. Antoinette リンクこちら
  4. “The effects of 碳纳米管s for lithium-ion batteries as additives” 2009年 昭和電工㈱ Safety of manufactured nanomaterials Conference リンクこちら

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