在現(xiàn)代材料科學(xué)領(lǐng)域，碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）因其卓越的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能而備受關(guān)注，其在復(fù)合材料中的應(yīng)用研究一直是熱點(diǎn)話題。之前已經(jīng)分享了關(guān)于碳納米管導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備研究進(jìn)展，探討了通過(guò)多種方法構(gòu)建高效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，以充分發(fā)揮碳納米管在熱管理材料中的潛力。然而，碳納米管的應(yīng)用效果在很大程度上依賴于其在基體中的分散性。本期文章將進(jìn)一步探討碳納米管粉體的液相分散方法和機(jī)制，了解如何通過(guò)物理、化學(xué)和機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)其均勻分散。這一研究方向不僅能夠解決碳納米管在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題，還能為開(kāi)發(fā)高性能復(fù)合材料提供重要的理論和實(shí)踐支持，進(jìn)一步拓展碳納米管在電子、能源和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

然而，碳納米管的應(yīng)用也面臨著一些挑戰(zhàn)。由于其具有較大的比表面積和較少的表面缺陷，且六邊形的構(gòu)造使碳原子之間通過(guò)sp2雜化軌道形成大量高度離域化的π電子，相鄰的CNTs在π-π堆積作用下容易相互吸引并團(tuán)聚，難以分散，呈現(xiàn)出物理和化學(xué)惰性。這種特性限制了碳納米管在實(shí)際應(yīng)用中的性能發(fā)揮。因此，需要通過(guò)額外的強(qiáng)酸處理或添加分散劑來(lái)提高碳納米管的表面粗糙程度，并引入活性官能團(tuán)，從而改善其分散性。

近年來(lái)，許多研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種方法來(lái)修飾碳納米管的表面，以改變其性能并拓展其應(yīng)用范圍。目前，碳納米管的分散技術(shù)主要有三種：一是機(jī)械分散法；二是表面化學(xué)共價(jià)修飾分散法；三是表面活性劑的非共價(jià)修飾分散法。

（1）超聲分散法

原理：利用超聲波的機(jī)械振動(dòng)和空化效應(yīng)，在CNTs分散液中產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部沖擊力，從而實(shí)現(xiàn)CNTs的均勻分散。超聲波的空化作用能夠產(chǎn)生微小的氣泡，這些氣泡在崩潰時(shí)釋放出巨大的能量，足以破壞CNTs之間的團(tuán)聚。

優(yōu)勢(shì)：操作簡(jiǎn)便，通常作為其他分散方法的輔助手段，以提高分散效果。

劣勢(shì)：長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理可能會(huì)對(duì)CNTs的結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷，因此需要優(yōu)化超聲時(shí)間和功率。

（2）球磨分散法

原理：通過(guò)球磨機(jī)中的研磨介質(zhì)（如鋼球或陶瓷球）對(duì)CNTs施加機(jī)械力，從而實(shí)現(xiàn)分散。

優(yōu)勢(shì)：可以通過(guò)控制球磨時(shí)間和條件，有效地分散CNTs。

劣勢(shì)：長(zhǎng)時(shí)間的球磨可能會(huì)導(dǎo)致CNTs的結(jié)構(gòu)損傷，因此需要平衡分散效果和結(jié)構(gòu)完整性。

濕式球磨法相比干式球磨法能夠更好地保持CNTs的結(jié)構(gòu)完整性和分散性。

（3）磁力攪拌和高速剪切

原理：利用機(jī)械力量將CNTs分散在介質(zhì)中。磁力攪拌通過(guò)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)攪拌子旋轉(zhuǎn)，而高速剪切則通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的剪切頭產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力。

優(yōu)勢(shì)：能夠有效地提高CNTs的分散度和穩(wěn)定性，適用于不同類型的介質(zhì)和應(yīng)用場(chǎng)景。

劣勢(shì)：造成碳納米管的結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)設(shè)備的要求較高，需要精確控制剪切速率、時(shí)間和溫度等參數(shù)，操作復(fù)雜。

（1）氧化處理

氧化處理是共價(jià)修飾中最常用的方法之一。通過(guò)在強(qiáng)酸性環(huán)境下（如H?SO?、HNO?、H?O?等）對(duì)CNTs進(jìn)行回流處理，可以在其表面引入羧基（-COOH）、羥基（-OH）、羰基（-C=O）等含氧官能團(tuán)。這些官能團(tuán)不僅增加了CNTs的表面極性，還提高了其在極性溶劑（如水、乙醇、二甲基甲酰胺等）中的分散性。例如，經(jīng)過(guò)氧化處理后的CNTs可以高度分散于水溶液中，適合用于制備復(fù)合材料。

（2）進(jìn)一步的功能化

除了氧化處理外，還可以通過(guò)進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)在CNTs表面引入其他特定的官能團(tuán)。例如，通過(guò)酯化反應(yīng)引入酯基，通過(guò)酰胺化反應(yīng)引入酰胺基等。這些功能化處理不僅可以改善CNTs的分散性，還可以根據(jù)具體應(yīng)用需求賦予其特定的化學(xué)性質(zhì)。例如，羥基可以作為硅烷化過(guò)程的結(jié)合位點(diǎn)，在聚合物納米復(fù)合材料中發(fā)揮重要作用；羧基可以通過(guò)亞硫酰氯（SOCl?）?；?，然后與所需的官能團(tuán)反應(yīng)，用于生物醫(yī)學(xué)或傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

（3）共價(jià)修飾的優(yōu)勢(shì)與局限性

優(yōu)勢(shì)：能夠顯著改善CNTs的分散性，使其在多種溶劑和基體中均勻分散。

局限性：首先，化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)破壞CNTs的sp2雜化結(jié)構(gòu)，從而影響其原有的電學(xué)和力學(xué)性能。其次，共價(jià)修飾過(guò)程通常較為復(fù)雜，需要精確控制反應(yīng)條件（如溫度、酸的濃度、反應(yīng)時(shí)間等）。此外，引入的官能團(tuán)可能會(huì)增加CNTs的表面粗糙度，影響其在某些應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

（1）表面活性劑吸附

表面活性劑是非共價(jià)修飾中最常用的分散劑之一。通過(guò)在CNTs表面吸附表面活性劑分子，可以有效降低CNTs之間的范德華力，從而實(shí)現(xiàn)分散。表面活性劑的親水端和疏水端分別與溶劑和CNTs表面相互作用，形成穩(wěn)定的分散體系。例如，十二烷基硫酸鈉（SDS）和膽酸鈉等表面活性劑已被廣泛用于CNTs的分散。

（2）聚合物包覆

聚合物包覆是另一種非共價(jià)修飾方法。通過(guò)將聚合物分子吸附在CNTs表面，可以形成一層保護(hù)膜，防止CNTs之間的團(tuán)聚。這種方法不僅提高了CNTs的分散性，還保留了其原有的電學(xué)和力學(xué)性能。例如，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚苯乙烯（PS）等聚合物已被成功用于CNTs的分散。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物的分子量和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步優(yōu)化分散效果。

（3）其他非共價(jià)相互作用

除了表面活性劑和聚合物包覆外，還可以利用其他非共價(jià)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)CNTs的分散。例如，通過(guò)靜電偶極相互作用、金屬-有機(jī)配位作用等機(jī)制，可以有效吸附特定的分子或離子在CNTs表面，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分散。例如，利用金屬多酚配位反應(yīng)，可以將金屬離子和多酚分子吸附在CNTs表面，形成穩(wěn)定的分散體系。

（4）非共價(jià)修飾的優(yōu)勢(shì)與局限性

優(yōu)勢(shì)：能夠保留CNTs的原始結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的分散性。這種方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，適合大規(guī)模應(yīng)用。

局限性：分散效果可能受到溶劑性質(zhì)、溫度等因素的影響，且在某些情況下分散穩(wěn)定性不如共價(jià)修飾法。此外，非共價(jià)修飾劑可能會(huì)在某些應(yīng)用中引入額外的雜質(zhì)或影響CNTs的表面性質(zhì)。

（1）光學(xué)方法

光學(xué)方法是表征CNTs分散性的一種便捷手段。紫外-可見(jiàn)（UV-Vis）光譜技術(shù)利用CNTs在紫外-可見(jiàn)光區(qū)域的特征吸收峰來(lái)評(píng)估其分散狀態(tài)。由于CNTs的π-π堆積作用會(huì)導(dǎo)致吸收峰的偏移或猝滅，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)吸收光譜的變化可以判斷CNTs的分散程度。此外，UV-Vis光譜還可以用于監(jiān)測(cè)分散過(guò)程的動(dòng)力學(xué)，從而確定最佳的分散處理時(shí)間，避免過(guò)度處理導(dǎo)致CNTs結(jié)構(gòu)損傷。

（2）電子顯微鏡方法

電子顯微鏡技術(shù)，包括掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM），能夠直接觀察CNTs的微觀結(jié)構(gòu)和分散狀態(tài)。SEM可以提供CNTs在復(fù)合材料中的分布和形態(tài)信息，而TEM則能夠更清晰地觀察CNTs的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面改性情況。通過(guò)這些圖像分析技術(shù)，可以直觀地評(píng)估CNTs的分散效果，以及功能化處理對(duì)CNTs表面的影響。

（3）定量分析方法

定量分析方法用于精確評(píng)估CNTs分散液中的顆粒尺寸和分布。動(dòng)態(tài)光散射（DLS）技術(shù)通過(guò)測(cè)量分散體系中顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)來(lái)確定其尺寸分布，從而間接反映CNTs的分散程度。此外，差速離心沉降法（DCS）可以對(duì)CNTs的團(tuán)聚狀態(tài)進(jìn)行定量分析，通過(guò)測(cè)量團(tuán)聚體的沉降速度來(lái)評(píng)估其解聚效果。這些定量分析方法能夠提供分散體系的詳細(xì)數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化分散工藝和評(píng)估功能化效果。

（4）拉曼光譜

拉曼光譜是一種能夠提供CNTs結(jié)構(gòu)信息的非破壞性分析技術(shù)。通過(guò)分析拉曼光譜中的特征峰，可以判斷CNTs的缺陷密度、石墨化程度以及表面功能化情況。例如，D峰與G峰的比值（ID/IG）常用于評(píng)估CNTs的缺陷密度，而功能化處理會(huì)在拉曼光譜中引入新的特征峰，從而反映表面官能團(tuán)的存在。

（5）X射線光電子能譜（XPS）

X射線光電子能譜是一種表面分析技術(shù)，能夠提供CNTs表面元素的化學(xué)狀態(tài)信息。通過(guò)測(cè)量從樣品表面發(fā)射的光電子的能量和數(shù)量，XPS可以確定CNTs表面的官能團(tuán)類型和含量。這種方法對(duì)于評(píng)估共價(jià)修飾的效果特別有效，因?yàn)樗梢灾苯訖z測(cè)到表面引入的化學(xué)基團(tuán)。

通過(guò)上述多種表征方法的結(jié)合使用，可以全面評(píng)估CNTs的分散性和功能化程度。這些表征技術(shù)不僅能夠幫助研究人員優(yōu)化分散和功能化工藝，還能為CNTs在復(fù)合材料、電子器件和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的理論支持。

目前，現(xiàn)有的分散劑在分散效率和穩(wěn)定性方面仍存在不足，尤其是在大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用中。未來(lái)的研究方向應(yīng)聚焦于開(kāi)發(fā)新型分散劑，這些分散劑不僅能夠顯著提高CNTs的分散性，還能減少對(duì)環(huán)境的影響。例如，基于天然產(chǎn)物或可再生資源的綠色分散劑，以及具有多功能基團(tuán)的分散劑，能夠在分散CNTs的同時(shí)賦予其特定的化學(xué)性質(zhì)，如導(dǎo)電性或親水性。此外，智能分散劑的研發(fā)也至關(guān)重要，這類分散劑能夠響應(yīng)外部刺激（如pH值、溫度或磁場(chǎng)），實(shí)現(xiàn)CNTs的可控分散和組裝。

（2）優(yōu)化現(xiàn)有分散技術(shù)

現(xiàn)有的分散技術(shù)，如機(jī)械分散法、共價(jià)和非共價(jià)修飾法等，雖然在實(shí)驗(yàn)室中取得了顯著進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究應(yīng)致力于優(yōu)化這些技術(shù)，以進(jìn)一步提高CNTs的分散效果。例如，通過(guò)優(yōu)化超聲波處理的參數(shù)（如功率、時(shí)間和頻率），可以在提高分散效率的同時(shí)減少對(duì)CNTs結(jié)構(gòu)的損傷。共價(jià)修飾法可以通過(guò)開(kāi)發(fā)更溫和的化學(xué)反應(yīng)條件，減少對(duì)CNTs原有性能的影響，同時(shí)提高功能化效率。非共價(jià)修飾法則可以通過(guò)探索新的相互作用機(jī)制，如金屬-有機(jī)配位或π-π堆積，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的分散效果。

（3）深入探索分散機(jī)制

加強(qiáng)對(duì)CNTs分散機(jī)制的研究，有助于開(kāi)發(fā)更高效的分散方法。未來(lái)的研究可以利用分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)研究CNTs與分散劑之間的相互作用，揭示分散過(guò)程中的微觀機(jī)制。同時(shí)，深入研究CNTs表面的化學(xué)性質(zhì)和表面能，探索如何通過(guò)表面改性提高其與分散劑的相容性。此外，研究分散過(guò)程中CNTs的動(dòng)態(tài)行為，包括團(tuán)聚、解聚和再分散等過(guò)程，將為優(yōu)化分散工藝提供理論支持。

（4）多功能復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)

利用分散性良好的CNTs開(kāi)發(fā)高性能、多功能的復(fù)合材料，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。未來(lái)的研究可以集中在優(yōu)化CNTs的含量、分散性和取向結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。此外，結(jié)合CNTs的優(yōu)異性能和其他材料的功能特性，開(kāi)發(fā)具有多種功能的復(fù)合材料，如電磁屏蔽、自感知和自修復(fù)等。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于CNTs的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料，如藥物載體、生物傳感器和組織工程支架，將拓展其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

（5）建立標(biāo)準(zhǔn)化的分散度測(cè)試方法

標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法對(duì)于評(píng)估分散效果和推動(dòng)CNTs的工業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。未來(lái)的研究可以結(jié)合光學(xué)方法（如UV-Vis光譜）、電子顯微鏡方法（如SEM、TEM）和定量分析方法（如DLS、XPS），建立綜合的分散度評(píng)估體系。制定統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和操作流程，確保不同實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)之間的測(cè)試結(jié)果具有可比性和一致性。此外，開(kāi)發(fā)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)CNTs分散狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，將為工業(yè)化生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)反饋和控制手段。

參考文獻(xiàn)：王延青,高彩琴,張朝陽(yáng),倪宇翔,黃鑫.碳納米管粉體的液相分散方法和機(jī)制[J].中國(guó)粉體技術(shù),2025,31(1):170-182