独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心[研究中心主任饭岛澄夫]高级研究员兼超生长CNT团队研究组组长畠健二、技术研究会单壁碳纳米管融合新材料研究开发机构同组研究员小桥和文[会长古川直纯]（以下简称“TASC”）研究员Seisuke Ata等人单壁碳纳米管（单壁CNT）-3S/cm。
导电复合材料广泛应用于抗静电材料和打印机充电辊，是在绝缘树脂和橡胶中添加导电物质制成的。然而，如果添加量较大，则会丧失作为树脂或橡胶的性能，因此需要一种能够以少量添加提供高导电性的材料。
这次，超级成长法高合成用纵横比将其混合到橡胶中，形成含有单壁碳纳米管的区域（导电区域）和不含单壁碳纳米管的区域（非导电区域），并且导电区域连续形成导电路径（图1）。利用该结构，在将单壁CNT的添加量保持在少量的同时实现了高导电性。与含有相同量（wt%）单壁碳纳米管的其他复合材料相比，该复合材料具有最高的电导率之一，并且几乎保持了基材橡胶的所有物理性能。使用超级生长法和新开发的添加法生产的单壁碳纳米管有望应用于除抗静电和除静电之外还需要导电性的各种树脂材料。
该技术的详细内容将于2011年10月13日至14日在茨城县筑波市举行的AIST Open Lab 2011上介绍。
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图1 导电复合材料的光学显微照片
*这项研究和开发是在新能源和产业技术开发组织（NEDO）独立管理机构的“实现低碳社会的创新碳纳米管复合材料开发项目”（2010-2011财年）下进行的。
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近年来，导电树脂和导电橡胶已应用于抗静电和静电去除以及打印机充电辊等各个领域。一般导电复合材料有树脂、橡胶等。热塑性弹性体采用炭黑、碳纤维等导电材料。但是 10-3S/cm量级的电导率，在炭黑的情况下，需要添加40至50重量％的大量。大多数导电材料比树脂和橡胶更硬、更不透明，因此如果添加量增加，树脂和橡胶原有的透明性和柔韧性就会丧失。因此，希望通过尽可能地抑制导电材料的添加量来获得导电性。
产业技术研究院利用超生长法合成的单壁碳纳米管的特点，开发其应用：比其他单壁碳纳米管具有更大的表面积，且长径比为300,000（直径：3 nm，长度：1 mm）。特别是与促进单壁碳纳米管与现有材料的融合和实际应用的TASC的联合研究，生产出了可用作柔性器件和布线材料、导电率为30S/cm且CNT含量为10%的橡胶（2011年9月7日，NEDO/TASC联合新闻稿），以及具有优异导热性的CNT复合材料（2011 年 10 月 6 日 AIST/TASC 联合新闻公告)已实现。
此外，为了在不损失太多基材树脂或橡胶性能的情况下获得高导电性，用于抗静电、除静电或柔性透明电极，需要减少CNT的添加量，因此我们继续与TASC合作，通过控制基材中CNT的结构和分布，开发出一种以少量添加即可表现出高导电性的复合材料。
该复合材料以氟橡胶为基材，通过以下的方法制造。
首先，将通过超生长法合成的单壁碳纳米管分散在有机溶剂或含有表面活性剂的水中。此时，单壁碳纳米管从几十个单壁碳纳米管捆绑而成的称为束的结构，转变为尺寸约100μm的块状结构，其中单壁碳纳米管以棉花状展开并相互缠绕（图2）。将溶解在有机溶剂中的橡胶或橡胶乳胶添加到棉状单壁碳纳米管中并在适当的条件下干燥。
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| 图2 单壁碳纳米管的分散 |
单壁碳纳米管原本具有相互聚集的倾向，但在高长径比的单壁碳纳米管相互缠绕并展开的结构中，从多个方向相互吸引的力得到平衡，防止聚集，并将含有棉状碳纳米管的导电区域连接起来形成网络。
由于遍布整个材料的导电区域网络，这种复合材料表现出高导电性。另一方面，在网络的间隙中，存在不含单壁碳纳米管且仅由橡胶制成的非导电区域，并且很大程度上保持了橡胶原有的柔韧性和透明度。
人们已经尝试使用单壁碳纳米管通过少量添加剂来实现高电导率。然而，到目前为止，人们一直认为理想的分布是单壁碳纳米管单独存在的分布（图3左侧），但在打碎单壁碳纳米管的过程中，单壁碳纳米管被剪短，单壁碳纳米管的浓度达到了形成导电路径的极限（渗透阈值)处的电导率为10-5它保持在 S/cm 左右。在这次开发中，我们改变了想法，不是创建单个单壁碳纳米管均匀分散的结构，而是创建一种包含缠结的长单壁碳纳米管的导电区域和不含单壁碳纳米管的非导电区域共存的结构（图3，右），从而保持了基材的原始物理特性，并将渗流阈值下的电导率提高了10-3S/cm，比以前多了 100 倍。
该分散方法不仅可以应用于橡胶，还可以应用于ABS树脂和聚碳酸酯，并且已证实可以保持透明性。
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图3 树脂中单壁碳纳米管结构示意图
（左）单层碳纳米管独立存在，整个材料是绝缘体。
（右）一系列包含单壁碳纳米管的导电区域[蓝色框]表现出导电性。另外，由于存在不含有单层CNT的区域，因此能够减少添加量并维持树脂的特性。 |
通过控制单壁碳纳米管的长度和直径，我们将开发出使用较少量添加剂即可表现出导电性的材料。此外，我们还将建立各种树脂的分散方法以及从涂膜到块状体的各种成型方法，为实际应用铺平道路。
我们还致力于通过在 AIST 开放实验室的实体展览与有兴趣实际应用的公司合作，将产品商业化。