Page 70 - 《精细化工》2022年第2期

·274· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

在竞争吸附，由于静电作用力强于范德华力与疏水 综上所述，CTAB-MWCNTs 体系不仅凭借更大
作用力，因此带电头基更倾向占据在碳管表面，烷 的静电排斥作用，同时凭借表面 CTAB 分子的多层
基长链暴露在外，在疏水作用力及范德华力作用下 吸附提供了良好的空间位阻，帮助其拥有相较于其
又会与液 相 中游离 CTAB 碳链相 互吸附， 在 他 3 种表面活性剂-MWCNTs 更优异的分散性能。
MWCNTs 侧壁上形成表面带正电的半胶束状表面 2.4.2 SDS、HT A-103 吸附与分散机理
活性剂双层包覆（如图 7b），增大管间空间位阻的 SDS 分子结构如下所示，由一个负电头基与一
同时依靠胶束表面正电荷的静电斥力大大加强了碳 段 12 个碳原子组成的烷基直链组成。
管间的排斥作用，有效降低和阻止了 MWCNTs 之间
的缠绕团聚，保证了分散体系的稳定性。

在液相中，SDS 分子的烷基长链在疏水力和范
德华力作用下吸附至 MWCNTs 侧壁，带电头基向外
[25]
伸向水中，以半胶束状包裹在 MWCNTs 表面 （如
图 9a），通过静电排斥以及烷烃长链提供的空间位
阻克服 MWCNTs 之间的范德华力和 π-π 键吸引力，

图 7 CTAB 低质量分数（a）与高质量分数（b）下在
使单根 MWCNTs 从团 聚体上脱离下来并阻碍
MWCNTs 表面吸附示意图
Fig. 7 Schematic representation of CTAB at low (a) and MWCNTs 的再次聚集，减缓 MWCNTs 之间的团聚
high (b) mass fraction adsorbing onto the MWCNTs 缠绕，保证分散体系的稳定性。
surface HT A-103 分子结构如下所示。

为验证上述分析得到的不同质量分数 CTAB 在
MWCNTs 表面由单层向多层转变的吸附状态，分别
选取经质量分数为 0.01%和 0.04%的 CTAB 修饰后

的 MWCNTs 进行 SEM 测试，结果如图 8 所示。
由于其分子中含有苯环结构，苯环可以与 MWCNTs
[3]
通过 π-π 堆积作用产生较强的吸引力 ，HT A-103
分子中的疏水烷基链与苯环同时吸附至 MWCNTs
表面，使其在 MWCNTs 上包裹得更加牢固；同时，
HT A-103 分子内的亲水 EO 链(—OCH 2CH 2—)在水中
可以充分伸展，并且分子链中带有两个阴离子头基，

产生了优良的空间位阻也提供了更强的静电排斥能
a—w(CTAB)=0.01%；b—w(CTAB)=0.04% （如图 9b），保证了 MWCNTs 良好的分散能力，相
图 8 CTAB 修饰后 MWCNTs 的 SEM 图
Fig. 8 SEM images of MWCNTs modified by CTAB 比于 SDS，HT A-103 拥有更好的分散性能。

对比发现，经质量分数为 0.01%、0.04%的 CTAB
修饰后 MWCNTs 外径分别为 16~17、18~20 nm。通
过前文 Zeta 电位分析（图 6）得到，CTAB 质量分
数为 0.01%时，MWCNTs 表面 Zeta 电位已由负转正，
MWCNTs 表面实现电荷中和；当 CTAB 质量分数为
0.04%时，表面活性剂在 MWCNTs 表面处于饱和吸
附，表面电势达到最大。在不同吸附阶段中 CTAB-
MWCNTs 外径呈现 2~3 nm 的差异且均大于原始
MWCNTs 外径，通过查阅文献得到 CTAB 分子链长
在 2.5 nm 左右 [24] ，与两 MWCNTs 外径之差大致吻
图 9 SDS（a）及 HT A-103（b）在 MWCNTs 表面吸附
合，因此，有理由认为 CTAB 达到吸附饱和时在
示意图
MWCNTs 上形成多层吸附包裹，也证明了前文理论 Fig. 9 Schematic representation of SDS (a) and HT A-103
分析的合理性。 (b) adsorbing onto the MWCNTs surface