碳纳米 TPU（通常指碳纳米管与 TPU 的复合材料）的加工成型需结合 TPU 的热塑性特性与碳纳米管的特殊性能，重点解决碳纳米管的分散性、导电网络构建及材料流动性调控等问题。以下是其主要加工成型方法及关键技术要点：
一、预处理：碳纳米管的表面改性与分散
1. 表面改性
目的：改善碳纳米管与 TPU 基体的相容性，避免团聚，提升分散均匀性。
方法：
化学改性：通过酸化（如浓硝酸处理）、氨基化、硅烷偶联剂处理等，在碳纳米管表面引入极性基团，增强与 TPU 的界面结合力。
聚合物包覆：用表面活性剂（如十二烷基苯磺酸钠）或高分子聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮）包覆碳纳米管，降低其表面能，提高在 TPU 中的分散性。
2. 分散工艺
溶液混合法：将碳纳米管分散在 DMF、THF 等溶剂中，加入 TPU 溶液搅拌均匀，再蒸发溶剂得到预分散体。
机械混合法：利用高速搅拌机、球磨机或双螺杆挤出机进行物理分散，需控制转速和温度（避免 TPU 过热降解）。
二、主要成型工艺
1. 注塑成型
应用场景：制造电子元件外壳、汽车零部件（如轮胎胎面）、医疗设备配件等。
工艺要点：
设备：选用带高精度温度控制的注塑机，螺杆长径比（L/D）建议 18-24:1，以保证物料均匀塑化。
温度控制：TPU 熔点通常为 170-220℃，碳纳米管添加后熔体粘度增加，需将料筒温度提高 10-20℃（如 200-230℃），模具温度控制在 40-80℃以减少内应力。
压力参数：注射压力 80-150 MPa，保压压力 50-100 MPa，保压时间 10-30 秒，避免因碳纳米管团聚导致制品缺料或表面缺陷。
注意事项：碳纳米管添加量通常≤5%（质量分数），过量会显著降低熔体流动性，需调整螺杆转速（如 100-200 rpm）。
2. 挤出成型
应用场景：生产管材、薄膜、线缆护套、纤维等连续型制品。
工艺要点：
设备：双螺杆挤出机（啮合型同向旋转），可更高效分散碳纳米管，长径比（L/D）≥30:1。
工艺参数：挤出温度 180-220℃，螺杆转速 150-300 rpm，牵引速度根据制品厚度调整（如薄膜牵引速度 5-10 m/min）。
典型案例：制备抗静电 TPU 薄膜时，通过挤出成型可使碳纳米管在薄膜中形成连续导电网络，表面电阻控制在 10⁶-10⁹ Ω・□⁻¹。
3. 吹塑成型
应用场景：制造中空制品，如储液罐、柔性容器、汽车油箱内衬等。
工艺要点：
型坯制备：通过挤出或注塑制备含碳纳米管的 TPU 型坯，需保证型坯壁厚均匀，避免碳纳米管沉积导致局部强度下降。
吹塑参数：吹塑压力 0.2-0.8 MPa，吹胀比 2-4:1，冷却温度 20-50℃，利用碳纳米管的导热性加快制品冷却速度，提升生产效率。
4. 3D 打印（增材制造）
应用场景：定制化柔性电子器件、可穿戴设备配件、复杂结构原型件。
工艺方法：
FDM（熔融沉积成型）：将碳纳米 TPU 制成 filament（丝材），打印温度 210-240℃，喷头移动速度 20-60 mm/s，层厚 0.1-0.3 mm，需控制打印速度避免丝材断裂。
SLA（光固化成型）：若使用液态碳纳米 TPU 树脂，需调整光固化波长（如 UV 光）和曝光时间，利用碳纳米管的光吸收特性优化固化效率。
优势：可实现导电网络的按需设计（如在特定区域增强导电性），适用于柔性传感器等功能器件。
5. 压延成型
应用场景：生产大面积薄膜、片材，如柔性显示屏基板、防护涂层。
工艺要点：
设备：三辊或四辊压延机，辊筒温度 160-200℃，辊速比 1:1.2-1:1.5，通过调节辊距控制制品厚度（如 0.05-1 mm）。
关键：碳纳米管需在压延前充分预分散，避免压延过程中因剪切力导致团聚，影响薄膜透明度和力学性能。
6. 模压成型
应用场景：制造航空轮胎、高压密封件等高强度制品。
工艺要点：
热压工艺：将预混好的碳纳米 TPU 粒料放入模具，在 180-220℃、10-30 MPa 压力下保温保压 10-20 分钟，冷却后脱模。
冷压 - 烧结工艺：对于高精度制品，可先在室温下加压成型（50-100 MPa），再升温至 TPU 熔点以下（150-170℃）烧结，减少制品收缩率（通常≤1%）。
三、加工关键技术与挑战
碳纳米管分散性控制
团聚会导致材料力学性能下降、导电不均匀，需通过表面改性 + 机械混合协同作用，例如采用双螺杆挤出时添加 0.5-1% 的相容剂（如 EMA），提升分散效果。
导电网络构建
碳纳米管添加量需超过 percolation threshold（渗滤阈值，通常 1-3%），并通过加工工艺（如定向拉伸）诱导碳纳米管取向，形成连续导电通路，实现抗静电或电磁屏蔽功能。
热稳定性优化
TPU 在高温下易氧化降解，加工时需通入氮气保护，或添加 0.1-0.5% 的抗氧化剂（如受阻酚类），将加工温度控制在 TPU 热分解温度（≥250℃）以下。
后处理工艺
成型后可通过退火处理（如在 80-120℃空气中保温 2-4 小时）减少内应力，提升制品尺寸稳定性；对于导电制品，可通过热拉伸（拉伸比 1.5-2:1）进一步优化碳纳米管取向，降低电阻率。
四、典型应用案例
电子领域：通过挤出成型制备碳纳米 TPU 柔性电路板，经 3D 打印集成传感器，用于可穿戴设备的弯曲应变监测，导电率可达 10 S/cm。
汽车轮胎：采用模压成型将碳纳米 TPU 加入胎面胶，碳纳米管添加量 2% 时，轮胎滚动阻力降低 10%，湿滑抓地力提升 15%，同时实现静电耗散（表面电阻＜10⁸ Ω）。
医疗导管：利用注塑成型制备含碳纳米管的 TPU 导管，通过表面改性提升生物相容性，同时借助碳纳米管的导热性实现导管加热灭菌（60℃加热 30 分钟）。
通过合理选择加工工艺与优化参数，碳纳米 TPU 可在保持 TPU 原有柔韧性的基础上，充分发挥碳纳米管的增强、导电等特性，拓展其在高端制造领域的应用。