在现代材料科学中，碳纳米管（CNTs）因其出色的机械、电学和热学性能而备受关注。它们在复合材料中的应用研究是一个热门话题。碳纳米管的性能在很大程度上取决于它们在基材中分散的程度。如何分散碳纳米管？在本文中，我们将重点讨论碳纳米管粉末的液相分散。我们将解释物理、化学和机械方法如何帮助实现均匀分散。这个研究领域解决了现实世界中碳纳米管应用的一个关键挑战。它还支持高性能复合材料的发展。从长远来看，它可能会扩大碳纳米管在电子、能源和生物医学领域的应用。
碳纳米管分散挑战
碳纳米管（CNTs）轻便、强韧、坚硬，并且具有高弹性模量。这些特性赋予了CNTs比许多传统材料更好的机械性能。CNTs在各个领域也具有巨大的潜力。它们可以用来制造强韧的材料和纤维，并且在生物医学、电子和能源领域表现出良好的前景。
然而，碳纳米管也面临一些挑战。由于它们具有大的表面积和很少的表面缺陷，它们的六方碳结构通过sp²键形成了许多未局域化的π电子。这导致附近的碳纳米管通过π–π堆积相互吸引，从而导致团聚。这使得它们难以分散且化学不活跃。因此，它们在实际应用中的性能受到限制。为了改善分散性，通常需要对CNTs进行强酸处理或添加分散剂。这些方法使表面粗糙，并增加活性官能团，从而使CNTs更容易分离和混合。
近年来，研究人员开发了各种表面改性方法，以改善碳纳米管（CNT）的性能并扩展其应用。目前，主要有三种分散技术：
1. 机械分散
机械分散通过物理手段克服了碳纳米管之间的范德华力。它主要包括超声处理、球磨、磁力搅拌和高速剪切等技术。它们施加机械外力使碳纳米管在介质中均匀分散。这避免了化学修饰可能引起的副作用，同时保留了碳纳米管的原始特性。
(1) 超声波分散
原理： 超声波产生机械振动和空化作用。这将在碳纳米管的分散中产生强大的局部冲击力，实现碳纳米管的均匀分散。超声波的空化作用可以产生微小的气泡。当这些气泡崩溃时，会释放出巨大的能量，破坏碳纳米管之间的聚集。
优点： 操作简单。它通常与其他分散技术结合使用，作为支持方法以提高结果。
缺点： 长期的超声处理可能会对碳纳米管（CNTs）造成一定程度的结构损伤。因此，需要优化超声时间与功率。
(2) 球磨
原理： 通过研磨介质（如钢球或陶瓷球）对碳纳米管施加机械力以实现分散。
优点：通过控制球磨时间和条件，可以有效地分散碳纳米管。
缺点： 长期的球磨可能会对碳纳米管（CNTs）造成结构损伤。因此，有必要平衡分散效果和结构完整性。
注意：湿球磨比干磨效果更好。它保持了CNT结构并提高了分散性。
(3) 磁力搅拌和高速剪切
原理： 通过机械力将碳纳米管（CNTs）分散在介质中。磁力搅拌通过磁场驱动搅拌棒旋转。高速剪切通过高速旋转的剪切头产生强大的剪切力。
优点： 这种方法可以有效提高碳纳米管的分散性和稳定性。这适用于不同类型的介质和应用场合。
缺点： 它们可能会损坏碳纳米管。它们还需要精确控制剪切速率、时间和温度。操作可能更加复杂。
2. 共价功能化分散
共价功能化通过在碳纳米管（CNTs）表面添加化学基团来改善其分散性。这些功能基团通过化学反应直接与CNTs键合。这改变了表面性质并增加了它们与溶剂或基材的相互作用。
(1) 氧化处理
氧化处理是共价修饰中最常使用的方法之一。通过在强酸性环境中（如H₂SO₄、HNO₃、H₂O₂等）回流碳纳米管（CNTs），可以在其表面引入含氧功能基团，如羧基(-COOH)、羟基(-OH)和羰基(-C=O)。这些功能基团增加了碳纳米管的表面极性，并提高了它们在极性溶剂（如水、乙醇、N-甲基形式胺等）中的分散性。例如，氧化的碳纳米管在溶液中分散得更好，这使它们在制备复合材料时非常有用。
(2) 进一步功能化
除了氧化反应，其他化学反应还可以在CNT表面增加更多的官能团。例如，酯化反应引入酯基，而酰胺化反应增加酰胺基。这些功能化处理可以提高碳纳米管的分散性，并赋予特定的化学性质。例如，羟基有助于在聚合物纳米复合材料中的硅烷键合。羧基可以与SOCl₂反应，并可与其它基团反应，用于生物医学或传感器应用。
(3) 共价功能化的优势与劣势
优点： 这种方法大大提高了碳纳米管的分散性。处理过的碳纳米管可以均匀地分布在各种溶剂和基材中。
缺点： 化学反应可能会损坏CNTs的sp²结构，降低它们的电学和机械性能。该过程复杂，需要仔细控制温度、酸强度和时间等条件。此外，添加的官能团可能会增加表面粗糙度，并在某些应用中影响性能。
3. 非共价官能化分散
非共价修饰方法通过在碳纳米管表面吸附特定分子或聚合物来改善碳纳米管的分散性。该方法不破坏碳纳米管的原始化学结构。它利用分子间相互作用（如静电效应、π-π堆积、氢键等）来实现稳定的分散。
(1) 表面活性剂吸附
表面活性剂是非共价修饰中使用最广泛的分散剂之一。它在碳纳米管表面吸附表面活性剂分子，有效降低了碳纳米管之间的范德华力，实现分散。
表面活性剂的亲水端与溶剂相互作用，疏水端与碳纳米管的表面相互作用。这可以形成一个稳定的分散系统。例如，十二烷基硫酸钠（SDS）和胆酸钠等表面活性剂已被广泛用于分散碳纳米管。
(2) 聚合物包裹
聚合物包覆是另一种非共价修饰方法。它将聚合物分子吸附在碳纳米管的表面，形成保护膜。这层膜防止碳纳米管聚集。
该方法提高了碳纳米管的分散性，并保持了其原始的电学和力学性能。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分散碳纳米管。此外，调整聚合物的分子量和侧链结构可以进一步增强分散效果。
(3) 其他非共价相互作用
除了表面活性剂和聚合物包覆之外，其他非共价相互作用也可以用来实现碳纳米管的分散。这包括静电偶极相互作用和金属-有机配位。
例如，金属-多酚配合反应可以将金属离子和多酚分子吸附在碳纳米管的表面。这将形成一个稳定的分散系统。
(4) 非共价官能化的优缺点
优点： 这种方法保持了碳纳米管的原始结构和性能。它提供了出色的分散性。操作相对简单，不需要复杂的化学反应。该方法也适用于大规模应用。
缺点： 稳定性可能会受到溶剂性质和温度等因素的影响。在某些情况下，分散稳定性不如共价修饰法。此外，非共价修饰剂可能在某些应用中引入额外的杂质或影响CNTs的表面性质。
正确的碳纳米管分散是有效利用的关键。机械法、共价法和非共价法各有利弊。最佳方法取决于应用。更好的分散可以使得碳纳米管在先进材料中发挥出其全部潜力。
