Page 69 - 《精细化工》2022年第2期

第 2 期 陈泽宇，等: 表面活性剂分散多壁碳纳米管机理及性能评价 ·273·

2.4.1 CTAB 吸附与分散机理
CTAB 分子由一个带正电极性头基与一段由 16
个碳原子组成的疏水烷基链组成。由于 MWCNTs
表面荷负电，CTAB 的正电头基通过静电引力吸附
至 MWCNTs 表面，同时非极性烷基链也受到范德华
力与疏水作用力与 MWCNTs 相互吸引。

为探究 CTAB 在 MWCNTs 表面吸附过程，测
定了 CTAB-MWCNTs 体系在不同质量分数 CTAB 修
饰下的 Zeta 电位，如图 6 所示。

a—未改性 MWCNTs；b—CTAB-MWCNTs；c—SDS-MWCNTs；
d—(HT A-103)-MWCNTs；e—(OP-10)-MWCNTs
图 5 样品的 SEM 图
Fig. 5 SEM images of samples

由图 5a 所 示，未添加表面活性剂的原始
MWCNTs 团聚明显，管间吸附缠绕十分严重；图

5b~e 可以看出，经 4 种表面活性剂修饰后的 MWCNTs
图 6 CTAB-MWCNTs 体系 Zeta 电位随 CTAB 质量分数的
分散性能均有不同程度的提高，其中 CTAB 修饰后
变化
的 MWCNTs 分散性最好，较多 MWCNTs 单根从集 Fig.6 Change of Zeta potential of CTAB-MWCNTs
束中剥离下来，团聚体明显减少，弯曲缠绕程度减 systems with mass fraction of CTAB

弱。同时测定分散的单根 MWCNTs 外径为 18~20
可以看出，未添加 CTAB 的原始 MWCNTs 表
nm，大于未修饰的 MWCNTs 平均直径，且表面粗 面 Zeta 电位为–11.66 mV；随着 CTAB 质量分数增
糙不平，尺寸不均，也侧面印证了 MWCNTs 壁上表 大，CTAB 分子阳离子头基吸附至 MWCNTs 壁上，
面活性剂的吸附并形成了胶束，实现颗粒稳定分散。 碳纳米管表面负电荷减少，Zeta 电位绝对值减小；
HT A-103 和 OP-10 修饰后的 MWCNTs 分散效果也 当 CTAB 质量分数增大至接近 0.01%时，随着第一
有明显改善，游离单根增多，曲率减小，缠绕程度 阶段吸附的进行 MWCNTs 表面正负电荷中和，吸附
降低。SDS 修饰的 MWCNTs 分散性能弱于以上 3 的 CTAB 正电头基使 MWCNTs 表面电荷变化，Zeta
种，相比于原始 MWCNTs 团聚程度有所减弱，但弯 电位开始由负转正；CTAB 质量分数进一步增大，
曲缠绕现象依然存在，仍有部分 MWCNTs 紧密吸附 吸附进入第二阶段，随着 MWCNTs 壁上表面活性剂
在一起。SEM 表征结果与之前紫外-可见吸收光谱测 分子增多，Zeta 电位不断增大，在 CTAB 质量分数为
定结果一致。同时从以上各图观察到 MWCNTs 没有 0.04%左右时吸附饱和达到最大电位值并趋于稳定。
明显结构损伤，也说明实验所设定的 20 kHz、240 Zeta 电位变化曲线也可近似表明，CTAB 分子在
min 的超声处理条件是安全可靠的，可以辅助表面 MWCNTs 表面吸附过程大致符合多层吸附等温线
活性剂实现 MWCNTs 的良好分散。 模型。
2.4 机理分析 由图 2b 可知，随 CTAB 质量分数升高，分散性
本节从表面活性剂分子结构与 MWCNTs 表面 先增大后减小，这是因为体系中 CTAB 处于低质量
性质出发，通过分子间微观力学机制与实验结果相 分数时，MWCNTs 壁上表面活性剂吸附量较少，
结合，参考表面活性剂固-液界面等温吸附理论，分 CTAB 分子平铺附着在管壁表面（如图 7a），静电斥
析了 4 种表面活性剂在 MWCNTs 表面的吸附原理及 力及空间位阻作用均较小；当 CTAB 质量分数增大
微观吸附状态，阐述了不同表面活性剂的分散机理， 至略高于 CMC 后，MWCNTs 表面达到饱和吸附，
对于不同表面活性剂分散能力的差异性进行了解释。 分子中的带电头基与疏水碳链在 MWCNTs 表面存