[论文解读] Regulation of dispersion of carbon nanotubes in a mixture of good and bad solvents

O. Deriabina, Nikolaï Lebovka+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2013

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 52被引用 4

一句话总结

本研究证明，通过调节水分数 X，可以精确调控多壁碳纳米管（MWCNTs）在水-1-环己基-2-吡咯烷酮（CHP）混合液中的分散行为。当 X 从 0 变化到 1.0 时，MWCNT 团簇的分形维数增加至约 1.9（当 X→1 时），电导率表现出多个逾渗阈值，表明形成了复杂的网络结构，而表面张力无法准确预测分散行为。

ABSTRACT

The microstructure and electrical conductivity of suspensions of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in binary liquid mixtures water-1-Cyclohexyl-2-pyrrolidone (CHP) were studied in the heating and cooling cycles. The concentration of MWCNTs was varied in the interval between 0-1 wt.% and the content of water in a binary mixture X = [water]/([CHP]+[water]) was varied within 0-1.0. The experimental data have shown that dispersing quality of MWCNTs in a mixture of good (CHP) and bad (water) solvents may be finely regulated by adjustment of composition of the CHP+ water mixtures. The aggregation ability of MWCNTs in dependence on X was discussed. The surface of MWCNT clusters was highly tortuous, its fractal dimension df increased with increase of X, approaching -> 1.9 at X->1. It was concluded that the surface tension is not suitable characteristic for prediction of dispersion ability in the mixture of good and bad solvents. The electrical conductivity data evidenced the presence of a fuzzy-type percolation with multiple thresholds in the systems under investigation. This behavior was explained by formation of different percolation networks in dependence of MWCNT concentration.

研究动机与目标

• 研究水-CHP 混合液中溶剂组成对 MWCNT 分散与聚集行为的影响。
• 确定表面张力在预测混合溶剂中分散质量方面的角色。
• 利用电导率作为探针，分析 MWCNT 悬浮液中逾渗网络形成的机制。
• 量化 MWCNT 团簇的分形维数随溶剂组成的变化关系。

提出的方法

• 系统性地改变 CHP-水混合液中水含量 X，范围从 0 到 1.0。
• 在二元混合液中制备 MWCNT 浓度为 0–1 wt.% 的悬浮液。
• 通过加热与冷却循环评估分散稳定性及微观结构演变。
• 测量电导率以检测逾渗阈值及网络形成行为。
• 利用分形维数（df）分析团簇表面形貌，表征聚集行为。
• 将表面张力与实际观察到的分散行为进行比较，评估其预测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 CHP-水混合液中的水分数 X 如何调控 MWCNT 的分散质量？
• RQ2 溶剂组成 X 与 MWCNT 团簇分形维数 df 之间存在何种关系？
• RQ3 为何在良溶剂与不良溶剂的混合溶剂中，表面张力无法作为分散行为的预测指标？
• RQ4 MWCNT 悬浮液中电导率为何表现出多个逾渗阈值？
• RQ5 该体系中观察到的模糊型逾渗行为背后的微观结构特征是什么？

主要发现

• 随着水分数 X 增加，MWCNT 团簇的分形维数 df 也随之上升，在 X 接近 1.0 时趋近于 1.9。
• 电导率表现出多个逾渗阈值，表明在不同 MWCNT 浓度下形成了多个共存的导电网络。
• 在 X 从 0 到 1.0 的整个范围内，分散质量均可精细调控，最优分散效果出现在中间 X 值处。
• 表面张力被证明无法准确描述良溶剂与不良溶剂混合体系中的分散行为。
• MWCNT 的聚集行为强烈依赖于溶剂组成，团簇形貌随 X 增加从致密结构演变为高度扭曲的结构。
• 该体系表现出模糊型逾渗行为，即电导率转变发生在较宽的浓度范围内，这是由于网络形成具有异质性。