在现代材料科学领域，碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）因其卓越的力学、电学和热学性能而备受关注，其在复合材料中的应用研究一直是热点话题。之前已经分享了关于碳纳米管导热复合材料的制备研究进展，探讨了通过多种方法构建高效的导热网络，以充分发挥碳纳米管在热管理材料中的潜力。然而，碳纳米管的应用效果在很大程度上依赖于其在基体中的分散性。本期文章将进一步探讨碳纳米管粉体的液相分散方法和机制，了解如何通过物理、化学和机械手段实现其均匀分散。这一研究方向不仅能够解决碳纳米管在实际应用中的关键问题，还能为开发高性能复合材料提供重要的理论和实践支持，进一步拓展碳纳米管在电子、能源和生物医学等领域的应用前景。
然而，碳纳米管的应用也面临着一些挑战。由于其具有较大的比表面积和较少的表面缺陷，且六边形的构造使碳原子之间通过sp²杂化轨道形成大量高度离域化的π电子，相邻的CNTs在π-π堆积作用下容易相互吸引并团聚，难以分散，呈现出物理和化学惰性。这种特性限制了碳纳米管在实际应用中的性能发挥。因此，需要通过额外的强酸处理或添加分散剂来提高碳纳米管的表面粗糙程度，并引入活性官能团，从而改善其分散性。
近年来，许多研究人员已经开发了各种方法来修饰碳纳米管的表面，以改变其性能并拓展其应用范围。目前，碳纳米管的分散技术主要有三种：一是机械分散法；二是表面化学共价修饰分散法；三是表面活性剂的非共价修饰分散法。
（1）超声分散法
原理：利用超声波的机械振动和空化效应，在CNTs分散液中产生强烈的局部冲击力，从而实现CNTs的均匀分散。超声波的空化作用能够产生微小的气泡，这些气泡在崩溃时释放出巨大的能量，足以破坏CNTs之间的团聚。
优势：操作简便，通常作为其他分散方法的辅助手段，以提高分散效果。
劣势：长时间的超声处理可能会对CNTs的结构造成一定程度的损伤，因此需要优化超声时间和功率。
（2）球磨分散法
原理：通过球磨机中的研磨介质（如钢球或陶瓷球）对CNTs施加机械力，从而实现分散。
优势：可以通过控制球磨时间和条件，有效地分散CNTs。
劣势：长时间的球磨可能会导致CNTs的结构损伤，因此需要平衡分散效果和结构完整性。
湿式球磨法相比干式球磨法能够更好地保持CNTs的结构完整性和分散性。
（3）磁力搅拌和高速剪切
原理：利用机械力量将CNTs分散在介质中。磁力搅拌通过磁场驱动搅拌子旋转，而高速剪切则通过高速旋转的剪切头产生强烈的剪切力。
优势：能够有效地提高CNTs的分散度和稳定性，适用于不同类型的介质和应用场景。
劣势：造成碳纳米管的结构损伤，对设备的要求较高，需要精确控制剪切速率、时间和温度等参数，操作复杂。
（1）氧化处理
氧化处理是共价修饰中最常用的方法之一。通过在强酸性环境下（如H₂SO₄、HNO₃、H₂O₂等）对CNTs进行回流处理，可以在其表面引入羧基（-COOH）、羟基（-OH）、羰基（-C=O）等含氧官能团。这些官能团不仅增加了CNTs的表面极性，还提高了其在极性溶剂（如水、乙醇、二甲基甲酰胺等）中的分散性。例如，经过氧化处理后的CNTs可以高度分散于水溶液中，适合用于制备复合材料。
（2）进一步的功能化
除了氧化处理外，还可以通过进一步的化学反应在CNTs表面引入其他特定的官能团。例如，通过酯化反应引入酯基，通过酰胺化反应引入酰胺基等。这些功能化处理不仅可以改善CNTs的分散性，还可以根据具体应用需求赋予其特定的化学性质。例如，羟基可以作为硅烷化过程的结合位点，在聚合物纳米复合材料中发挥重要作用；羧基可以通过亚硫酰氯（SOCl₂）酰化，然后与所需的官能团反应，用于生物医学或传感领域的应用。
（3）共价修饰的优势与局限性
优势：能够显著改善CNTs的分散性，使其在多种溶剂和基体中均匀分散。
局限性：首先，化学反应可能会破坏CNTs的sp²杂化结构，从而影响其原有的电学和力学性能。其次，共价修饰过程通常较为复杂，需要精确控制反应条件（如温度、酸的浓度、反应时间等）。此外，引入的官能团可能会增加CNTs的表面粗糙度，影响其在某些应用中的性能表现。
（1）表面活性剂吸附
表面活性剂是非共价修饰中最常用的分散剂之一。通过在CNTs表面吸附表面活性剂分子，可以有效降低CNTs之间的范德华力，从而实现分散。表面活性剂的亲水端和疏水端分别与溶剂和CNTs表面相互作用，形成稳定的分散体系。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CNTs的分散。
（2）聚合物包覆
聚合物包覆是另一种非共价修饰方法。通过将聚合物分子吸附在CNTs表面，可以形成一层保护膜，防止CNTs之间的团聚。这种方法不仅提高了CNTs的分散性，还保留了其原有的电学和力学性能。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CNTs的分散。此外，通过调节聚合物的分子量和侧链结构，可以进一步优化分散效果。
（3）其他非共价相互作用
除了表面活性剂和聚合物包覆外，还可以利用其他非共价相互作用来实现CNTs的分散。例如，通过静电偶极相互作用、金属-有机配位作用等机制，可以有效吸附特定的分子或离子在CNTs表面，从而实现稳定的分散。例如，利用金属多酚配位反应，可以将金属离子和多酚分子吸附在CNTs表面，形成稳定的分散体系。
（4）非共价修饰的优势与局限性
优势：能够保留CNTs的原始结构和性能，同时实现优越的分散性。这种方法操作相对简单，不需要复杂的化学反应，适合大规模应用。
局限性：分散效果可能受到溶剂性质、温度等因素的影响，且在某些情况下分散稳定性不如共价修饰法。此外，非共价修饰剂可能会在某些应用中引入额外的杂质或影响CNTs的表面性质。
（1）光学方法
光学方法是表征CNTs分散性的一种便捷手段。紫外-可见（UV-Vis）光谱技术利用CNTs在紫外-可见光区域的特征吸收峰来评估其分散状态。由于CNTs的π-π堆积作用会导致吸收峰的偏移或猝灭，因此通过监测吸收光谱的变化可以判断CNTs的分散程度。此外，UV-Vis光谱还可以用于监测分散过程的动力学，从而确定最佳的分散处理时间，避免过度处理导致CNTs结构损伤。
（2）电子显微镜方法
电子显微镜技术，包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），能够直接观察CNTs的微观结构和分散状态。SEM可以提供CNTs在复合材料中的分布和形态信息，而TEM则能够更清晰地观察CNTs的内部结构和表面改性情况。通过这些图像分析技术，可以直观地评估CNTs的分散效果，以及功能化处理对CNTs表面的影响。
（3）定量分析方法
定量分析方法用于精确评估CNTs分散液中的颗粒尺寸和分布。动态光散射（DLS）技术通过测量分散体系中颗粒的布朗运动来确定其尺寸分布，从而间接反映CNTs的分散程度。此外，差速离心沉降法（DCS）可以对CNTs的团聚状态进行定量分析，通过测量团聚体的沉降速度来评估其解聚效果。这些定量分析方法能够提供分散体系的详细数据，有助于优化分散工艺和评估功能化效果。
（4）拉曼光谱
拉曼光谱是一种能够提供CNTs结构信息的非破坏性分析技术。通过分析拉曼光谱中的特征峰，可以判断CNTs的缺陷密度、石墨化程度以及表面功能化情况。例如，D峰与G峰的比值（ID/IG）常用于评估CNTs的缺陷密度，而功能化处理会在拉曼光谱中引入新的特征峰，从而反映表面官能团的存在。
（5）X射线光电子能谱（XPS）
X射线光电子能谱是一种表面分析技术，能够提供CNTs表面元素的化学状态信息。通过测量从样品表面发射的光电子的能量和数量，XPS可以确定CNTs表面的官能团类型和含量。这种方法对于评估共价修饰的效果特别有效，因为它可以直接检测到表面引入的化学基团。
通过上述多种表征方法的结合使用，可以全面评估CNTs的分散性和功能化程度。这些表征技术不仅能够帮助研究人员优化分散和功能化工艺，还能为CNTs在复合材料、电子器件和生物医学等领域的应用提供重要的理论支持。
目前，现有的分散剂在分散效率和稳定性方面仍存在不足，尤其是在大规模工业化应用中。未来的研究方向应聚焦于开发新型分散剂，这些分散剂不仅能够显著提高CNTs的分散性，还能减少对环境的影响。例如，基于天然产物或可再生资源的绿色分散剂，以及具有多功能基团的分散剂，能够在分散CNTs的同时赋予其特定的化学性质，如导电性或亲水性。此外，智能分散剂的研发也至关重要，这类分散剂能够响应外部刺激（如pH值、温度或磁场），实现CNTs的可控分散和组装。
（2）优化现有分散技术
现有的分散技术，如机械分散法、共价和非共价修饰法等，虽然在实验室中取得了显著进展，但在实际应用中仍面临挑战。未来的研究应致力于优化这些技术，以进一步提高CNTs的分散效果。例如，通过优化超声波处理的参数（如功率、时间和频率），可以在提高分散效率的同时减少对CNTs结构的损伤。共价修饰法可以通过开发更温和的化学反应条件，减少对CNTs原有性能的影响，同时提高功能化效率。非共价修饰法则可以通过探索新的相互作用机制，如金属-有机配位或π-π堆积，实现更稳定的分散效果。
（3）深入探索分散机制
加强对CNTs分散机制的研究，有助于开发更高效的分散方法。未来的研究可以利用分子动力学模拟来研究CNTs与分散剂之间的相互作用，揭示分散过程中的微观机制。同时，深入研究CNTs表面的化学性质和表面能，探索如何通过表面改性提高其与分散剂的相容性。此外，研究分散过程中CNTs的动态行为，包括团聚、解聚和再分散等过程，将为优化分散工艺提供理论支持。
（4）多功能复合材料的开发
利用分散性良好的CNTs开发高性能、多功能的复合材料，以满足不同领域的应用需求。未来的研究可以集中在优化CNTs的含量、分散性和取向结构，进一步提高复合材料的力学性能、热导率和电导率。此外，结合CNTs的优异性能和其他材料的功能特性，开发具有多种功能的复合材料，如电磁屏蔽、自感知和自修复等。在生物医学领域，基于CNTs的生物医学复合材料，如药物载体、生物传感器和组织工程支架，将拓展其在生物医学领域的应用。
（5）建立标准化的分散度测试方法
标准化的测试方法对于评估分散效果和推动CNTs的工业化应用至关重要。未来的研究可以结合光学方法（如UV-Vis光谱）、电子显微镜方法（如SEM、TEM）和定量分析方法（如DLS、XPS），建立综合的分散度评估体系。制定统一的测试标准和操作流程，确保不同实验室和企业之间的测试结果具有可比性和一致性。此外，开发能够实时监测CNTs分散状态的在线监测技术，将为工业化生产提供实时反馈和控制手段。
参考文献：王延青,高彩琴,张朝阳,倪宇翔,黄鑫.碳纳米管粉体的液相分散方法和机制[J].中国粉体技术,2025,31(1):170-182
来源：新材料纵横