碳纳米管的团聚体形态研究

碳纳米管的团聚体形态研究

0碳纳米管及其处理1991年，日本科学家在爱普劳发现了碳纳米管。由于碳纳米管之间较大的范德华引力、巨大的比表面积、非常高的长径比,一般情况下,碳纳米管以纠缠团聚体状态存在1碳纳米管的微观颗粒体图1为多壁碳纳米管的SEM微观形貌,可以看到单根碳纳米管为纤维状一维纳米材料,长径比很大;同时碳纳米管交结纠缠在一起,形成很大的团聚体。材料达到纳米尺度以后会表现出很多“纳米尺寸效应”,以零维的微观颗粒来讲,当颗粒尺寸达到纳米尺度以后,其团聚效应显著增加,团聚体内颗粒的相互吸引力也显著增大,分散难度变大。单根碳纳米管为一维纳米材料,必然同时表现出纳米尺度的强团聚效应和纤维状一维材料的交结纠缠现象。两种效应综合在一起,碳纳米管团聚体更加牢固,均匀分散更加困难。2碳纳米管微胶囊的表面预处理纳米粉体的分散方法主要包括物理分散法及化学分散法两大类。零维纳米颗粒团聚体的分散方法主要包括研磨、高能球磨、超声波处理、添加表面活性剂、多种方法综合处理等。对碳纳米管的分散方法也主要由这些方法发展而来,物理分散法主要有碾磨、球磨、超声波等;化学分散法主要有添加表面活性剂、强酸强碱洗涤等;另外还可采用原位合成法制备碳纳米管复合材料。2.1纳米复合粉体的制备方法高能球磨具有比研磨过程高的能量密度,是制备纳米复合粉体的常用方法2.2“三自”结构的应用于作龙等2.3常用手段及效果超声波处理以较高的能量密度成为分散纳米粉体的常用手段。多壁碳纳米管管壁上通常存在一些小洞样的缺陷,通过超声波能量,可以把碳纳米管从缺陷处震断,形成短纤维,然后分散于介质中2.4纳米管的分散强酸强碱处理就是通过强酸强碱的强氧化能力,把碳纳米管在缺陷处氧化溶断,然后将短的碳纳米管分散;同时是一个碳纳米管的纯化过程和共价功能化过程Tsang等将多壁碳纳米管在强酸中超声得到开口碳纳米管2.5溶解度的测定碳纳米管表面缺陷少、缺乏活性基团,在各种溶剂中的溶解度都很低。碳纳米管由片层结构的石墨组成,碳原子的sp赵丽萍以聚氨基甲酸乙酯为表面活性剂将碳纳米管分散于乙醇介质中2.6碳纳米管的生长原位生长合成法是结合碳纳米管制备工艺,尤其以化学气相沉积法为主,在基体材料表面原位生长出碳纳米管,甚至是定向排列的碳纳米管2.7表面活性剂的使用目前对于碳纳米管的分散工艺,都是多种分散方法综合协同使用,如强酸氧化加超声波处理、超声波处理的同时添加表面活性剂、球磨的同时添加表面活性剂等3碳纳米管分散状态碳纳米管为纳米尺度的纤维材料,同时具有纳米粉体的强团聚效应和纤维材料的纠缠粘结现象。各种效应叠加,碳纳米管团聚体吸附力更大,结合更加紧密,分散更加困难。因此,要得到均匀分散的碳纳米管必须同时满足3个条件:破坏长纤维纠缠粘结状态、克服团聚体强吸附力、稳定碳纳米管分散状态。碳纳米管壁上有很多缺陷,通过物理或化学作用可以从缺陷处断开碳纳米管,把碳纳米管剪短,从而去除长纤维纠缠粘结状态。选择合适的介质可以稳定碳纳米管分散状态。依据3个分散必要条件,以上几种分散方法都难以同时满足,所以分散效果都不是十分理想。机械搅拌与研磨只能使碳纳米管团聚体宏观地与基体粉体混合,对碳纳米管团聚体自身的分散无能为力;球磨可以碾断碳纳米管,分散碳纳米管团聚体,但也会使碳纳米管更加致密地粘结在一起,超声波处理同样有此特点;添加表面活性剂及酸碱洗涤的方法,可以使团聚体表面的絮状碳纳米管从团聚体上断开、分散,对于紧密缠结在一起的碳纳米管效果不显著。从3个分散必要条件出发,寻找一种简单有效的碳纳米管分散方法充满现实意义。笔者研究小组以此为基础,结合陶瓷材料成型工艺,发明了一种剪切挤出的分散方法,可以使碳纳米管均匀分散于陶瓷粉基体中4碳纳米管复合粉体的制备机理要发挥碳纳米管优异性能使其广泛应用,碳纳米管的均匀分散是首先要解决的关键性问题。碳纳米管为纤维状一维纳米材料,其团聚体除了具有纳米颗粒的强团聚效应外,还具有特有的缠结现象。本文综述了当前碳纳米管的分散方法,分析了碳纳米管的分散机理,认为均匀分散碳纳米管要同时满足打散团聚体、剪短碳纳米管、保持分散状态等条件。剪切挤出分散方法可以较好地满足这3个条件,制备出均匀分散的碳纳米管复合粉体。目前,对碳纳米管的分散方法