陈郅杰
【摘 要】碳纳米管作为上世纪九十年代发现的新型材料，应用前景无可限量。具有良好的抗压抗拉能力也能显著增强基体材料的性能，但本身分子量小所以需要完全分散才能凸显他的良好性能。以水泥基为例，添加碳纳米管的混凝土抗折强度显著提高，抗弯强度得到增强，但当掺量过高时则反而会降低性能，同时水泥材料的龄期也会因为碳纳米管的加入而得到缩短，但过量后龄期反而会增加。
【关键词】碳纳米管 分散 力学性能 参数变化
碳纳米管虽然具有诸多优异性能，并能显著增强材料的各项性能，但本身作为高分子材料，分子量较小，管径很小，比表面积大，表面能大，非常容易团聚在一起，这样则会产生反效果（如圖1所示），尤其是对碳纳米管的复合材料而言，这些团聚起来的碳纳米管管径小以难分散开，同时材料中也会出现应力集中点，会削弱材料性能，因此在使用碳纳米管增强材料的性能及应用在其他方面都必须要将碳纳米管完全分散以达到最佳的使用效果。
1 碳纳米管分散
碳纳米管的分散主要使用物理或者化学方法。团聚体的分散方法主要包括机械搅拌、添加表面活性剂、超声波处理等，所以对碳纳米管的分散方法也主要由这些方法发展而来，物理方法主要有碾磨、球磨、超声波等；化学方法主要有添加表面活性剂、强酸强碱洗涤等；还可采用原位合成法制备碳纳米管复合材料。
1.1 强酸洗涤
碳纳米管表面存在一些缺陷，而通过使用强酸强碱的强氧化性可将其溶断，再将它们分散[1]。强酸洗涤可以把团聚体表面的碳纳米管溶断分散，但无法进入团聚体内部，因此溶液中也就会存在微小的碳纳米管团聚，需要额外的工序将其去除。
1.2 聚合物溶剂
于作龙[2]等公开了一种分散碳纳米管的方法，即先把碳纳米管加到具有一定粘度的聚合物溶体中，然后通过研磨装置把碳纳米管均匀分散在聚合物中，同时碳纳米管也会在摩擦力和聚合物内部的剪力等作用下被截断，最后去除聚合物即可。但使用这种方法无法解决团聚问题，所以效果并不是很好。
1.3 超声波分散
超声波处理的作用可分为两方面：一是由于多壁碳纳米管的管壁上存在着小洞样子的缺陷，运用超声波处理可以使得碳纳米管从缺陷处被震断缩短从而进行分散。不过可以预见的是在震断的同时也会将碳纳米管团聚物震的更加紧实，反而更加难以分散。二是在溶液中的产生了大量微小气泡，通过这些气泡“炸开”产生的具有较大能量的冲击波使得周围依靠范德华力结合在一起的碳纳米管被震开，这样也就达到了分散的目的。
1.4 原位生长合成法
原位生长合成法是通过碳纳米管制备工艺，以化学气相沉积法为主，在基体材料表面原位生长出碳纳米管，甚至是定向排列的碳纳米管[3]。使用此方法可以在制备碳纳米管的同时就分散，这样就避免了碳纳米管的团聚。但是该方法工艺繁杂限制条件很多而且不容易控制，并且制备出的复合材料致密度较低，反而无法凸显出碳纳米管的优越性能。
1.5 表面修饰法
目前常用的修饰法分共价修饰法与表面活性剂（SAA）非共价修饰法两种。
共价化学修饰法就是把碳管表面氧化或引进有机官能团从而修饰碳纳米管表面[4]，主要分为强氧化剂处理法、酯化修饰法、烷基化修饰法等。这种方法可使碳纳米管表面或被缩短的碳纳米管末端的打开，使其末端含有一定数量的活性基团如羟基等。这样不仅增加了碳纳米管的亲水性使其易溶于水等溶液中，而且为与其它物质或基团反应提供了基础，进而可与亲水基体材料产生较好复合均匀度和黏结界面强度。
而表面活性剂非共价修饰法在有效分散碳纳米管的同时不会对碳纳米管的性能产生负面影响[5]。表面活性剂分为离子型与非离子型两种。不论哪种表面活性剂都会吸附包裹在碳纳米管表面，而不会破坏碳纳米管的结构，离子型表面活性剂吸附在碳纳米管表面，主要依靠亲水基团之间的静电斥力阻止碳纳米管之间的聚集，非离子型表面活性剂|碳纳米管分散体系也是基于吸附机理，而其头基和尾基杂乱、随机地吸附在的管壁上保持体系稳定。
1.6 应用情况
目前，碳纳米管的分散方法包括机械搅拌法、超声处理法、电场诱导法、表面修饰法（共价修饰、非共价修饰）等，但单一方法都存在无法去除团聚的缺陷，所以在实际运用中多注重以上几种方法的综合使用。
2 力学性能
碳纳米管基材料有多种应用方式，主要应用于塑料，电气原件，以及金属基中可以显著提升它们自身的性能，为当下要求越来越高的设备提供优秀的原件以便使用。下面以水泥基为例，研究加入MWCNTs后它各项力学性能的变化。
2.1 抗压强度
韩瑜在他2012-2013年中所做的试验中，在控制水灰比为0.35的情况下，随着碳纳米管用量的增加，比较了水泥抗压强度的不同。
实验测试了六组试件（N0-N5，其中N0为空白对照组），MWCNTs的用量分别为0.00、0.05、0.08、0.10、0.12、0.15（wt%），同时分散剂GA的用量也成比例增加，分别为0.00、0.30、0.48、0.60、0.72、0.90（%），TBP均为0.13%，在这样的情况下，抗压强度分别为77.4、82.9、83.1、84.5、80.8、73.0（MPa），N1-N5对比N0得抗压强度增长分别为7.1、7.4、9.2、4.4、-5.7（%）。
有上述数据可以看出，加入MWCNTs后水净泥浆的抗压强度得到显著增强，在MWCNTs的用量为0.1wt%时，水泥的抗压强度达到最高为84.5MPa，与空白试件相比提升了9.2%，然后随着MWCNTs用量的增加，试件抗压强度反而下降甚至低于空白试件，这种现象应是碳纳米管用量过多导致团聚造成的。
2.2 抗折强度
在测试抗折强度时，仍然控制水灰比为0.35，测试了六组试件（N0-N5），MWCNTs、GA、TBP的用量与测试抗压强度一致。在这情况下，测得其抗折强度分别为11.0、11.7、15.8、15.0、13.1、10.5（MPa），N1-N5与N0对比抗折强度的增幅分别为6.4、43.6、36.4、19.1、-4.5（%）。[6]
抗折强度变化趋势和抗压强度类似，不过提升更为明显，当MWCNTs用量为0.08wt%时，试件N2的抗折强度最高为15.8，与空白试件相比提升了43.6%。
3 参数变化的影响
除基本的力学性能外，掺量及时间等参数对于水泥基碳纳米管的力学性能也有着较大的影响。
3.1 掺量变化
当随着MWCNTs加入后，试件的力学强度提升显著。砂浆的抗压强度随着碳纳米管的掺量增加而增强，当掺量为0.1wt%时，抗压强度达到峰值89.4MPAa，较空白试件提升21.6%，之后随着碳纳米管的掺量增加而降低。抗折强度的变化情况与其类似，当MWCNTs掺量为0.8wt%时，试件的抗折强度达到峰值，较空白试件提升38.5%，但随后降低趋势较抗压强度更平缓。
3.2 时间变化
实验测试碳纳米管掺量不同对于水泥砂浆的力学强度随龄期变化的结果如图2所示。
由实验结果可得抗折强度的大小随龄期增长而增大。当龄期为7天时试件H3强度最大，其他试件且均高于空白试件。在7天到28天之间，试件H2和H3的增幅最快，不过在56天龄期时，抗折强度仅略高于28天时的测量值。其它试件普遍在28天到56天龄期时增长较快。
实验测试碳纳米管掺量不同对于水泥砂浆的抗压强度随龄期变化的结果如图3所示。由实验结果可得，抗压强度的大小也随龄期增长而增大。在龄期为7天时，试件H1、H2与空白试件相差不大。且在龄期到28天之前，除了试件H1、H2，其他均有较明显的增长。在龄期在28天到56天之间，除了H5、H6其他试件均没有明显增长。
由上图可知，随着MWCNTs掺量的增加，水泥基材料的龄期在不断减小，但H3为一个转折点，当用量大于H3的用量时，龄期反而增加。
4 结语
综上所述，尽管碳纳米管有着极其卓越的性能但由于它分子量小，容易在材料中形成团聚导致应力集中反而会降低材料性能，所以应当多种分散方法并用达到最佳的使用效果。同时在水泥基试验中可以看出，碳纳米管的掺量应当适量，过少效果不易体现，过多则会团聚降低材料性能。
参考文献：
[1]武玺旺，肖建中，夏风，胡永刚，彭周. 碳纳米管的分散方法与分散机理[J].材料导报，2011，09：16-19.
[2]于作龙，陈利，张伯兰，等.一种截断碳纳米管的方法：中国，CN1696053[P].2004-05-14.
[3] Li M J， Wang X B， Tian R， et al. Preparation， solubility，and electrorheological properties of carbon nanotubes/poly（methyl methacrylate）nanocomposites by in situ functiona-lization[J].Compos： Part A，2009，40（4）：413.
[4]陳北明，杨德安.聚合物基复合材料制备中碳纳米管的分散方法[J].材料导报，2007，21（VB）：99-101.
[5] Treacy M M J， Ebbesen T W， Gibson J M. Exceptionally high Young's modulus observed forindividual carbon nanotubes[J].1996：678-680.
[6]韩瑜.碳纳米管的分散性及其水泥基复合材料力学性能[D].大连理工大学，2013年.
