2.2 SAA溶液表面张力分析

对4种表面活性剂在最佳分散浓度下的水溶液进行表面张力测试，结果表明:4种溶液的表面张力均小于蒸馏水的表面张力(本实验用蒸馏水的表面张力为72.13x10-3 N/m);SDS溶液的表面张力最低，为28.80x10-3 N/m;其次是SDBS和D-180，分别为29.82x10-3和30.61x10-3N/m;表面张力最大的为PAA复合Tx100，为37.25x10{}^{-3}N/m.由此可以进一步证明SDS对CNFs分散性能最好，SDBS次之，PAA复合Tx100分散效果最差.

2.3 TEM及FESEM分析

由于4种表面活性剂中，SDS与SDBS的分散效果相对最佳，故在TEM下观察对比了两者的分散状态，结果如图3所示.图3(a)为未分散的CNFs，可以明显观察到CNFs缠结团聚，几乎无法找到单根CNFs.图3(b)中可以看出，SDBS分散的CNFs缠绕现象明显改善，可以观察到松散的CNFs，且形貌清晰.图3(c)中的SDS分散的CNFs分散状态强于图3(b)，几乎无团聚缠绕现象，单根的CNF形貌清晰且完整.

采用FESEM对4种表面活性剂分散的CNFs进行了观察.图4(a)为SDS分散的CNFs，可以看到单根分散的CNF;图4(b)为D-180分散的CNFs，单根CNFs被表面活性剂包裹，分散效果明显，但悬浮液黏度稍大;图4(c)为PAA复合Tx100分散的CNFs，由于复合分散剂的黏度大，且分散效果不佳，CNFs相互缠结并被表面活性剂包裹，团聚现象未得到改善;图4(d)为SDBS分散的CNFs，分散效果十分明显.

2.4 CNFs分散体系的稳定性表征

图5为静置7d后4种表面活性剂分散的CNFs悬浮液的状态.可以看出，采用SDS分散的CNFs悬浮液中未见明显沉淀，SDBS分散的悬浮液中稍有沉淀，PAA复合Tx100分散的悬浮液和D-180分散的悬浮液中均能观察到明显的黑色沉淀物.

为了在短时间内测试出4种表面活性剂对CNFs悬浮液的稳定性影响，本实验采用了离心分离的方法，实验结果如图6所示.在相同条件下，SDS作为分散剂时CNFs悬浮液的稳定性最好，SDBS作为分散剂时CNFs悬浮液的稳定性次之，PAA复合Tx100作为分散剂时CNFs悬浮液的稳定性最差.

2.5分散机理讨论

CNFs能够在水性体系中实现分散是由于表面活性剂分子在水溶液中会吸附或包裹在CNFs的表面，这种吸附或者包裹作用不会破坏CNFs的结构与形

貌，而是在CNFs表面产生一种非共价键修饰，表面活性剂分子通过疏水端吸附在CNFs的表面，有时为平躺式吸附，通过亲水端与水相互作用而钻入水中，来实现CNFs在水性体系中的分散.离子型表面活性剂(如SDS和SDBS)主要依靠其亲水性基团与憎水性基团之间的库仑吸引力来实现吸附的作用，非离子型表面活性剂(如Tx100)主要依靠亲水基团之间的静电斥力或特殊的吸附机理吸附在CNFs的管壁上保持体系稳定，阻止CNFs的团聚.

图7为SDS在CNFs表面的吸附过程.本实验研究发现，SDS和SDBS疏松地吸附于CNFs表面，并且随着浓度的增加，逐渐形成胶团.当表面活性剂分子达到或超过临界胶团浓度后，此时再增加表面活性剂的浓度，就会造成其彼此之间争夺CNFs的情况，吸附于CNFs表面的分子量并不会再增加.相反地，溶液中胶束增多，每个胶束包含的分子数增多，从而造成胶束

争夺表面层的活性剂分子，这不仅不能进一步降低体系的表面张力，反而会使表面张力上升，导致悬浮液的稳定性降低，团聚现象再次发生.理论上讲，SDBS的分散效果应该强于SDS，因为其较SDS多出一个苯环结构，空间位阻更大，但实验的初始分散效果并没有与之相符，这可能与CNFs的表面性质有关.PAA与D-180为聚合物，它们在发生电离的同时包覆在CNFs表面，通过基团之间的静电斥力来实现CNFs的分散.同时，D-180溶液还具有一定的黏性，在一定程度上增大了溶液的内部阻力，减缓团聚.非离子型表面活性剂Tx100可以强烈分散石墨类物质，且其含有苯环结构，可以增大空间位阻，故可用于在水性体系中分散CNFs.

实验过程中发现，随着时间的延长，CNFs悬浮液中会出现沉淀，悬浮液的吸光度也会随之降低.这是由于表面活性剂在CNFs表面的吸附是一种物理作用，并没有形成疏水化学键合，只是在CNFs的表面产生一种非共价表面修饰，经过一定的时间后，表面活性剂分子所形成的胶团会发生解析，造成CNFs再次团聚沉淀.

3结论

本文采用4种不同表面活性剂，通过紫外/可见分光光度计法、TEM及FESEM观察、Zeta电位法、表面张力测试、静置和离心分离法，对比了4种表面活性剂对CNFs的分散效果，得到如下结论.

(1)UV-vis测试和Zeta电位测试结果表明，4种表面活性剂中，SDS对CNFs的分散性最好，SDBS次之，而D-180好于PAA复合Tx100.

(2)TEM下观察SDS与SDBS分散的CNFs悬浮液，可以看到CNFs缠结现象明显得到改善，可观察到单根CNF存在，SDS对CNFs的分散效果强于SDBS.

(3)通过深夜黄色网站分别测试了4种表面活性剂溶液在最佳掺量下的表面张力，实验结果表明:SDS使溶液的表面张力下降到最低，最有利于CNFs的分散.

(4)4种表面活性剂中，SDS作为分散剂时CNFs悬浮液的稳定性最好.

(5)SDS与SDBS对CNFs的分散机理主要是在CNFs表面形成吸附膜，通过疏水连段之间的空间排斥力和自身电离产生的静电斥力共同作用来实现分散.D-180和PAA复合Tx100则是对CNFs进行包覆，并通过基团之间的静电斥力来实现对CNFs的分散.