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1、 毕 业 设 计（论文）题 目：碳纳米管表面二氧化硅的自组装技术研究 教 学 院： 化学与材料工程学院 专业名称： 无机非金属材料工程 学 号： 201040840129 学生姓名： 童 凯 指导教师： 刘爱红 2014年 5月 15 日毕业设计（论文）学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学院有关保障、使用学位论文的规定，同意学院保留并向
2、有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 摘要 碳纳米管由于具有独特的电学、光学和机械特性，在物理、化学、信息技术、环境科学、航空航天技术、材料科学、能源技术、生命及医药科学等领域具有广泛的应用前景。纳米二氧化硅是一种无毒无污染的无定型粉末，已经广泛应用于触变剂、热绝缘体、给药载体
3、、染料等领域。CNTs/SiO2纳米复合材料希望发展成一种具有优异属性的纳米材料。碳纳米管二氧化硅复合材料在光催化、催化以及生物医学传感器领域具有重要的意义。实验目的是为了提高碳纳米管的生物相容性，降低碳纳米管毒性。先用二氧化硅对CNTs进行包覆改性，再用硅烷偶联剂对其进行表面处理改性。这种可以提高碳纳米管与基体聚合物相容性的方法称为改性共沉淀法。自组装是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。本次试验用偶联剂自组装制备碳纳米管二氧化硅复合材料。通过X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜（TEM）等对制备好的CNTs/SiO2复合材料进行表征,结果表明
4、碳纳米管被二氧化硅包覆均匀，团聚较少。关键词：碳纳米管； 二氧化硅； 硅烷偶联剂；自组装； 改性共沉淀 AbstractSince carbon nanotubes have unique electrical, optical and mechanical properties, the application prospects of carbon nanotubes in physics, chemistry, information technology, environmental science, aerospace technology, materials science, e
5、nergy technology, life and medical sciences is broad . With Nano-silica is a non-toxic and pollution-free amorphous powder, silica has been widely used in the field of thixotropic agents, heat insulators, vehicle administration, dyes, etc. CNTs/SiO2 nanocomposites was been hoped to develop into a na
6、no-materials with excellent properties. Silica nanotube composite material having photocatalytic important catalytic domain and biomedical sensors.The purpose was to improve the biocompatibility of carbon nanotubes, carbon nanotubes reduced toxicity. First with silica-coated CNTs be modified, then i
7、ts coupling surface treatment modification. This can improve the compatibility of carbon nanotubes and the polymer matrix method called modified co-precipitation method. Self-assembly is the basic structural unit (molecules, nano-materials, substances microns or larger scales) the spontaneous format
8、ion of an ordered structure technology. The test was prepared by coupling the self-assembly of silica nanotube composites. By X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), that the prepared CNTs/SiO2 composites were characterized results show uniformly coated with silica and le
9、ss agglomeration.Key words: carbon nanotubes; silica; silane coupling agent; self-assembly; modification of precipitationI目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1引言11.2 碳纳米管及其复合材料21.2.1 碳纳米管的结构21.2.2碳纳米管的制备31.2.3 碳纳米管复合材料41.3 碳纳米管自组装研究及进展41.4本文的研究目的、意义及内容61.4.1本文的研究目的、意义61.4.2 研究内容71.4.3 技术路线7第二章 多壁碳纳米管在表面活性剂水溶液中分
10、散性的研究102.1 前言102.2 实验部分102.2.1 实验材料102.2.2 实验仪器102.2.3 实验步骤102.3 实验结果分析112.4 本章小结18第三章 碳纳米管表面二氧化硅的自组装技术研究193.1 前言193.2 实验部分193.2.1 实验材料193.2.2 实验仪器203.2.3 实验步骤203.3 实验结果分析213.3.1 XRD分析223.3.2 TEM分析223.4 本章小结24第四章 结论与展望254.1结论254.2 不足之处254.3 展望25参考文献26致 谢28第一章 绪论自1991年碳纳米管被日本科学家饭岛1发现以来，对于碳纳米管的相关研究越来越
11、受大家关注。在碳纳米管的合成，结构性能以及应用都开展了广泛的研究。目前各个国家对于碳纳米管的研究进展很快，在制备和应用方面都取得了突破性的进展。另外在纳米复合材料以及纳米管化学方面，利用纳米管的结构性能制备高性能的纳米复合材料备受关注。碳纳米管优异的性能很多，例如良好的导电性、导热性、力学性能好、储氢性能好、吸波性能好、光学磁学性能好、耐腐蚀和自润滑性等，这些优异的特性使其在复合材料、纳米电子器件、储氢材料、催化等方面有着巨大的应用潜力2。我们的生活会因此获得巨大的革新。1.1引言碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管，因其优异的力学性
12、能和电性能，可用于增强高分子材料，并有较好的导电性能1。目前很多试验表明，碳纳米管可以作为增强相能提高复合材料的力学、电学和热学等性能，在纳米复合材料制备方面展示了乐观的应用前景。碳纳米管良好的力学性能可以极大地提高复合材料的强度和韧性；电学和光学性能的独特性可以改善聚合物材料的电导率和用来制备新型光电聚合物复合材料；其结构的独特性可以制备出金属或金属氧化物填充或包覆的纳米复合材料。首先，碳纳米管之间存在很强的范德华力，极易产生缠绕团聚，使其在复合材料中很难分散；其次，碳纳米管是单个的碳原子通过SP3和SP2杂化组成，化学活性比较低，在复合材料的制备时很难与基体有效的结合；并且碳纳米管很难与基
13、体实现有效的承载及转换和形成有效的界面结合。所以用碳纳米管提高复合材料的性能特别在力学性能方面还并未达到理想的效果，而通过对碳纳米管进行有效的表面修饰，可以将其分散性能很好地改善，提高它与基体材料之间的复合相溶性和增强它们之间的相互作用，使复合材料之间能够实现有效的承载和结合，从而提高碳纳米管复合材料的性能。碳纳米管具有很高的比表面积和电导率，在复合材料中的作为理想的导电填充物。易于加工成型是碳纳米管制备复合材料的最大优点。自组装技术指分子自发地（在氢键、静电、亲疏水作用范德华力等弱力推动下)构筑具有特殊结构和形状的稳定集合体的过程它是以分子尺度材料作为组元去构建纳米功能尺度器件的制备方法,利
14、用自组装技术能够构建出可规模化生产应用的具有特殊功能的分子器件。通过分子自组装，碳纳米管可结合成具有不同功能的碳纳米管复合材料。从而可进一步设计成具有特殊结构和功能的纳米材料，在医学、组织工程及生物材料等方面有着巨大的应用潜力。利用自组装技术实现碳纳米管的有序排列对碳纳米管的应用开发有重大意义。通过自组装制备的各种碳纳米管器件可以被广泛地应用于碳纳米管的关电器件、存储器件以及其他各种新型纳米器件。1.2 碳纳米管及其复合材料碳纳米管是由石墨原子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物。其直径一般在一到几十个纳米之间，长度则远大于其直径,属于碳同位素异构体家族中的一个新成员,
15、是理想的一维量子材料。多壁碳纳米管是由若干层空心管组成，但径向尺寸仍然在纳米级。碳纳米管的侧壁的碳六元环结构，它是非常稳定的，在同一时间，有一个自由的P电子，因此，正电荷有一定的吸引力。由于两端的富勒烯结构是很稳定的，但是，与相对的侧壁，更容易断开。在一般情况下，碳纳米管在机械，电气，光学，磁学方面有出色表现。将金属、氧化物等物质填充在碳纳米管中，可以把碳纳米管作为模具。首先将碳纳米管用金属等物质来灌满，然再腐蚀掉碳层，这样就可以得到最细的纳米尺度导线，或是全新的一维材料，可以应用到未来的纳米电子学器和分子电子学器。纳米尺度导线也可以通过纳米管本身得到。在硅芯片上应用碳纳米管或者相关技术设备的
16、微型导线可以生成出更加复杂的电路。物理学家研究毛细现象机理所用的最细毛线管也是碳纳米管，同时其也为化学家提供了最细的试管来进行纳米化学反应。碳纳米管在电流中的摆动频率可以由碳纳米管上极小的微粒引起，在这一点的基础上，精度在10-17kg的“纳米秤”由此产生，是由巴西和美国的科学家发明的，能够精确到单个病毒的质量。之后，能称量单个原子的“纳米秤”也由德国科学家发明。1.2.1 碳纳米管的结构图1-1为碳纳米管的结构。微观下观察，碳纳米管是由单层或多层石墨弯卷而成的圆管，其两端由五元环或六元环封合形成碳棒。跟据石墨层数构成的不同，碳纳米管可被分为单壁碳纳米管(Single-Walled Carbo
17、n Nanotubes , SWNTs) 和多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs)。单壁碳纳米管是由单层石墨弯卷而成的网状的圆管，是结构很好的单分子材料。其突出直径在1.2-1.4nm间，最小直径为0.4nm，而长度可以达到几厘米长，长径比高达 104105，可想而知其可看作是一条纳米线。单壁碳纳米管很多时候存在形式是以笔直或弹性弯曲的单根结构或者管束结构存在的，其在1993年被发现，比多壁碳纳米管晚2年。多壁碳纳米管可看作由两层或多层石墨同轴套构形成，各石墨层间以范德华力结合，且距离为3.4。多壁碳纳米管的直径很多时候在2nm以上，有的时候甚
18、至可以长达数百纳米2。碳纳米管的发现，给我们今天的生活带来了前所未有的革新。图 1-1 碳纳米管的结构1.2.2碳纳米管的制备碳纳米管的制备方法很多，例如石墨电弧法、热解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉积法等3。在这些方法中，电弧放电、激光蒸发和化学气相沉积是碳纳米管的主要制备方法。碳纳米管在各个领域中的应用已引起各国科学家的普遍关注。常应用于高强度纤维材料、单分子发光元件、储氢材料、吸波材料、场发射器件材料。碳纳米管作为一种新兴材料，这种准一维纳米材料将真正的融入人们生活，带来一场巨大的生活方式变革。对碳纳米管的表面修饰改性有许多方法，如机械修饰，外膜修饰，高能表面修饰，以及化学修饰。
19、其中化学修饰最为常用，强酸和强氧化剂使用较多，反应原理类似于CNTs的纯化，生成的氧化基团除了少量的酮、醇和酯外，绝大多数为-CO-OH。但是该法的最大缺点就是CNTs的管壁受到较多的破坏，像管壁开口、破裂等。然而，碳纳米管优越的力学性能是基于其结构完整性的基础上的，其框架结构的破坏就意味着力学性能的下降。1.2.3 碳纳米管复合材料利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如，用碳纳米管增强的塑料力学性能、导电性能、耐腐蚀性能和屏蔽无线电波的性能。以水泥为基体的碳纳米管复合材料有耐冲击好、防静电、耐磨损、稳定性高等优点，且不容易影响环境。掺杂碳纳米管的陶瓷复合材料强度高，抗冲击性
20、良好。由于碳纳米管上有五元环的缺陷，其增强了反应活性，在高温下，和其他物质接触时，碳纳米管在端面处容易打开，形成一个管子，金属容易浸润，作用后形成金属基复合材料。这种新材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。 用电沉积方法制备锌基碳纳米管复合材料时，碳纳米管表面会形成均匀连续的金属锌薄膜，表现出与其它金属基复合的电镀材料不同的界面特征，说明其与锌有良好的界面结合。在锌/碳纳米管复合材料的拉伸断口中，由于存在碳纳米管，复合薄膜的维氏硬度得到大幅度提高，这可以说明金属基碳纳米管复合材料强化作用得到增强。采用无压渗透法制备的铝/碳纳米管复合材料，其碳纳米管均匀地分散在复合材料中，并
21、且与铝界面结合良好；加入碳纳米管增大了复合材料的硬度，而且其摩擦系数和磨损率会随着碳纳米管体积分数成反比。其实碳纳米管本身有自润滑和增强的特点，加入碳纳米管更加地改善金属复合材料的摩擦性能。强酸氧化法对于多壁碳纳米管来说，就是对碳管起到纯化作用，使碳纳米管很好的分散。乳液聚合法制备的碳纳米管/聚苯乙烯复合材料，与纯聚合物相比，加入碳纳米管可以使复合材料熔体呈现出由类液体粘弹行为转变为类固体粘弹行为的特点。1.3 碳纳米管自组装研究及进展自组装（self-assembly），是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。目前关于碳纳米管的自组装研究还主要集中
22、在自组装体的制备和性能方面，而对碳纳米管自组装过程的形成机制研究得不够深入。此外，碳纳米管自组装分子器件离大规模的实际应用还有很多工作要做，尤其是在器件的可靠性、重复性和成本等方面。 化学吸附自组装是指通过共价键、离子键、配位建等为驱动的自组装。Liu等4首次报道了功能化碳纳米管的自组装过程。他们先利用硫醇修饰带有羧基的碳纳米管，然后利用硫醇与金纳米粒子之间的相互作用实现了金纳米粒子在碳纳米管表面的自组装。静电自组装可以对沉积过程或膜结构进行分子级控制，对成膜的厚度可控，并且对基体形态没有限制。近年来利用静电自组装法制备纳米复合膜发展越来越迅速。Mamedov等5通过将基质交替的浸入到酸化后单
23、壁碳纳米管的悬浮液和聚合物电解质(聚酰亚胺聚丙烯酸)溶液中,通过碳纳米管的羧酸端基与聚合物电解质的相互作用制备了碳纳米管/聚电解质的多层膜。模板自组装是一种十分有效的可得到理想结构的方法，由于选定的模板与纳米颗粒之间具有指导识别作用，组装过程更加完善。Correa等6将磁性纳米粒子吸附在碳纳米管表面使其具有超顺磁性，室温低磁场强度下，碳纳米管沿着磁场方向排列。以碳纳米管为模板，将带有相反电荷的聚电解质包覆在碳纳米管表面，然后把带负电荷的纳米棒首位相接排列在碳纳米管表面。Velasco等7利用羧基之间的氢键作用实现了羧酸化碳纳米管在聚苯乙烯乳液微球表面的自组装。通过调节体系的pH还可以实现羧酸化
24、碳纳米管与其他物质的自组装。国内基本上是从事生物医学、环保方面、光电材料、工程材料的研究，纳米荧光材料和纳米涂料方面碳纳米管复合材料也出现了很多研究。华东交通大学的杨邵明等8采用的是层层自组装的方法制备碳纳米管/酶多层膜电极及其检测酚类物质，将十二烷基磺酸钠(SDS)分散的碳纳米管(CNT)和辣根过氧化物酶(HRP)通过层层自组装方法构筑HRP多层膜酶电极,并将其用于酚类物质的分析检测研究，研究结果表明该HRP电极对酚类物质(邻苯二酚、对苯二酚和苯酚)的分析检测具有宽的线性范围、好的灵敏度和抗干扰性。长江师范学院的刘艳等9基于层层自组装技术制备石墨烯/多壁碳纳米管共修饰的过氧化氢传感器的研究，
25、利用阳离子型聚合物聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和功能化的带负电荷的多壁碳纳米管(MWNTs)及石墨烯(GR)之间的静电吸附,通过层层自组装的方法在玻碳电极的表面制备了均一、稳定的(PDDA/GR/PDDA/MWNTs)5多层膜。南开大学的陈丽丽等10利用层层自组装技术制备PDDA-多壁碳纳米管-胆碱生物传感器。西北工业大学林香萍等11利用离子液体合成出的碳纳米管/金属复合材料、碳纳米管/纤维素复合材料、碳纳米管/聚合物复合材料，与传统的溶剂相比，离子液体作为一种新型的绿色环保溶剂及优良电解质，在碳纳米管复合材料制备中得到了广泛的应用。陕西科技大学的刘海腾等12用原位法制备碳纳米管/纳米S
26、iO2改性丙烯酸树脂乳液用于皮革涂料，采用原位乳液聚合法制备了MWCNTs/SiO2-KH570改性的丙烯酸树脂乳液，以乳液的凝胶率、单体转化率以及膜的力学性能、耐水性等性能为考察指标,探讨了引发剂用量、反应温度、乳化剂用量以及MWCNTs/SiO2-KH570用量对乳液及膜性能的影响，并通过FT-IR，TGA，TEM，DLS等手段对乳液及膜进行了表征。华东理工大学的张玲等13用表面复合纳米SiO2和碳纳米管玻璃纤维增强尼龙6的结构与性能，利用静电相互作用在玻璃纤维(GF)表面分别复合纳米二氧化硅(SiO2)和多壁碳纳米管(MWNTs),制备了GF-SiO2、GF-MWNTs复合增强体,并通过
27、转矩流变仪制备了尼龙6(PA6)/GF-SiO2和尼龙6(PA6)/GF-MWNTs复合材料。桂林电子科技大学的马传国等14用均匀沉淀法制备碳纳米管/氧化锌复合材料，采用均匀沉淀法制备了碳纳米管(CNTs)负载氧化锌(ZnO)粒子复合材料,并利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)以及热失重分析(TGA)手段对复合粒子进行了表征。福建工程学院的曾婵等15用纳米金及纳米TiO2团簇SiO2纳米壳制备碳纳米管/二氧化硅凝胶玻璃。1.4本文的研究目的、意义及内容1.4.1本文的研究目的、意义未来碳纳米管的自组装研究会加深对其形成机制方面的研究，实现碳纳米管自组装分子器件大规模实际应用，
28、提高自组装器件的可靠性，减少重复性，降低生产成本方面发展。研究方法由化学吸附自组装、静电自组装、模板自组装静电力及氢亲水、疏水相互作用向DNA操纵下的自组装发展。实验目的是为了提高碳纳米管的生物相容性，降低碳纳米管毒性。先用二氧化硅对CNTs进行包覆改性，再用偶联剂对其进行表面处理改性，可以提高与基体聚合物的相容性。随着研究的不断深入,人们对碳纳米管的认识不断丰富和加深,研究逐渐集中到具有功能性质的碳纳米管复合材料方面。碳纳米管二氧化硅复合材料它对于设计、合成新的理想的应用于光催化、催化，以及生物医学传感器领域的碳纳米管复合材料具有重要意义。大多人采用的是溶胶凝胶法，优点很多，但需要高温加热和
29、保护气氛，对于一般大学实验室来说实验条件难以跟上。所以我才用了偶联剂自组装法来研究制备碳纳米管二氧化硅复合材料。综上所述，研究碳纳米管表面二氧化硅自组装技术研究对碳纳米管二氧化硅复合材的研究有非常重要的意义。1.4.2 研究内容为了使多壁碳纳米管能在水溶液中均匀分散，符合本次实验的要求。本文研究不同浓度的十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵等阴阳离子分散剂对多壁碳纳米管在水中分散行为的影响。本实验以超声震荡为辅，通过不同浓度的十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵对多壁碳纳米管进行分散，采用激光粒度分析仪测量多壁碳纳米管的平均粒径和沉降行为来判断分散性。最后选
30、择一种分散剂加入到碳纳米管二氧化硅复合材料的制备中。通过使用偶联剂自组装的方法，将纳米二氧化硅包覆在碳纳米管表面。首先是制备纳米二氧化硅粉体。正硅酸乙酯在无水乙醇的水溶液中，用氨水做催化剂，硅醇盐水解缩合形成二氧化硅纳米粉体。原始碳纳米管加入分散剂充分分散后，然后加入硅烷偶联剂。利用硅烷偶联剂的表面改性，把二氧化硅复合到碳纳米管表面，形成碳纳米管二氧化硅复合粉体。通过TEM，XRD等对碳纳米管二氧化硅复合材料表征，对制备好的碳纳米管复合材料做形貌分析和物相分析。通过一系列分析，确定是否成功制备碳纳米管二氧化硅复合材料。通过一系列的研究，确定自组装方法是否合理。1.4.3 技术路线图1-2为碳纳
31、米管分散的流程图，基于这个流程图来进行碳纳米管的分散实验。加入不同的表面活性剂做分散剂，研究碳纳米管在不同表面活性剂下的分散情况。对制备好的碳纳米管溶液分两部分操作，一部分静置观察沉降，另一部分做粒径分析。然后在这几种阴阳离子表面活性剂中选取最合适的加入到碳纳米管二氧化硅自组装试验中。图1-2 碳纳米管分散流程图图1-3是碳纳米管二氧化硅复合材料的制备工艺流程图，基于这个流程图进行碳纳米管二氧化硅复合材料的自组装研究。通过这个改性共沉淀制备纳米二氧化硅粉体。使用偶联剂自组装来制备碳纳米管二氧化硅复合粉体。然后在XRD和TEM中对制备好的复合粉体进行表征。XRD是做复合材料的物相分析，TEM是做
32、复合材料的形貌分析。通过上述表征手段，判断实验是否成功。图1-3 碳纳米管二氧化硅复合流程图第二章 多壁碳纳米管在表面活性剂水溶液中分散性的研究2.1 前言实验通过激光粒度仪测定多壁碳纳米管在表面活性剂SDS下平均粒径和沉降行为比较分散效果。以超声振荡为辅，研究阴离子表面活性剂SDBS对多壁碳纳米管分散性的影响。实验通过激光粒度仪来测定不同情况下多壁碳纳米管的平均粒径来区别分散效果，因为处于团聚或缠绕状态下的多壁碳纳米管的平均粒径非常大，而处于分散状态下的多壁碳纳米管的平均粒径小，且不同分散情况下，其平均粒径也不相同，平均粒径越小，则分散越均匀；同时记录不同分散情况下在保存一段时间后的分散情况
33、，来验证由平均粒径大小分散情况。通过激光粒度仪测定多壁碳纳米管在表面活性剂CTAB下平均粒径和沉降行为比较分散效果。2.2 实验部分2.2.1 实验材料表1 实验所用主要原料样品名生产厂家纯度用途说明多壁碳纳米管南京市先丰纳米公司95%/十二烷基磺酸钠SDSBIOSHARP公司95%分散剂十二烷基苯磺酸钠SDBS天津市凯通化学试剂有限公司95%分散剂十六烷基三甲基溴化铵CTABBIOSHARP公司 99.0%分散剂2.2.2 实验仪器电子天平，型号为FA2204B；超声清洗仪1；马尔文激光粒度仪，马尔文仪器（中国）生产，型号为Zetasizer nano zs,测量粒径范围0.3nm10m2.
34、2.3 实验步骤用电子天平称量0g, 0.01g, 0.02g, 0.04g, 0.06g, 0.08g固体SDS于烧杯中，加入少量蒸馏水溶解，再倒入100mL容量瓶中，加水至100mL，配制0g/L, 0.1g/L, 0.2g/L, 0.4g/L, 0.6g/L, 0.8g/L 6个浓度100ml SDS溶液，并标上标签。量取30ml 6个浓度SDS溶液于烧杯中，并按浓度从小到大依次标上1, 2, 3, 4, 5, 6六个号码，称取3mg多壁碳纳米管分别溶解于不同浓度的烧杯中，超声4小时。量取上层清液1ml于烧杯中，稀释30倍，根据马尔文激光粒度仪测定不同浓度下多壁碳纳米管的平均粒径，并倒出
35、10ml溶液于试管中，观察其溶液沉降行为，分析不同浓度SDS对多壁碳纳米管分散性的影响。用电子天平称量0g, 0.01g, 0.02g, 0.04g, 0.06g, 0.08g固体SDBS于烧杯中，加入少量蒸馏水溶解，再倒入100mL容量瓶中，加水至100mL，配制0g/L, 0.1g/L, 0.2g/L, 0.4g/L, 0.6g/L, 0.8g/L 6个浓度SDBS溶液，并贴上标签。量取30ml 6个浓度SDBS溶液于烧杯中，并按浓度从小到大依次标上1, 2, 3, 4, 5, 6六个号码，称取3mg多壁碳纳米管分别溶解于不同浓度的烧杯中，超声0.5小时。量取上层清液1ml于烧杯中，稀释4
36、0倍，根据马尔文激光粒度仪测定不同浓度下多壁碳纳米管的平均粒径，并观察其溶液，分析不同浓度SDBS对多壁碳纳米管分散性的影响。配制上述SDBS最佳分散浓度溶液，量取40ml于烧杯中，超声0.5h, 1h, 2h, 4h, 6h 5个不同时间，并在不同时间量取上层清液1ml于烧杯中，稀释30倍。根据马尔文激光粒度仪测定其平均粒径，分析超声不同时间对碳纳米管分散性的影响。用电子天平称量0.05g, 0.10g, 0.15g, 0.20g, 0.25g固体CTAB于烧杯中，加入少量蒸馏水溶解，再倒入100mL容量瓶中，加水至100mL，配制0, 0.5g/L, 1.0g/L, 1.5g/L, 2.0
37、g/L, 2.5g/L 6个浓度100mlCTAB溶液，并标上标签。量取30ml 5个浓度CTAB溶液于烧杯中，并按浓度从小到大依次标上1, 2, 3, 4, 5, 6六个号码，称取3mg多壁碳纳米管分别溶解于不同浓度的烧杯中，超声4h。量取上层清液1ml于烧杯中，稀释30倍。根据马尔文激光粒度仪测定不同浓度下多壁碳纳米管的平均粒径，并倒出10ml溶液于试管中，观察其溶液沉降行为，分析不同浓度CTAB对多壁碳纳米管分散性的影响。2.3 实验结果分析本实验为0g/L, 0.1g/L, 0.2g/L, 0.4g/L, 0.6g/L, 0.8g/L 6个不同浓度SDS对多壁碳纳米管分散性影响。不同浓
38、度SDS对多壁碳纳米管分散效果会不同。图2-1为SDS在0g/L, 0.1g/L, 0.2g/L, 0.4g/L, 0.6g/L, 0.8g/L 6个不同浓度下超声震荡4h后，多壁碳纳米管平均粒径（0g/L多壁碳纳米管平均粒径为2317nm）。从图2-1可以得出，阴离子表面活性剂SDS在不同浓度下，多壁碳纳米管在水中超声4h平均粒径先随SDS浓度增加而减小，后随浓度增加而增大。当SDS浓度为0.2g/L时，碳纳米管平均粒径最小，即是多壁碳纳米管分散效果最好。图2-1 SDS在不同浓度下多壁碳纳米管平均粒径图2-2 不同浓度SDS对多壁碳纳米管当天分散图片图2-2通过图2-1得出，在SDS作为表
39、面活性剂时，浓度为0.2g/L分散效果最好，与通过测定多壁碳纳米管平均粒径结果一致。因此，当SDS为多壁碳纳米管的表面活性剂时，最佳浓度为0.2g/L。本实验主要是通过对阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠SDBS在0g/L, 0.1g/L, 0.2g/L, 0.4g/L, 0.6g/L, 0.8g/L六个不同浓度下多壁碳纳米管在超声振荡0.5小时下分散情况，找出SDBS对其分散最适浓度。表2-3为SDBS不同浓度下超声0.5小时，多壁碳纳米管在水中分散现象，从表中可以看出以SDBS为表面活性剂时，不同浓度对多壁碳纳米管分散性不同；溶液颜色随浓度增加，先由浅变深，后由深变浅；底部沉淀物也随浓度增加
40、，先由多变少，后由少变多，通过实验现象比较，SDBS在浓度为0.4g/L时，多壁碳纳米管分散最佳。表 2-3 不同浓度SDBS对多壁碳纳米管分散现象浓度（g/L）00.10.20.40.60.8超声0.5h，不同浓度SDBS溶液现象溶液颜色透明，表面有一层很厚的油膜，溶液中有少量团聚大颗粒黑色物质，底部有很多未分散碳纳米管溶液颜色为浅黑色，表面有很小面积的黑色膜，溶液中碳纳米管均匀分散，底部有部分未分散碳纳米管溶液呈黑色，表面有少量黑色膜，溶液中碳纳米管均匀分散，底部有少量分散未分散碳纳米管溶液呈黑色，颜色很深，溶液中碳纳米管均匀分散，底部微量未分散碳纳米管溶液呈浅黑色，底部有部分未溶解的碳纳
41、米管溶液呈浅黑色，底部有较多未分散的碳纳米管图2-4 SDBS在不同浓度下多壁碳纳米管平均粒径图2-4为0g/L, 0.1g/L, 0.2g/L, 0.4g/L, 0.6g/L, 0.8g/L SDBS五个不同浓度下多壁碳纳米管在超声振荡0.5h下多壁碳纳米管平均粒径，通过图可以看出，平均粒径随SDBS浓度增加先减小后增大，并且在浓度为0.4g/L时平均粒径最小，平均粒径越小说明分散效果越好，则当SDBS浓度为0.4g/L，分散效果最好，与观察现象所得结果一致。因此，不同浓度SDBS对多壁碳纳米管分散中，浓度为0.4g/L分散效果最佳。图2-5是浓度为0.4g/L SDBS溶液超声0.5h,
42、1h, 2h, 4h, 6h五个不同时间点测量多壁碳纳米管平均粒径。从图2-5中可以看出超声时间可以改变多壁碳纳米管在水中分散性，并且超声时间越长，多壁碳纳米管粒径越小，即分散效果越好。其原因是利用超声波能量，产生超声波气泡，在超声情况下周期性地产生正压和负压，当处于负压时，气泡长大；当处于正压时，气泡破碎，局部产生较大能量，这些气泡分散在多壁碳纳米管周围，破裂瞬间产生能量将多壁碳纳米管振开或剪断，并将碳纳米管分散在溶液中，达到分散效果。这个实验表明：超声震荡对多壁碳纳米管分散有影响，且随着超声时间越长，多壁碳纳米管分散越均匀。图2-5不同超声时间对多壁碳纳米管分散平均粒径本实验为0, 0.5
43、g/L, 1.0g/L, 1.5g/L, 2.0g/L, 2.5g/L 6个浓度阳离子表面活性剂CTAB对多壁碳纳米管分散性的影响。图2-6为0.5g/L, 1.0g/L, 1.5g/L, 2.0g/L, 2.5g/L 5个不同浓度CTAB下超声震荡4h，碳纳米管平均粒径（0g/L多壁碳纳米管平均粒径为2317nm）。从图2-6中可以看出以CTAB为表面活性剂时，不同浓度对多壁碳纳米管分散性不同。其分散效果随CTAB浓度增加先减后增，然后再减后增；但前一个最小值比后一个最小值小，则前一个最小值时的浓度分散性最好，即当CTAB浓度为0.5g/L时，多壁碳纳米管分散效果最好。图2-6 不同浓度CT
44、AB下碳纳米管平均粒径图2-7为 从该图中可以看出，CTAB浓度为0.5g/L时，多壁碳纳米管保存效果最好。图2-7 不同浓度CTAB对多壁碳纳米管当天分散图片图2-8 SDS最佳浓度（0.2g/L）超声4h后多壁碳纳米管粒径分布。当SDS浓度为0.2g/L，多壁碳纳米管(MWNTs)质量为3mg时，质量比MWNTs:SDS=1:2，此时多壁碳纳米管分散效果最佳。图2-8 SDS最佳浓度（0.2g/L）多壁碳纳米管粒径分布图2-9为SDBS最佳浓度（0.4g/L）超声4h后多壁碳纳米管粒径分布。当SDBS浓度为0.4g/L，多壁碳纳米管(MWNTs)质量为3mg时，质量比MWNTs:SDBS=
45、1:4，此时多壁碳纳米管分散效果最佳。图2-9 SDBS最佳浓度0.4g/L多壁碳纳米管粒径分布图2-10 CTAB浓度为0.5g/L超声震荡4h时后多壁碳纳米管粒径分布。当CTAB浓度为0.5g/L,多壁碳纳米管(MWNTs)质量为3mg时，质量比MWNTs:CTAB=1:5，此时多壁碳纳米管分散效果最佳。图2-10 CTAB最佳浓度0.5g/L多壁碳纳米管粒径分布本次试验用到的分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵。十二烷基磺酸钠SDS，其分子式为C12H25SO3Na ，属于一种阴离子表面活性剂，亲水基为磺酸根，疏水基为烷基链。SDS对多壁碳纳米管分散的原理：烷基
46、链包裹多壁碳纳米管，亲水基磺酸根增加负电量，增加静电斥力，达到分散效果。十二烷基苯磺酸钠SDBS，分子式:C18H29NaO3S，属于一种阴离子表面活性剂，亲水基为苯磺酸根，疏水基为烷基链。SDBS对多壁碳纳米管分散的原理：该表面活性剂通过一端疏水烷基链会吸附多壁碳纳米管表面规则排列，形成层状或特定形状，减小多壁碳纳米管之间表面张力，防止其发生缠绕或团聚；同时其另一端具有苯环，增加吸附多壁碳纳米管极性，使多壁碳纳米管亲水，更易均匀分散在水中。十六烷基三甲基溴化铵CTAB，分子式 C19H42BrN，属于一种阳离子表面活性剂。CTAB对多壁碳纳米管分散的原理：多壁碳纳米管由片层石墨卷成圆柱状，碳原子sp2杂化形成高度离域化的电子，则碳纳米管荷负电，这样阳离子表面活性剂会与带负电碳纳米管形成静电层，使表面活性剂能够附着或包裹在碳纳米管上，克服碳纳米管之间范德华力，从而使碳纳米管能均匀分散在水中。CTAB较长的烷基链伸向水中，形成空间位阻，降低碳纳米管的粘度。2.4 本章小结通过粒径和沉降行为得出，不同浓度SDS中，浓度为0.2g/L对多壁碳纳米管分散性最好；在不同浓度SDBS中，浓度为0.4g/L对多壁碳纳米管分散性最好；不同浓度CTAB中，浓度为0.5g/L对多壁碳纳米管分散性最好。超声振荡对多壁碳纳米管分散性有影响，且超声振荡时间越长，多壁碳纳米管分散效果越好。
