在現(xiàn)代材料科學領域，碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）因其卓越的力學、電學和熱學性能而備受關(guān)注，其在復合材料中的應用研究一直是熱點話題。之前已經(jīng)分享了關(guān)于碳納米管導熱復合材料的制備研究進展，探討了通過多種方法構(gòu)建高效的導熱網(wǎng)絡，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。本期文章將進一步探討碳納米管粉體的液相分散方法和機制，了解如何通過物理、化學和機械手段實現(xiàn)其均勻分散。這一研究方向不僅能夠解決碳納米管在實際應用中的關(guān)鍵問題，還能為開發(fā)高性能復合材料提供重要的理論和實踐支持，進一步拓展碳納米管在電子、能源和生物醫(yī)學等領域的應用前景。

然而，碳納米管的應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聚，難以分散，呈現(xiàn)出物理和化學惰性。這種特性限制了碳納米管在實際應用中的性能發(fā)揮。因此，需要通過額外的強酸處理或添加分散劑來提高碳納米管的表面粗糙程度，并引入活性官能團，從而改善其分散性。

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

（1）超聲分散法

原理：利用超聲波的機械振動和空化效應，在CNTs分散液中產(chǎn)生強烈的局部沖擊力，從而實現(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，這些氣泡在崩潰時釋放出巨大的能量，足以破壞CNTs之間的團聚。

優(yōu)勢：操作簡便，通常作為其他分散方法的輔助手段，以提高分散效果。

劣勢：長時間的超聲處理可能會對CNTs的結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷，因此需要優(yōu)化超聲時間和功率。

（2）球磨分散法

原理：通過球磨機中的研磨介質(zhì)（如鋼球或陶瓷球）對CNTs施加機械力，從而實現(xiàn)分散。

優(yōu)勢：可以通過控制球磨時間和條件，有效地分散CNTs。

劣勢：長時間的球磨可能會導致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：利用機械力量將CNTs分散在介質(zhì)中。磁力攪拌通過磁場驅(qū)動攪拌子旋轉(zhuǎn)，而高速剪切則通過高速旋轉(zhuǎn)的剪切頭產(chǎn)生強烈的剪切力。

優(yōu)勢：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)和應用場景。

劣勢：造成碳納米管的結(jié)構(gòu)損傷，對設備的要求較高，需要精確控制剪切速率、時間和溫度等參數(shù)，操作復雜。

（1）氧化處理

氧化處理是共價修飾中最常用的方法之一。通過在強酸性環(huán)境下（如H?SO?、HNO?、H?O?等）對CNTs進行回流處理，可以在其表面引入羧基（-COOH）、羥基（-OH）、羰基（-C=O）等含氧官能團。這些官能團不僅增加了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，適合用于制備復合材料。

（2）進一步的功能化

除了氧化處理外，還可以通過進一步的化學反應在CNTs表面引入其他特定的官能團。例如，通過酯化反應引入酯基，通過酰胺化反應引入酰胺基等。這些功能化處理不僅可以改善CNTs的分散性，還可以根據(jù)具體應用需求賦予其特定的化學性質(zhì)。例如，羥基可以作為硅烷化過程的結(jié)合位點，在聚合物納米復合材料中發(fā)揮重要作用；羧基可以通過亞硫酰氯（SOCl?）酰化，然后與所需的官能團反應，用于生物醫(yī)學或傳感領域的應用。

（3）共價修飾的優(yōu)勢與局限性

優(yōu)勢：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，化學反應可能會破壞CNTs的sp2雜化結(jié)構(gòu)，從而影響其原有的電學和力學性能。其次，共價修飾過程通常較為復雜，需要精確控制反應條件（如溫度、酸的濃度、反應時間等）。此外，引入的官能團可能會增加CNTs的表面粗糙度，影響其在某些應用中的性能表現(xiàn)。

（1）表面活性劑吸附

表面活性劑是非共價修飾中最常用的分散劑之一。通過在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修飾方法。通過將聚合物分子吸附在CNTs表面，可以形成一層保護膜，防止CNTs之間的團聚。這種方法不僅提高了CNTs的分散性，還保留了其原有的電學和力學性能。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，通過調(diào)節(jié)聚合物的分子量和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，可以進一步優(yōu)化分散效果。

（3）其他非共價相互作用

除了表面活性劑和聚合物包覆外，還可以利用其他非共價相互作用來實現(xiàn)CNTs的分散。例如，通過靜電偶極相互作用、金屬-有機配位作用等機制，可以有效吸附特定的分子或離子在CNTs表面，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的分散。例如，利用金屬多酚配位反應，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）非共價修飾的優(yōu)勢與局限性

優(yōu)勢：能夠保留CNTs的原始結(jié)構(gòu)和性能，同時實現(xiàn)優(yōu)越的分散性。這種方法操作相對簡單，不需要復雜的化學反應，適合大規(guī)模應用。

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)定性不如共價修飾法。此外，非共價修飾劑可能會在某些應用中引入額外的雜質(zhì)或影響CNTs的表面性質(zhì)。

（1）光學方法

光學方法是表征CNTs分散性的一種便捷手段。紫外-可見（UV-Vis）光譜技術(shù)利用CNTs在紫外-可見光區(qū)域的特征吸收峰來評估其分散狀態(tài)。由于CNTs的π-π堆積作用會導致吸收峰的偏移或猝滅，因此通過監(jiān)測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)測分散過程的動力學，從而確定最佳的分散處理時間，避免過度處理導致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。通過這些圖像分析技術(shù)，可以直觀地評估CNTs的分散效果，以及功能化處理對CNTs表面的影響。

（3）定量分析方法

定量分析方法用于精確評估CNTs分散液中的顆粒尺寸和分布。動態(tài)光散射（DLS）技術(shù)通過測量分散體系中顆粒的布朗運動來確定其尺寸分布，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CNTs的團聚狀態(tài)進行定量分析，通過測量團聚體的沉降速度來評估其解聚效果。這些定量分析方法能夠提供分散體系的詳細數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化分散工藝和評估功能化效果。

（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）常用于評估CNTs的缺陷密度，而功能化處理會在拉曼光譜中引入新的特征峰，從而反映表面官能團的存在。

（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表面元素的化學狀態(tài)信息。通過測量從樣品表面發(fā)射的光電子的能量和數(shù)量，XPS可以確定CNTs表面的官能團類型和含量。這種方法對于評估共價修飾的效果特別有效，因為它可以直接檢測到表面引入的化學基團。

通過上述多種表征方法的結(jié)合使用，可以全面評估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在復合材料、電子器件和生物醫(yī)學等領域的應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)化應用中。未來的研究方向應聚焦于開發(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的分散劑，能夠在分散CNTs的同時賦予其特定的化學性質(zhì)，如導電性或親水性。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外部刺激（如pH值、溫度或磁場），實現(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)，如機械分散法、共價和非共價修飾法等，雖然在實驗室中取得了顯著進展，但在實際應用中仍面臨挑戰(zhàn)。未來的研究應致力于優(yōu)化這些技術(shù)，以進一步提高CNTs的分散效果。例如，通過優(yōu)化超聲波處理的參數(shù)（如功率、時間和頻率），可以在提高分散效率的同時減少對CNTs結(jié)構(gòu)的損傷。共價修飾法可以通過開發(fā)更溫和的化學反應條件，減少對CNTs原有性能的影響，同時提高功能化效率。非共價修飾法則可以通過探索新的相互作用機制，如金屬-有機配位或π-π堆積，實現(xiàn)更穩(wěn)定的分散效果。

（3）深入探索分散機制

加強對CNTs分散機制的研究，有助于開發(fā)更高效的分散方法。未來的研究可以利用分子動力學模擬來研究CNTs與分散劑之間的相互作用，揭示分散過程中的微觀機制。同時，深入研究CNTs表面的化學性質(zhì)和表面能，探索如何通過表面改性提高其與分散劑的相容性。此外，研究分散過程中CNTs的動態(tài)行為，包括團聚、解聚和再分散等過程，將為優(yōu)化分散工藝提供理論支持。

（4）多功能復合材料的開發(fā)

利用分散性良好的CNTs開發(fā)高性能、多功能的復合材料，以滿足不同領域的應用需求。未來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)，進一步提高復合材料的力學性能、熱導率和電導率。此外，結(jié)合CNTs的優(yōu)異性能和其他材料的功能特性，開發(fā)具有多種功能的復合材料，如電磁屏蔽、自感知和自修復等。在生物醫(yī)學領域，基于CNTs的生物醫(yī)學復合材料，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)學領域的應用。

（5）建立標準化的分散度測試方法

標準化的測試方法對于評估分散效果和推動CNTs的工業(yè)化應用至關(guān)重要。未來的研究可以結(jié)合光學方法（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估體系。制定統(tǒng)一的測試標準和操作流程，確保不同實驗室和企業(yè)之間的測試結(jié)果具有可比性和一致性。此外，開發(fā)能夠?qū)崟r監(jiān)測CNTs分散狀態(tài)的在線監(jiān)測技術(shù)，將為工業(yè)化生產(chǎn)提供實時反饋和控制手段。

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