2.2 SAA溶液表面張力分析

對(duì)4種表面活性劑在最佳分散濃度下的水溶液進(jìn)行表面張力測(cè)試，結(jié)果表明:4種溶液的表面張力均小于蒸餾水的表面張力(本實(shí)驗(yàn)用蒸餾水的表面張力為72.13x10-3 N/m);SDS溶液的表面張力最低，為28.80x10-3 N/m;其次是SDBS和D-180，分別為29.82x10-3和30.61x10-3N/m;表面張力最大的為PAA復(fù)合Tx100，為37.25x10{}^{-3}N/m.由此可以進(jìn)一步證明SDS對(duì)CNFs分散性能最好，SDBS次之，PAA復(fù)合Tx100分散效果最差.

2.3 TEM及FESEM分析

由于4種表面活性劑中，SDS與SDBS的分散效果相對(duì)最佳，故在TEM下觀察對(duì)比了兩者的分散狀態(tài)，結(jié)果如圖3所示.圖3(a)為未分散的CNFs，可以明顯觀察到CNFs纏結(jié)團(tuán)聚，幾乎無(wú)法找到單根CNFs.圖3(b)中可以看出，SDBS分散的CNFs纏繞現(xiàn)象明顯改善，可以觀察到松散的CNFs，且形貌清晰.圖3(c)中的SDS分散的CNFs分散狀態(tài)強(qiáng)于圖3(b)，幾乎無(wú)團(tuán)聚纏繞現(xiàn)象，單根的CNF形貌清晰且完整.

采用FESEM對(duì)4種表面活性劑分散的CNFs進(jìn)行了觀察.圖4(a)為SDS分散的CNFs，可以看到單根分散的CNF;圖4(b)為D-180分散的CNFs，單根CNFs被表面活性劑包裹，分散效果明顯，但懸浮液黏度稍大;圖4(c)為PAA復(fù)合Tx100分散的CNFs，由于復(fù)合分散劑的黏度大，且分散效果不佳，CNFs相互纏結(jié)并被表面活性劑包裹，團(tuán)聚現(xiàn)象未得到改善;圖4(d)為SDBS分散的CNFs，分散效果十分明顯.

2.4 CNFs分散體系的穩(wěn)定性表征

圖5為靜置7d后4種表面活性劑分散的CNFs懸浮液的狀態(tài).可以看出，采用SDS分散的CNFs懸浮液中未見(jiàn)明顯沉淀，SDBS分散的懸浮液中稍有沉淀，PAA復(fù)合Tx100分散的懸浮液和D-180分散的懸浮液中均能觀察到明顯的黑色沉淀物.

為了在短時(shí)間內(nèi)測(cè)試出4種表面活性劑對(duì)CNFs懸浮液的穩(wěn)定性影響，本實(shí)驗(yàn)采用了離心分離的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.在相同條件下，SDS作為分散劑時(shí)CNFs懸浮液的穩(wěn)定性最好，SDBS作為分散劑時(shí)CNFs懸浮液的穩(wěn)定性次之，PAA復(fù)合Tx100作為分散劑時(shí)CNFs懸浮液的穩(wěn)定性最差.

2.5分散機(jī)理討論

CNFs能夠在水性體系中實(shí)現(xiàn)分散是由于表面活性劑分子在水溶液中會(huì)吸附或包裹在CNFs的表面，這種吸附或者包裹作用不會(huì)破壞CNFs的結(jié)構(gòu)與形

貌，而是在CNFs表面產(chǎn)生一種非共價(jià)鍵修飾，表面活性劑分子通過(guò)疏水端吸附在CNFs的表面，有時(shí)為平躺式吸附，通過(guò)親水端與水相互作用而鉆入水中，來(lái)實(shí)現(xiàn)CNFs在水性體系中的分散.離子型表面活性劑(如SDS和SDBS)主要依靠其親水性基團(tuán)與憎水性基團(tuán)之間的庫(kù)侖吸引力來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附的作用，非離子型表面活性劑(如Tx100)主要依靠親水基團(tuán)之間的靜電斥力或特殊的吸附機(jī)理吸附在CNFs的管壁上保持體系穩(wěn)定，阻止CNFs的團(tuán)聚.

圖7為SDS在CNFs表面的吸附過(guò)程.本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，SDS和SDBS疏松地吸附于CNFs表面，并且隨著濃度的增加，逐漸形成膠團(tuán).當(dāng)表面活性劑分子達(dá)到或超過(guò)臨界膠團(tuán)濃度后，此時(shí)再增加表面活性劑的濃度，就會(huì)造成其彼此之間爭(zhēng)奪CNFs的情況，吸附于CNFs表面的分子量并不會(huì)再增加.相反地，溶液中膠束增多，每個(gè)膠束包含的分子數(shù)增多，從而造成膠束

爭(zhēng)奪表面層的活性劑分子，這不僅不能進(jìn)一步降低體系的表面張力，反而會(huì)使表面張力上升，導(dǎo)致懸浮液的穩(wěn)定性降低，團(tuán)聚現(xiàn)象再次發(fā)生.理論上講，SDBS的分散效果應(yīng)該強(qiáng)于SDS，因?yàn)槠漭^SDS多出一個(gè)苯環(huán)結(jié)構(gòu)，空間位阻更大，但實(shí)驗(yàn)的初始分散效果并沒(méi)有與之相符，這可能與CNFs的表面性質(zhì)有關(guān).PAA與D-180為聚合物，它們?cè)诎l(fā)生電離的同時(shí)包覆在CNFs表面，通過(guò)基團(tuán)之間的靜電斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)CNFs的分散.同時(shí)，D-180溶液還具有一定的黏性，在一定程度上增大了溶液的內(nèi)部阻力，減緩團(tuán)聚.非離子型表面活性劑Tx100可以強(qiáng)烈分散石墨類(lèi)物質(zhì)，且其含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，可以增大空間位阻，故可用于在水性體系中分散CNFs.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，CNFs懸浮液中會(huì)出現(xiàn)沉淀，懸浮液的吸光度也會(huì)隨之降低.這是由于表面活性劑在CNFs表面的吸附是一種物理作用，并沒(méi)有形成疏水化學(xué)鍵合，只是在CNFs的表面產(chǎn)生一種非共價(jià)表面修飾，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，表面活性劑分子所形成的膠團(tuán)會(huì)發(fā)生解析，造成CNFs再次團(tuán)聚沉淀.

3結(jié)論

本文采用4種不同表面活性劑，通過(guò)紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)法、TEM及FESEM觀察、Zeta電位法、表面張力測(cè)試、靜置和離心分離法，對(duì)比了4種表面活性劑對(duì)CNFs的分散效果，得到如下結(jié)論.

(1)UV-vis測(cè)試和Zeta電位測(cè)試結(jié)果表明，4種表面活性劑中，SDS對(duì)CNFs的分散性最好，SDBS次之，而D-180好于PAA復(fù)合Tx100.

(2)TEM下觀察SDS與SDBS分散的CNFs懸浮液，可以看到CNFs纏結(jié)現(xiàn)象明顯得到改善，可觀察到單根CNF存在，SDS對(duì)CNFs的分散效果強(qiáng)于SDBS.

(3)通過(guò)表面張力儀分別測(cè)試了4種表面活性劑溶液在最佳摻量下的表面張力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:SDS使溶液的表面張力下降到最低，最有利于CNFs的分散.

(4)4種表面活性劑中，SDS作為分散劑時(shí)CNFs懸浮液的穩(wěn)定性最好.

(5)SDS與SDBS對(duì)CNFs的分散機(jī)理主要是在CNFs表面形成吸附膜，通過(guò)疏水連段之間的空間排斥力和自身電離產(chǎn)生的靜電斥力共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)分散.D-180和PAA復(fù)合Tx100則是對(duì)CNFs進(jìn)行包覆，并通過(guò)基團(tuán)之間的靜電斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CNFs的分散.