傳統(tǒng)上，塑料都是作為絕緣材料使用。但如今隨著電子工業(yè)的發(fā)展，抗靜電、導(dǎo)電、抗電磁干擾屏蔽、電磁波吸收等技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，市場(chǎng)也對(duì)塑料提出了高導(dǎo)電性能的要求。

為了使塑料獲得導(dǎo)電功能，實(shí)現(xiàn)從絕緣體到半導(dǎo)體再到導(dǎo)體的巨大變化，就需要將塑料作為基材和各種導(dǎo)電添加劑混合，用傳統(tǒng)塑料的成型方法加工而成的功能型高分子材料。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，這種材料具有重量輕、易成型、耐腐蝕、可回收、電阻率大范圍調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。其中用途最廣和使用量最大的，正是以碳系導(dǎo)電物質(zhì)為添加劑的碳系物填充導(dǎo)電塑料。

1傳統(tǒng)導(dǎo)電碳材料

炭黑

碳系導(dǎo)電物質(zhì)中，包括了導(dǎo)電炭黑、乙炔黑、碳納米管、石墨烯等材料。其中，爐法導(dǎo)電炭黑和乙炔黑是最傳統(tǒng)導(dǎo)電碳材料，因?yàn)閮r(jià)格低(根據(jù)不同規(guī)格約10-200元/kg，進(jìn)口普通導(dǎo)電炭黑在40-80元/kg)，用量最大，光是中國(guó)國(guó)內(nèi)每年生產(chǎn)量超過(guò)數(shù)萬(wàn)噸。

目前我國(guó)電線電纜用導(dǎo)電炭黑的市場(chǎng)容量約為3.8萬(wàn)噸左右，導(dǎo)電涂料、電子元件、抗靜電油墨、導(dǎo)電膜等領(lǐng)域?qū)щ娞亢诘男枨罅考s為2萬(wàn)噸左右。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及各行業(yè)的不斷發(fā)展，導(dǎo)電炭黑的應(yīng)用水平不斷提高，導(dǎo)電炭黑生產(chǎn)量每年都在增加。但是為了達(dá)到所需要的導(dǎo)電效果，通常國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電炭黑需要填充15-30%在塑料里，進(jìn)口導(dǎo)電炭黑需要填充10%左右在塑料里，這會(huì)導(dǎo)致塑料力學(xué)性能損失較大，而且表面容易掉炭黑顆粒。

2新一代碳系導(dǎo)電材料

有舊自然也有新，新一代碳系導(dǎo)電材料中，最具代表性的莫過(guò)于碳納米管和石墨烯，其突出優(yōu)點(diǎn)是填充量比炭黑少，對(duì)塑料的力學(xué)性能損傷小。

碳納米管

碳納米管是由單層石墨片卷曲而成的無(wú)縫中空管子，管子的外徑1-50納米，長(zhǎng)度幾微米到上百微米。以使用量較大的歐洲某碳納米管公司產(chǎn)品為例，采用通用的塑料加工方法和設(shè)備填充2%wt在PC塑料里便可達(dá)到表面電阻率104Ohm/sq，添加量?jī)H為傳統(tǒng)炭黑填料的1/5-1/15，且導(dǎo)電塑料加工性能較好。

但碳納米管也存在一些應(yīng)用上的問(wèn)題。作為一維材料，碳納米管彼此之間有巨大的范德華力內(nèi)聚力，通常在生產(chǎn)設(shè)備出來(lái)是高度團(tuán)聚的糾纏狀態(tài)，需要特殊技術(shù)才能分散開(kāi)。在國(guó)外會(huì)有專(zhuān)利技術(shù)、專(zhuān)用設(shè)備及保密分散劑等來(lái)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的處理；但在國(guó)內(nèi)，由于低端碳納米管導(dǎo)電性和分散性比進(jìn)口的差，通常需要添加3-8%在塑料里才能達(dá)到與國(guó)外公司相同效果，而且直接使用通用的塑料加工方法得到的國(guó)產(chǎn)碳納米管導(dǎo)電塑料，表面不光滑，有凸點(diǎn)，因此在國(guó)內(nèi)碳納米管導(dǎo)電塑料的使用目前還較少見(jiàn)，還是以炭黑系的導(dǎo)電塑料為主。

石墨烯

理論上石墨烯擁有奇異的物理結(jié)構(gòu)，從而具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)特性。自2010年石墨烯的發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾獎(jiǎng)后，石墨烯的研究與炒作在國(guó)內(nèi)呈星火燎原之勢(shì)，越燒越旺，在國(guó)內(nèi)的多個(gè)城市都已經(jīng)投入巨資建立了多個(gè)石墨烯產(chǎn)業(yè)園。

不過(guò)，由于目前市場(chǎng)上還很少有石墨烯的大噸位工業(yè)應(yīng)用，已經(jīng)搭好的石墨烯產(chǎn)業(yè)園平臺(tái)還得不到有效利用，已成立的石墨烯公司也大部分處于虧損狀態(tài)。實(shí)際上以通用石墨礦物為原料，很難大批量獲得高品質(zhì)、高導(dǎo)電性石墨烯材料，但使用化學(xué)氣相沉積法的話則能獲得高品質(zhì)、高導(dǎo)電性石墨烯。

從技術(shù)上分析，通常石墨烯粉體因?yàn)槭嵌S平面片層結(jié)構(gòu)，受到外力擠壓的時(shí)候，很容易片層之間二次疊合，恢復(fù)石墨的本性，從而丟失石墨烯的特性，這也導(dǎo)致石墨烯粉體很難和傳統(tǒng)塑料加工兼容，不易通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)直接加工的方式得到石墨烯填充導(dǎo)電塑料。筆者嘗試過(guò)多家公司和多種類(lèi)型石墨烯，直接和塑料一起混煉的話，通常需要3-8%填充量才能達(dá)到導(dǎo)電性。但石墨烯本身價(jià)格比碳納米管貴，填充量又多，因此它目前在導(dǎo)電塑料領(lǐng)域的應(yīng)用非常少見(jiàn)。

3突破：含三維石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料

綜上所述，已有的各類(lèi)導(dǎo)電碳材料其實(shí)都多少存在一些應(yīng)用問(wèn)題。但只有具備高導(dǎo)電性石墨烯片層結(jié)構(gòu)的納米碳材料，才能具有理論預(yù)測(cè)的優(yōu)異高導(dǎo)電特性，才有可能開(kāi)發(fā)出巨大的下游應(yīng)用市場(chǎng)。

經(jīng)過(guò)多年理論和工廠實(shí)踐，通過(guò)借鑒傳統(tǒng)碳材料——導(dǎo)電炭黑、碳纖維、活性炭等材料的工藝原理，趙社濤創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了超高導(dǎo)電性納米碳材料量產(chǎn)工藝。通過(guò)一定工藝條件下，控制納米碳材料生成三維石墨烯結(jié)構(gòu)，即可大批量低成本制成超高導(dǎo)電性納米碳材料。

超高導(dǎo)電性含三維石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料粉體

導(dǎo)電性測(cè)試

為了測(cè)試這種納米碳材料的導(dǎo)電性能，研究員使用目前塑料行業(yè)通用的加工工藝，添加少量自制的超分散劑ZT3000，270℃直接熔融共混含石墨烯片層結(jié)構(gòu)超高導(dǎo)電性納米碳材料粉體和PC塑料粒子，經(jīng)混煉后加工成厚度1mm測(cè)試片后測(cè)試其導(dǎo)電性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只需添加0.2%wt含三維石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料到PC塑料里便可賦予PC塑料導(dǎo)電性，而且加工過(guò)程還可以兼容傳統(tǒng)塑料工業(yè)的加工方式。在達(dá)到相同導(dǎo)電效果的情況下，其添加量大致是進(jìn)口導(dǎo)電炭黑的1/50，大致是歐洲公司進(jìn)口碳納米管的1/10，大致是普通石墨烯粉體的1/10到1/30，性能可排入目前報(bào)道的最高水平之列，與理論預(yù)測(cè)的石墨烯片層所具有超高導(dǎo)電性相符合。

而且這種超高導(dǎo)電納米碳材料成本非常低，通過(guò)控制大分子碳?xì)浠衔锷扇S石墨烯片層結(jié)構(gòu)即可低成本大批量獲得。最重要的是它的添加量如此之低，塑料在獲得導(dǎo)電性的同時(shí)，還可以最大程度的保留自身本身的力學(xué)強(qiáng)度。因此筆者相信，這種具有三維石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳材料若能得到廣泛應(yīng)用，必定具有改變?nèi)驅(qū)щ娞疾牧虾蛯?dǎo)電塑料市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局的能力。