2.2 SAA溶液表面張力分析

對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(本實驗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的分散效果相對最佳，故在TEM下觀察對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)，幾乎無團(tuán)聚纏繞現(xiàn)象，單根的CNF形貌清晰且完整.

采用FESEM對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.

為了在短時間內(nèi)測試出4種表面活性劑對CNFs懸浮液的穩(wěn)定性影響，本實驗采用了離心分離的方法，實驗結(jié)果如圖6所示.在相同條件下，SDS作為分散劑時CNFs懸浮液的穩(wěn)定性最好，SDBS作為分散劑時CNFs懸浮液的穩(wěn)定性次之，PAA復(fù)合Tx100作為分散劑時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現(xiàn)分散是由于表面活性劑分子在水溶液中會吸附或包裹在CNFs的表面，這種吸附或者包裹作用不會破壞CNFs的結(jié)構(gòu)與形

貌，而是在CNFs表面產(chǎn)生一種非共價鍵修飾，表面活性劑分子通過疏水端吸附在CNFs的表面，有時為平躺式吸附，通過親水端與水相互作用而鉆入水中，來實現(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)之間的庫侖吸引力來實現(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表面的吸附過程.本實驗研究發(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)到或超過臨界膠團(tuán)濃度后，此時再增加表面活性劑的濃度，就會造成其彼此之間爭奪CNFs的情況，吸附于CNFs表面的分子量并不會再增加.相反地，溶液中膠束增多，每個膠束包含的分子數(shù)增多，從而造成膠束

爭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，因為其較SDS多出一個苯環(huán)結(jié)構(gòu)，空間位阻更大，但實驗的初始分散效果并沒有與之相符，這可能與CNFs的表面性質(zhì)有關(guān).PAA與D-180為聚合物，它們在發(fā)生電離的同時包覆在CNFs表面，通過基團(tuán)之間的靜電斥力來實現(xiàn)CNFs的分散.同時，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.

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，隨著時間的延長，CNFs懸浮液中會出現(xiàn)沉淀，懸浮液的吸光度也會隨之降低.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)生一種非共價表面修飾，經(jīng)過一定的時間后，表面活性劑分子所形成的膠團(tuán)會發(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，通過紫外/可見分光光度計法、TEM及FESEM觀察、Zeta電位法、表面張力測試、靜置和離心分離法，對比了4種表面活性劑對CNFs的分散效果，得到如下結(jié)論.

(1)UV-vis測試和Zeta電位測試結(jié)果表明，4種表面活性劑中，SDS對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CNFs的分散效果強(qiáng)于SDBS.

(3)通過表面張力儀分別測試了4種表面活性劑溶液在最佳摻量下的表面張力，實驗結(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CNFs懸浮液的穩(wěn)定性最好.

(5)SDS與SDBS對CNFs的分散機(jī)理主要是在CNFs表面形成吸附膜，通過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實現(xiàn)分散.D-180和PAA復(fù)合Tx100則是對CNFs進(jìn)行包覆，并通過基團(tuán)之間的靜電斥力來實現(xiàn)對CNFs的分散.