北京
塑料是現代社會不可或缺的基礎材料，但其在力學強度、導電及導熱性能等方面存在固有缺陷。碳納米管具有獨特的一維納米結構與優異的力學、導電、導熱綜合性能，是塑料綜合性能提升的理想增強體。
然而，傳統技術無法實現高含量碳納米管在高分子基體中的均勻分散復合，對塑料性能改善有限，嚴重制約了其在高端領域的廣泛應用。
日前，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所等創新性提出一種高體積含量，有序碳納米管導電導熱網絡組裝體與熱塑性高分子的可控復合策略，破解了高體積含量碳納米管與熱塑性高分子的復合難題，研制出可塑性加工、能3D打印成型的碳納米管超級塑料（CNTSP）。
研究團隊發明了高體積含量碳納米管網絡與熱塑性高分子的通用復合技術，以浮動催化化學氣相沉積法生長連續碳納米管組裝網絡，將其在尼龍6（PA6）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯腈（PAN）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酮酮（PEKK）等高分子溶液中進行原位連續浸漬復合，經過后續多級熱處理進一步提升了復合材料中碳納米管網絡的有序性，成功實現高含量的碳納米管在上述高分子材料中的可控分散與復合。
▲碳納米管超級塑料制備技術
科研人員受漁網捕魚原理啟發，將碳納米管疏松網絡組裝體在高分子溶液中收縮致密，實現了高含量碳納米管與高分子在納米尺度的充分接觸與均勻復合，高導電導熱的碳納米管網絡賦予了塑料優異的力電熱性能。PA6基碳納米管超級塑料力學拉伸強度遠超普通工程塑料，展現出優異的抗應力松弛能力。
在導電性能方面，PA6電導率相較傳統復合技術提升1-2個數量級，經過10萬次彎折后，導電性能衰減不足10%。
在導熱性能方面，PA6熱導率高于304不銹鋼和部分鋁基合金，比典型塑料高2-3個數量級，可實現熱量的定向傳輸，賦予了碳納米管超級塑料廣闊的應用前景。
▲碳納米管超級塑料的微觀結構
碳納米管超級塑料保留了傳統塑料的優良熱塑性加工特性，亦可通過3D打印、熱壓成型方式制成各類復雜結構，適配不同應用場景。
團隊采用3D打印技術制備的碳納米管超級塑料散熱器，能夠快速導出90℃熱源的熱量實現顯著的定向散熱效果。相較傳統塑料，超級塑料在導電導熱性能方面實現跨越提升，這為熱塑性高分子材料的發展提供了全新思路。
▲碳納米管超級塑料的熱塑性
來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
責任編輯：宋同舟
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