(高清版)GBT 40568-2021 纳米技术 多壁碳纳米管的表征 介观形状因子

国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会 I Ⅱ 13术语、定义和缩略语 1 13.2缩略语 2 34.1球磨切割 34.2分散方法 34.3SEM样品制备 3 3 3 3 4 5附录A(规范性)第3章、附录B、附录C和附录D中术语和定义的公式 6附录B(资料性)黏度测量法 附录C(资料性)动态光散射和去极化动态光散射 附录D(资料性)测量实例与检测报告 GB/T40568—2021/ISO/TS本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件使用翻译法等同采用ISO/TS11888:2017《纳米技术多壁碳纳米管的表征介观形状工Ⅱ由化学气相沉积(CVD)制备的多壁碳纳米管(MWCNTs)可用于高分子复合材料、导电涂层等产业领域。在大多数情况下，用CVD制备的MWCNTs具有沿轴向随机分布的静态(持久)弯曲点。MWCNTs产品的物理化学性质主要取决于组成该产品的单根MWCNTs(见ISO/TS80004-3)的介观的最大直线长度，它给出了MWCNTs的介观形状和尺寸之间的关系。若两根MWCNTs长度相同但于估计达到导电性(渗流极限)的MWCNTs-高分子基体的负载量，并有助于模拟MWCNTs-高分子复在开展与碳纳米管相关的工作前，建议先详细了解碳纳米管的处理、处置方1纳米技术多壁碳纳米管的表征本文件描述了多壁碳纳米管(MWCNTs)介观形状因子的表征方法。所采用的表征技术包括扫描本文件借鉴高分子物理中的概念和数学表达式来定义MWCNTs的介观形状因子。 图1MWCNTs2图1MWCNTs在不同观测尺度下的形状(续)规则形状regularshape<MWCNTs>沿管轴具有规则图案的特性。随机形状randomshape<MWCNTs>静态或持久弯曲点沿管轴随机(高斯)分布的特性。静态弯曲持续长度staticbendingpersistencelength;SBPLl无静态弯曲的最大直线长度。L单根MWCNTs沿其轴向的总长度。加权平均轮廓长度weightedaveragecontourlength按权重分配的轮廓长度的平均值。端距end-to-enddistanceR单根MWCNTs两端之间的直线距离。弯曲比bendingratio均方端距与轮廓长度平方的比值。本征黏度intrinsicviscosity特性黏数用于描述单根MWCNTs对MWCNTs分散液黏度贡献的参数。3.2缩略语下列缩略语适用于本文件。3CVD:化学气相沉积(chemicalvapourdepoDLS:动态光散射(dynamiclightscattering)SBPL:静态弯曲持续长度(staticbenTEM:透射电子显微术(transmissionelectronmicroscopy)进将离心后的MWCNTs进行冷冻干燥处理24h后，用鼓风干燥箱在300℃下进行干燥处理30min取20mg研磨后的MWCNTs,用200mLDMF分散并在40W功率下超声3h。将MWCNTs分散液转移到50mL锥形离心管中，进行离心处理30min,离心速率为3000r/min。将分散液用滤纸4.3SEM样品制备真空抽滤。将附有MWCNTs的陶瓷过滤器在60℃下干燥24h。方法1(见)和方法3(见)宜按(4.1,4.2和4.3)的顺序操作。方法2(见)可用于各类合成MWCNTs样品的制备。高分辨SEM成像技术可在高放大倍率下对密排结构进行检测表征。SEM成像4GB/T40568—2021/ISO/TS11888:20少于3张SEM图像；在20000×放大倍率下，拍摄不少于3张代表性高分辨SEM图像。方法1射喷铱1min。若无铱源，可选用金或铂。在10000×放大倍率下，拍摄不少于3张SEM图像；在20000×放大倍率下，拍摄不少于3张代表性高分辨SEM图像。对于方法2(见),宜采用本制由几个侧视图构成三维图像后再测量轮廓长度和端距。从合成MWCNTs的SEM图像中，测量不少于100根MWCNTs的单根曲率半径，计算曲率半径将稀释后的MWCNTs/DMF分散液滴在碳膜上，在60℃下干燥24h。在10000×放大倍率下进行TEM成像，拍摄不少于3张1000000×至3000000×放大倍率的MWCNTs的TEM图像。选取不少于10根MWCNTs,沿其轴向至少选择3个不同位点，测量内径和外径，计算平均值。测量位点总数应不少于30个。a)样品制备方法的完整描述；b)平均内径和外径(m);d)SBPL值(m);e)用于评估SBPL的必要信息。6GB/T40568—2021/ISO/TS(规范性)A.1第3章中术语和定义的公式l《R²>=2lpL+2lsp(e-L/lsp—1)D。弯曲比D。由静态弯曲点的数目和其沿MWCNTs轴向的分布决定。D。表述为公式(A.2)[4,5,6].φ;=N:/N(每段i由N:个单元段N——在单根MWCNTs上单元段的总数目；N——在i方向段上单元段的数目；k=m+1,其中m为静态弯曲点的数目；7GB/T40568—2021/ISO/TS11θ——第(i+1)段方向和第i段轴向之间的静态弯曲角。当第i段和第(i+1)段相邻时，本征黏度intrinsicviscosity特性黏数用于描述单根MWCNTs对MWCNTs分散液黏度贡献的参数。f=[1+0.926△(D₀)¹2]-1<R²>=2lpL+2lp(e-L/lp—1)8GB/T40568—2021/ISO/TS表观持续长度apparentpersistencelength由动态光散射得到的单根MWCNTs持续长度的测量值。分散液中的单根MWCNTs受到热辐照时，整体尺寸和形状会发生改变。根据公式(A.9),表观持p——单根MWCNTs的石墨烯层的密度；D₁单根MWCNTs的平均内径。加权平均表观分子量weightedaverageapparentmolecuN——单根MWCNTs的个数；N——具有表观分子量的MWCNTs个数；相对黏度relativeviscosityηr相对黏度η.可由MWCNTs分散液通过毛细管黏度计的时间tMwcnr与不含MWCNTs的纯DMF9比黏度specificviscosity分散液黏度与所用溶剂黏度之比减1。GB/T40568—2021/ISO/TS(资料性)估算。如已知M和Lw,SBPL可由本征黏度的测量值进行估算。可用黏度计法对由5.1.2得到的用DMF清洗毛细管黏度计，重复洗3次。测量不含MWCNTs的纯DMF通过毛细管黏度计的时间。用DMF将MWCNTs分散液(根据4.2制备)进行稀释至含量(质量分数)为0.001%～0.005%,将稀释后的MWCNTs分散液倒入毛细管黏度用公式(A.12)和公式(A.13)计算MWCNTs分散液的相对黏度和比黏度。根据MWCNTs分散液的浓度将比黏度进行分区，绘制MWCNTs的浓度-比率曲线。用MWCNTs浓度外推为0时的比率确如果已知Mw和加权平均端距，由MWCNTs的本征黏度可通过公式(A.5)、公式(A.6)和公(资料性)C.1概述由动态光散射(DLS)和去极化动态光散射(DDLS)可测量MWCNTs的平动扩散系数和转动扩散系数。扩散系数可用表观持续长度lap、MWCNTs的平均外径D。和加权平均轮廓长度Lw进行估算。用DLS和DDLS测量MWCNTs的平动和转动扩散行为。用功率约为100mW的二极管泵浦固用最小延迟时间为480ns的256通道数字自相关器计算散射光子的时间自相关函数。在30°~90°之间的几个不同散射角度测量自相关函数。采用对DLS消光比均为1:100000的偏当温度处于278K~393K之间时，DLS样品池的温度变化应控制在不大于1K。平动扩散系数和转动扩散系数可由电场自相关平均衰减率第一累积量P获得。当入射光和检测器均处于垂直位置时，n——分散液折射率；0,——散射角；MWCNTs的个数。测量电场自相关函数平均衰减率的第一累积量P。当入射光和检测器均垂直时，当入射光垂直而检测器水平时，P可表示为THy。平动扩散系数Dr和转动扩散系数Dr可用公FHy=q²Dr+6Dr用DLS测得的SBPL代表分散液中MWCNTs的平均形状。计数(见)计数(见)轮廓长度/nm(资料性)用方法1测量SBPL的流程如图D.1所示。绘图(见绘图(见)曲0.6斜率=2lp图D.1用方法1测量SBPL的流程图出用于估算SBPL的测量方法。轮廓长度和弯曲比可视情况自选。因为SBPL的数量级具有物理意表D.1介观形状因子检测报告样品1SBPL(方法1)SBPL(方法2)SBPL(方法3)7×10¹~12×10¹2×10²~3×10²7×10²~1×10³弯曲比黏度进行了对比。由实验数据用公式(D.1)计算得到的本征黏度见图D.3。GB/T40568—2021/ISO/TS图D.3中的实线表示用公式(C.1)对表D.1中介观形状因子的计算结果。测得的MWCNTs本征黏度与计算结果一致。结果表明第4章的方法是正确的。43图D.3MWCNTs分散液的比黏度和本征黏度由图D.4可见，MWCNTs分散液的平动扩散系数与用公式(C.3)通过介观形状因子计算得到的值本研究也说明MWCNTs的整体尺寸(端距)随温度升高而减小可归因于静态弯曲点处的热波动。忽略热波动效应，用DLS测量估算的MWCNTs平均尺寸与用SEM图像(中方法1)得到的尺寸一致，在图D.4的整个温度区间误差在20%以内。本结果验证了第4章中方法的有效性。432图D.4MWCNTs分散液在不同温度时的平动扩散系数1]ISO9276-6Representationofresultsofparticlesizeanalysis—Part6:Dedquantitativerepresentationofparticlesha[3]ISO/TS80004-3Nanotechnologies—Vocab[4]LEEH.S.,YUNC.H.,KIMH.M.,LEEC.J.PersistenceLengthofMultNanotubeswithStaticBending.J.Phys.Chem.C.2007,111[5]LEEH.S.,&YUNC.H.TranslationalandNanotubeswithStaticBending.J.Phys.Chem.C.2008,112pp.[6]LEEH.S.,YUNC.H.,KIMS.K.,CHOIJ.H.,LEEdimensionalMultiwallCarbonNanotubeNetworks.Appl.Phys[7]POLANDC.A.,DUFFINR.,KINLOSEATONA.CarbonNanotubesIntroducedintothePathogenicityinaPilotStudy[8]POORTEMANM.,