1. 引言
碳纳米管(CNT)自1991年由Lijima发现以来一直以来受到广泛关注,是由碳原子sp2杂化石墨化和sp3杂化卷曲形成的具有高长径比,纳米尺寸直径和微米尺寸长度的圆柱体[1]。单个碳纳米管可被视为由单片石墨烯卷曲形成,被称为单壁碳纳米管,而多个单片石墨烯同轴卷曲形成的被称为多壁碳纳米管。[2]碳纳米管具有独特的机械、热、光学和电学性质使得其在许多领域得到应用[3]。但是由于碳纳米管独特的纳米尺寸下的高长径比与高比表面积以及疏水性导致各个碳纳米管之间存在强力的范德华力从而容易团聚难以将其分散[4],其易团聚的特性已经成为了碳纳米管应用的重要障碍,因此如何将碳纳米管进行有效且低成本地分散成为了有效应用碳纳米管前需要考虑的主要问题[5]。
目前的分散方法主要分为物理分散法和化学分散法。其中化学分散法的方法是指在碳纳米管的表面通过酸洗等方式破坏碳纳米管原有的结构产生缺陷从而实现共价修饰亲水基团如羟基,羧基等以提高其亲水性实现提高分散性[6],该方法可以显著改善碳纳米管的亲水性使其能够在水溶液中实现分散,但是该方法会改变碳纳米管的各项优异性能[7]。物理分散法是指在不进行化学修饰的前提下实现分散,该方法可以有效避免对碳纳米管优异的物理性能产生损坏,目前主流的方法分为球磨分散和超声分散两种,其中球磨分散法是指利用球磨机对碳纳米管施加剪切力[8],该方法性能相比超声法更容易损坏碳纳米管并且效率更低[9],因此目前该领域主要采用超声分散法。超声分散法是指将碳纳米管对碳纳米管在溶液中施加剪切力实现解束分散[10],该方法目前被认为是最简单有效的分散方法,也是本次所研究的分散方向。
使用超声法对碳纳米管集束施加剪切力集束后面临的问题是如何减少解开碳纳米管集束的阻力以及如何防止其重新再次聚集[11],目前提出的主要解决方案为有机溶液分散法和表面活性剂分散法。有机溶液分散法是指利用碳纳米管的亲油性降低解束阻力,例如使用二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮等有机液体作为溶液实现对碳纳米管的超声分散[11]-[13]。但是该方法只解决了减少解开集束的阻力这一问题,并没有有效解决如何防止重新聚集这一问题使得碳纳米管分散液的分散稳定性存在问题[11]。而使用表面活性剂分散则可以同时解决这两个问题。表面活性剂是一种同时具有亲水性和亲油性的两亲性物质,根据亲水基团的类型又分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂,其中离子型表面活性剂是由带有电荷的亲水基团和疏水基团组成[14]。离子型表面活性剂在水中分散碳纳米管时会依靠疏水基团实现表面活性剂在碳纳米管表面的吸附,并依靠另一带有自由电荷的亲水基团使得各个碳纳米管获得亲水性和相同电荷从而实现减少解开碳纳米管集束的阻力和防止重新聚集提高分散稳定性的作用[15]。而非离子表面活性剂通常采用带有亲水基团的聚合物等,其在分散稳定性上不具备使用离子型表面活性剂时具有的相同电荷相斥优势,因此在分散稳定性上弱于离子型表面活性剂[16]。在关于离子型表面活性剂的分散机理与分散浓度上,Rastogi等[15]研究提出了使用碳纳米管与表面活性剂的质量分数比为标准测试最佳分散程度,并认为使用SDS (十二烷基硫酸钠)分散碳纳米管的最佳质量分数比在1:520为最佳分散程度。Vaisman等[16]的研究提出了多种离子型表面活性剂在碳纳米管表面可能的吸附形态。陈泽宇等[14]的研究在SEM中拍摄到了表面活性剂分子链长度对碳纳米管管径的影响。Angelikopoulos等[17]的研究通过在分子动力学模拟计算表面活性剂对碳纳米管在不同浓度下可能的作用方式中发现CMC (临界胶束浓度)对分散可能有影响并且在0.3CMC浓度就已经在碳纳米管表面形成了胶束状表面活性剂吸附层。Ling等[18]的研究发现含有芳香环的表面活性剂在分散碳纳米管的过程中可能与碳纳米管产生π-π键从而提高分散程度。可以看出,目前国内外文献对于表面活性剂在碳纳米管表面的微观吸附状态及机理的解释有所欠缺,部分停留在宏观以及虚拟计算层面。对于最佳分散程度的研究停留在质量比层面未能与机理解释相联系。
基于该研究现状本研究以是否有苯环为变量选取了SDBS (有苯环)、SDS (无苯环,短分子链)、CTAB (无苯环、长分子链)三种表面活性剂,管径由小到高的三种多壁碳纳米管在去离子水中制备出九组分散体系。使用表面张力仪、紫外可见光光谱分析仪UV-vis进行分散程度表征,得到了各个分散体系在不同表面活性剂浓度下的分散规律。并基于该分散规律选择了合适浓度进行Raman光谱、FT-IR光谱、TEM、Zeta电位分析。通过表面活性剂的热力学原理与实验表征相结合,研究表面活性剂在碳纳米管表面的吸附方式和分散机理。为系统评价研究离子型表面活性剂对碳纳米管的分散性能及作用机理提供理论依据,为实现低成本制备更加稳定和更好分散效果的碳纳米管分散体系提供新的思路。
2. 实验部分
2.1. 试剂与仪器
不同管径多壁碳纳米管(纯度 > 95.5%),韩国LG Chem;十二烷基硫酸钠(SDS,质量分数99%),化学纯,阿拉丁(上海)试剂有限公司;十二烷基苯磺酸钠(SDBS,质量分数99%),化学纯,阿拉丁(上海)试剂有限公司;十六烷基三甲基溴化铵(CTAB,质量分数99%),化学纯,阿拉丁(上海)试剂有限公司;本实验分散介质液体均使用去离子水。
LC-FA型电子天平,力辰电子仪器厂;CP650细胞破碎分散仪,安屿生物科技;UNICO 2000型可见光分光光度计;DHG-9030电热鼓风干燥箱,上海精宏仪器;SHZ-D型循环水真空泵,予华仪器;同步热分析仪STA 449F3;Hitachi-800透射电镜;混合纤维素脂滤膜(水系),上海兴亚净化材料厂;FT-IR光谱分析仪,美国Thermo Fisher Scientific Nicolet iS20;Raman光谱分析仪,日本Horiba LabRAM HR Evolution;
2.2. 表面活性剂–碳纳米管分散体系的材料选择和体系制备
离子型表面活性剂溶液由于其特殊的两亲性结构,在水溶液中会形成胶束,而开始自发形成胶束的浓度被称为临界胶束浓度(CMC)。表面张力的变化平台可以检测CMC [14],当表面活性剂浓度低于临界胶束浓度时表面张力会随着浓度的增加而不断下降,当浓度达到临界胶束浓度后继续增加表面活性剂浓度表面张力便不会再有变化并保持不变。本研究检测了不同浓度下的表面张力,如图1所示。
Figure 1. The variation curves of surface tension with concentration for CTAB, SDBS, and SDS
图1. CTAB、SDBS、SDS的表面张力随浓度的变化曲线
如图1所示,分别测量了CTAB、SDBS、SDS在不同浓度下的表面张力变化,得到CMCCTAB = 0.34 g/L,CMCSDBS = 0.77 g/L,CMCSDS = 1.74 g/L。
以管径为变量选择了三种碳纳米管,如表1所示。
Table 1. Three different diameters of carbon nanotubes used in the experiment
表1. 实验中所用到的三种不同直径碳纳米管
碳纳米管类型 |
管径 |
A-MWCNT |
12 nm |
B-MWCNT |
20 nm |
C-MWCNT |
40~70 nm |
将三种不同表面活性剂在不同浓度下与0.05 g/L的A-MWCNT、B-MWCNT、C-MWCNT混合并进行超声分散,超声功率选择为600 W,每组超声时间为60 min。
2.3. 紫外–可见光谱分析
如何测定碳纳米管的分散程度是研究表面活性剂物理功能化碳纳米管性能的重要一步。紫外–可见光吸收光谱测定是一种常见的快速测定物质分散程度的方法,其基本原理是Lambert-beer定律[19] [20]
(1)
在(1)中A是吸光度,K是溶质的吸光常数,c是溶质浓度。在已知吸光常数K的情况下可直接通过吸光度A得到溶质浓度,因此我们需要先得到各个三种碳纳米管的吸光常数K。实验设计如图2所示。
如图2所示,本研究首先将碳纳米管与表面活性剂混合超声得到碳纳米管分散液。碳纳米管在表面活性剂物理功能化分散后会出现部分碳纳米管未被完全解束以集束状态存在于分散液中[10],由于未解束状态的碳纳米管会影响吸光度与浓度的关系,因此进行离心去除未被完全分散态碳纳米管[21]得到含有分散态碳纳米管上清液。对上清液进行紫外–可见光分析得到吸光度A。再将上清液进行过滤得到上清液中所含碳纳米管的滤饼。由于此时碳纳米管的表面覆盖有表面活性剂,因此需要对表面活性剂、碳纳米管、上清液滤饼分别进行热重分析从而得到上清液分散态碳纳米管浓度c并与吸光度A一起代入lambert-beer定律得到所分散碳纳米管的吸光系数K。得到吸光系数K后便可上清液A与分散程度直接正相关从而快速测量分散程度。将如表1所示三种碳纳米管与三种表面活性剂进行如图2进行实验得到吸光系数K,因此在接下来的实验分析中吸光度A可视为分散程度。
Figure 2. Method for determining the absorption coefficient K of carbon nanotubes using Lambert-Beer’s law
图2. 用Lambert-Beer定律确定碳纳米管吸光系数K的方法
紫外–可见光吸光度的波长上选择500 nm [22]处的吸光度作为表征,用三种管径的碳纳米管与三种表面活性剂在保持碳纳米管浓度不变的情况下在不同表面活性剂浓度下进行分散得到9组分散体系,并记录各自的吸光度A。
2.4. FT-IR分析和Raman分析
制备A-MWCNT与十二烷基硫酸钠SDS、十二烷基苯磺酸钠SDBS、十六烷基三甲基溴化铵CTAB三种表面活性剂的最佳分散浓度分散液上清液进行真空过滤得到滤饼,将滤饼在干燥箱中以60℃烘干后提取滤饼粉末并与溴化钾粉末混合研磨压片进行FT-IR测试和Raman测试。
2.5. TEM分析
以12 nm管径的A-MWCNT为被分散溶质,以乙醇为溶液制备A-MWCNT浓度为0.05 g/L的碳纳米管分散液滴入碳网进行TEM分析。制备表面活性剂SDS分别在0.3CMCSDS浓度和1.0CMCSDS浓度下的碳纳米管浓度为0.05 g/L的A-MWCNT的分散液。制备表面活性剂CTAB在1.0CMCCTAB浓度下分散A-MWCNT的碳纳米管浓度为0.05 g/L的分散液。在3500转速下离心20分钟后提取上清液滴入碳网进行TEM分析。
2.6. Zeta分析
制备A-MWCNT与十二烷基硫酸钠SDS、十二烷基苯磺酸钠SDBS、十六烷基三甲基溴化铵CTAB三种表面活性剂的最佳分散浓度分散液上清液并进行Zeta电位测试。
3. 结果与讨论
3.1. 分散性能讨论
极限分散程度EDD (Extreme dispersion degree)是使用表面活性剂分散某一溶质时达到的分散程度极限。极限分散浓度EDC (Extreme dispersion concentration)是使用表面活性剂分散某一溶质时达到分散程度极限时的浓度[23]。
以CTAB、SDBS、SDS各自的临界胶束浓度为单位进行在不同浓度下分散相同浓度的A-MWCNT,得到了各自的吸光度随浓度变化曲线,如图3所示。
Figure 3. Absorption surfactant concentration curves of (a) CTAB; (b) SDBS; (c) SDS with A-MWCNT dispersion systems
图3. (a) CTAB;(b) SDBS;(c) SDS与A-MWCNT分散体系的吸光度–表面活性剂浓度曲线
如图3所示,在表面活性剂浓度低于EDC时吸光度随着表面活性剂浓度的提升也一起增长,在达到各自EDC浓度后吸光度达到EDD = 1.95并不再变化。由于浓度处于EDC时的吸光度相同并且EDC低于1.0CMC因此可以认为三种表面活性剂在各自的EDC浓度时都实现了对A-MWCNT的完全分散。但对比发现CTAB和SDS分散A-MWCNT的EDC与自身的CMC比值为0.3,而SDBS分散A-MWCNT的EDC与自身CMC的比值为0.2。
Figure 4. Absorption surfactant concentration curves of (a) CTAB; (b) SDBS; (c) SDS with B-MWCNT dispersion systems
图4. (a) CTAB;(b) SDBS;(c) SDS与B-MWCNT分散体系的吸光度–表面活性剂浓度曲线
对其他两种更高管径的碳纳米管进行同样处理后得到的吸光度–表面活性剂浓度曲线如图4,图5所示。
Figure 5. Absorption surfactant concentration curves of (a) CTAB; (b) SDBS; (c) SDS with C-MWCNT dispersion systems
图5. (a) CTAB;(b) SDBS;(c) SDS与C-MWCNT分散体系的吸光度–表面活性剂浓度曲线
将图3、图4、图5汇总后不同比表面积碳纳米管在不同表面活性剂溶液中的EDC与EDD对比如表2所示。
Table 2. Comparison of extreme dispersion concentration (EDC) and extreme dispersion degree (EDD) among three surfactants for dispersing carbon nanotubes of different diameters
表2. 三种表面活性剂分散不同直径碳纳米管的极限分散浓度EDC对比以及极限分散程度EDD对比
碳纳米管编号 |
碳纳米管管径(单位nm) |
EDC:CMC (CTAB:SDS:SDBS) |
EDD (CTAB:SDBS:SDS) (单位Abs) |
A-MWCNT |
12 nm |
0.3:0.3:0.2 |
1.95:1.95:1.95 |
B-MWCNT |
20 nm |
0.9:0.9:0.7 |
1.95:1.95:1.95 |
C-MWCNT |
40~70 nm |
1:1:1 |
1.7:1.9:1.7 |
如表2所示,可以认为管径和表面活性剂类型是影响分散性能和机理的因素,在分散较低管径的A-MWCNT时三种表面活性剂都能做到完全分散,但SDBS的EDC:CMC更低。结合三种表面活性剂在分散管径更高的B-MWCNT以及C-MWCNT时三种表面活性剂的EDC和EDD的差异,本研究认为该结果可能表明表面活性剂之间的分散性能对比上SDBS的分散性能明显优于SDS和CTAB,并且表面活性剂EDC < 1CMC时可达到完全分散,若EDC = 1CMC则不能达到完全分散。
3.2. 分散机理分析
为了进一步研究为何SDBS的分散性能优于SDS和CTAB,以及表面活性剂分散碳纳米管的具体机理,本研究制备了三组分散液,分别是使用SDBS的最佳分散浓度CSBDS = 0.2CMCSDBS的SBDS-A-MWCNT分散液,使用SDS的最佳分散浓度CSDS = 0.3CMCSDS的SDS-A-MWCNT分散液,原始A-MWCNT粉末。FT-IR分析可以检测出碳纳米管与表面活性剂的作用中化学键的变化,对三组样品进行FT-IR分析结果如图6所示。
在A-MWCNT的图像中,由于碳纳米管本身自带的缺陷形成的羟基、羧基和水的氢键缔合作用,在3434 cm−1处出现了O-H的伸缩振动。而在经过表面活性剂修饰后该峰的消失证明了表面活性剂的覆盖现象。SDBS-A-MWCNT在1633 cm−1处的峰的变弱可能是因为SDBS与碳纳米管形成苯环π-π键作用所致[18]。
Figure 6. FT-IR images of SDBS-A-MWCNT, SDS-A-MWCNT, A-MWCNT
图6. SDBS-A-MWCNT、SDS-A-MWCNT、A-MWCNT的FT-IR图像
由于碳纳米管是经过超声处理和表明活性剂处理的,因此有必要检测碳纳米管的结构是否被破坏从而干扰到FT-IR的结果。Raman分析被认为反映了碳纳米管中缺陷的实际变化,结果如图7所示。
Figure 7. Raman images of SDBS-A-MWCNT, SDS-A-MWCNT, and A-MWCNT
图7. SDBS-A-MWCNT、SDS-A-MWCNT、A-MWCNT的Raman图像
如图7所示,本实验选取了由SDBS和SDS分散处理过的碳纳米管以及未被处理的碳纳米管,D峰和G峰分别对应无序石墨和sp2杂化碳原子缺陷处的振动[24]。图中经过表面活性剂处理的两组碳纳米管和未经过碳纳米管处理的原始碳纳米管的Raman光谱一致,可以认为当前的超声功率并未显著损坏碳纳米管,排除了其他可能的影响。
为了进一步分析表面活性剂分散碳纳米管的机理,本研究选择结合图3所得的分散性能制备分散液并使用TEM分析不同表面活性剂浓度下的分散态碳纳米管表面微观结构,如图8所示。
Figure 8. (a) TEM images of A-MWCNT; (b) SDS-A-MWCNT-EDCSDS; (c) SDS-A-MWCNT-1.0CMCSDS; (d) CTAB-A-MWCNT-1.0CMCCTAB
图8. (a) A-MWCNT;(b) SDS-A-MWCNT-EDCSDS;(c) SDS-A-MWCNT-1.0CMCSDS;(d) CTAB-A-MWCNT-1.0CMCCTAB的TEM图像
图8(a)为未使用表面活性剂而在乙醇中分散A-MWCNT得到的分散液中的碳纳米管,可见清晰的碳纳米管晶格结构并且管径为12 nm。而图8(b)为使用SDS在EDC浓度也就是0.3CMCSDS分散A-MWCNT后得到的分散态碳纳米管的表面形态,碳纳米管的表面覆盖有一层薄薄的表面活性剂。图8(c)为使用SDS在浓度为1.0CMCSDS分散A-MWCNT所得到的分散液中的碳纳米管形态,可以看到表面覆盖有一层1.5 nm厚的表面活性剂,图8(d)为使用CTAB在浓度为1.0CMCCTAB分散A-MWCNT所得到的分散液中的分散态碳纳米管的表面形态。可以看到表面覆盖有一层2.5 nm厚的表面活性剂。
由于已知SDS的分子链长度为1.5 nm,CTAB的分子链长度为2.5 nm [15]。由图8(b) 0.3CMC浓度分散液中碳纳米管表面薄薄的一层表面活性剂结合图8(c)和图8(d)中清晰可见的与表面活性剂分子链长度相同的表面活性剂层图像,本研究认为表面活性剂与碳纳米管的作用机理如图9所示。
结合图8、图9,本研究认为由于表面活性剂本身特殊的两亲性结构以及碳纳米管的疏水特性,当表面活性剂浓度小于临界胶束浓度时表面活性剂在碳纳米管表面趋于平躺于碳纳米管表面的姿态兵占据更大碳纳米管表面面积,而当表面活性剂浓度的提升在表面活性剂在碳纳米管表面所占面积会逐渐减小并逐渐在姿态上呈现出站立在碳纳米管表面的姿态[25]。
为了进一步分析表面活性剂分散碳纳米管的机理,本研究选择结合图3所得的分散性能制备CTAB、SDS、SDBS分散A-MWCNT时的EDC浓度分散液并使用Zeta分析不同表面活性剂浓度下的分散态碳纳米管表面电荷吸附量。结果如图10所示。
Figure 9. Schematic diagram of TEM image mechanism of (a) A-MWCNT; (b) SDS-A-MWCNT-EDCSDS; (c) SDS-A-MWCNT-1.0CMCSDS; (d) CTAB-A-MWCNT-1.0CMCCTAB
图9. (a) A-MWCNT;(b) SDS-A-MWCNT-EDCSDS;(c) SDS-A-MWCNT-1.0CMCSDS;(d) CTAB-A-MWCNT-1.0CMCCTAB的TEM图像
Figure 10. Zeta potential absolute values of CTAB, SDS, SDBS in EDC concentration dispersed A-MWCNT dispersion
图10. CTAB、SDS、SDBS在EDC浓度分散A-MWCNT分散液的Zeta电位绝对值
Zeta电位能够反应离子型表面活性剂分散物质时被分散物表面的所带电荷量,Zeta电位越高则代表被分散物表面所带电荷越多[26],如图10所示三者EDC浓度时Zeta电位一致。结合图6的FT-IR可知SDBS由于其具有的苯环使其具有了更高的吸附倾向性使得碳纳米管的表面聚集了更多的表面活性剂。
结合表2、图6的FT-IR和图8的TEM图像,本研究认为可以从以上结果推测出离子型表面活性剂在分散碳纳米管的过程中其降低表面张力的能力与分散碳纳米管的能力高度相关,这可能与临界胶束浓度的本质是离子型表面活性剂浓度达成形成胶束所需最低自由能的浓度有关。
而根据表面活性剂的不同官能团等因素,比如本研究所使用的SDBS其具有的苯环便加强了吸附倾向从而使得SDBS在0.2CMCSDBS = 0.15 g/L的浓度下便可产生与无苯环的CTAB和SDS相同的分散效果。
4. 结论
本研究通过将不同疏水链和不同分子链长度的三种表面活性剂与管径不同的三种碳纳米管混合超声分散,利用UV-vis考察了分散性能,并在此基础上利用FT-IR、Raman、TEM、Zeta电位分析对分散机理做了进一步研究,为碳纳米管的分散提供了一条可行的减少表面活性剂消耗的方法并更加深入解释了分散机理为其他相关研究提供了参考,以下为主要结论。
(1) 在分散性能上,UV-vis结果表明三种表面活性剂均可提高不同管径碳纳米管的分散性能。离子型表面活性剂对碳纳米管的分散性能与其使用浓度及临界胶束浓度(CMC)密切相关。当管径较小时如果最大分散浓度低于CMC则可视为完全分散浓度。并且完全分散浓度与CMC值成一定比例。当管径较大时最大分散浓度等于CMC且未被完全分散。
(2) 在分散机理上,TEM结果和UV-vis结果表明表面活性剂在碳纳米管表面形成了类似于胶束的覆盖层并修饰亲水基团和带电基团使得碳纳米管成功被分散,该模型中不同表面活性剂浓度下的表面活性剂姿态与临界胶束浓度关系密切,在较低浓度下在碳纳米管表面呈现平躺姿态,而在临界胶束浓度则呈现占有最小面积的直立姿态并且形成与表面活性剂分子链长度相同的表面活性剂胶束层。UV-vis结果与FT-IR结果和Zeta结果共同表明SDBS所带苯环与碳纳米管形成的π-π键的存在并且增加了吸附倾向从而增强了吸附效果,进一步证明了胶束吸附模型。
NOTES
*通讯作者。