SDBS对碳纳米管在水中的分散作用和影响因素

ＳＤＢＳ对碳纳米管在水中的　分散作用和影响因　陈　锋　周　武　章　翔　中国计量学院环境工程系　【摘　要】本文考察了ＳＤＢＳ在超声、震荡两种不同条件下在碳纳米管上的吸附情况，及其对碳纳米管　的分散作用。研究发现，碳纳米管对ＳＤＢＳ的吸附量受超声或震荡方式的影响不大，而超声条件下碳纳　米管的分散能力显著强于震荡条件，在ＳＤＢＳ浓度为５００—１０００ｍｇ／Ｌ范围内，超声条件可以使各种管径　的碳纳米管均可以得到很好的分散。　【关键词】碳纳米管；表面活性剂；ＳＤＢＳ吸附；分散　自从１９９１年日本ＮＥＣ公司的Ｉｉｊｉｍａ发现碳纳　未经处理的碳纳米管在水中不分散　，然而　米管以来¨。】，其所特有的各种优异性能及潜在的　当水体中存在表面活性剂等其它化学物质时，会　应用价值引起了人们的广泛关注。在过去的２０年　对碳纳米管的分散起到一定的促进作用　引，从　中，碳纳米管（ＣＮＴ）在材料、催化、光学器件、分　而增大碳纳米管在水体中的分散和迁移能力。为　子开关、生物医学、环境修复等各领域被广泛的　了更全面的了解表面活性剂存在下碳纳米管在　研究和应用口　。与此同时，新型碳纳米材料的开发　水环境中迁移规律，本文以十二烷基苯磺酸钠　和工业生产的规模也不断扩大。随着碳纳米管的　（ＳＤＢＳ）为代表，考察了表面活性剂的浓度、分散　生产和使用量的日益增加，其不可避免地最终释　方式等对碳纳米管分散的影响。　放到环境中。碳纳米管由于特有的纳米级尺寸，　可以透过细胞膜进入组织细胞从而产生一定的　１实验部分　毒副作用。纳米颗粒在环境中的迁移、转化及归　１．１试剂和材料　宿，其对人类健康和生态环境的潜在风险已经引　起了科学界的高度重视　】。　实验用多壁碳纳米管购自深圳纳米港有　限公司，长度＜１．５　ｉｎ，壁厚分别为１　０～２０ｎｍ，　基金项目：浙江省大学生科技创新项目（２０１３Ｒ４０９０２４）　２０－４０ｎｍ，４０－６０ｎｍ￣Ｈ６０－ｌ　ＯＯｎｍ，未做进一步处　理。其它试剂均为分析纯。　１．２实验方法　称取１５ｍｇ碳纳米管置于２２ｍＬ透明螺纹口样　品瓶中，再加入２０ｍＬ十二烷基苯磺酸钠溶液（浓　度为２００－２０００ｍｇ／Ｌ）。在２５℃下震荡２４ｈ（或超声　。Ｄ　毫　吕　删　３０ｍｉｎ）以使碳纳米管分散，再在３　０００ｒ／ｍｉｎ条件下　釜　离心２０ｍｉｎ，取上部分散液用分光光度计分别测定　十二烷基苯磺酸钠的浓度和碳纳米管的吸光度。　２结果与讨论　２．１碳纳米管对ＳＤＢＳ的吸附　表面活性剂在碳纳米管表面的吸附是其对　碳纳米管分散作用的前提。吸附在碳管表面的两　亲性表面活性剂改变了碳纳米管的表面性质，０　Ｏ　０　０　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　８　７　６　５　４　３　２　ｌ　Ｏ　从　而改变其在水中的分散行为。　实验研究了不同管径多壁碳纳米管在震荡　和超声两种不同分散条件下对ＳＤＢＳ的吸附情　况，结果如图１和图２所示。在震荡和超声的条件　下，ＳＤＢＳ均可以吸附到碳纳米管表面，两种不　同条件下碳纳米管对ＳＤＢＳ的吸附量差别并不显　著，在低浓度区（２００—１　０００ｍｇ／Ｌ）震荡条件下碳　纳米管对ＳＤＢＳ的吸附量略高于超声条件下的吸　附。碳纳米管的壁厚对其吸附ＳＤＢＳ的能力也有　明显影响，从图可以看出，无论是在超声还是震　荡条件下，随着碳纳米管管径的增加，其对ＳＤＢＳ　的吸附能力下降，在实验考查的四种不同管径碳　纳米管中，管径６０－１００ｎｍ的碳管对ＳＤＢＳ的吸附　能力最弱。这可能是由于管壁越厚的碳管，其表　面层碳原子的表面能越弱。　２．２碳纳米管的分散　未改性的碳纳米管在水体中由于表面间巨　大的范德华力聚集在一起，表现出较差的分散能　力。当外界条件发生改变时，影响碳纳米管的表　面性质从而影响其在水体中的分散性能。图３和　图４为ＳＤＢＳ存在下分别以震荡和超声方式对碳　纳米管进行分散的实验结果。　１　２　∽　∞　凸　∽　０　５００　１０００　ｌ５００　２０００　ＳＤＢＳ初始浓度／ｍｇ／Ｌ　图１震荡条件下碳纳米管对ＳＤＢＳ的吸附　０－８　０．７　Ｏ．６　∞　宕　Ｅ　删　∽　∞　凸　∽　Ｏ．１　Ｏ　０　５００　１０００　１５００　ＳＤＢＳ初始浓度／ｍｇ／Ｌ　图２超声条件下碳纳米管对ＳＤＢＳ的吸附　１．２　１．０　０　８　Ｏ．６　０．４　０．２　０．０　Ｏ　ＳＤＢＳ浓度／ｍｇ／Ｌ　图３震荡条件下ＳＤＢＳ对碳纳米管在水中分散的影响　图４超声条件下ＳＤＢＳ对碳纳米管在水中分散的影响　以震荡方式对碳纳米管进行分散时，体系中　ＳＤＢＳ的投加量对分散能力有显著影响。由图３可　见，随着ＳＤＢＳ浓度的增加，碳纳米管的分散能力　明显增加。吸附在碳纳米管表面的ＳＤＢＳ增强了　碳管的亲水性，而水中ＳＤＢＳ形成的表面活性剂　胶束对碳纳米管也起到　一定的“增溶”作用。此　外，碳纳米管的管径对分散的影响也非常显著，　管径６０－１００ｎｍ的碳纳米管的分散能力显著强于　其它管径的碳纳米管。　ＳＤＢＳ存在下，超声方式对碳纳米管的分散　能力显著优于震荡方式，除管径６０－１００ｎｍ的碳　纳米管外，在１　０００ｍｇ／Ｌ　ＳＤＢＳ下超声方式分散的　碳纳米管分散量约为震荡方式的５～７倍。由吸附　实验的结果发现，在该条件下，碳纳米管对ＳＤＢＳ　的吸附量相差不多。超声条件下，团聚在一起的　碳纳米管会瞬间分离，从而使ＳＤＢＳ分子有机会　进入碳纳米管团聚体的内部被吸附。正是这种吸　附位置的不同，使得超声条件下碳纳米管的分散　性能显著优于震荡条件。同时可以发现，管径对　碳纳米管的分散影响不大，在ＳＤＢＳ初始浓度为　５００—１　０００ｍｇ／Ｌ范围内，实验考察的四种不同管径　碳纳米管均得到较好的分散。　３结论　本文研究了在超声和震荡两种不同条件下，　四种不同管径的多壁碳纳米管对表面活性剂　ＳＤＢＳ的吸附性能及该条件下的分散情况。研究发　现，碳纳米管对ＳＤＢＳ的吸附量受超声或震荡方式　的影响不大，而超声条件下碳纳米管的分散能力　显著强于震荡条件，在ＳＤＢＳ浓度为５００—１　０００ｍｇ／Ｌ　范围内，超声条件可以使各种管径的碳纳米管均　可以得到很好的分散。　参考文献　【１】Ｉｉｊｉｍａ，Ｓ．Ｈｅｌｉｃａｌ　Ｍｉｃｒｏｔｕｂｌｅｓ　ｏｆ　Ｇｒａｐｈｉｃ　Ｃａｒｂｏｎ［Ｊ】．　Ｎａｔｕｒｅ，１９９１，３５４：５６—５８　【２】Ｉｉｊｉｍａ，Ｓ．，Ｉｃｈｉｈａｓｈｉ，Ｔ．Ｓｉｎｇｌｅ—ｓｈｅｌｌ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｏｆ　１一ａｍ　Ｄｉａｍｅｔｅｒ［Ｊ】．Ｎａｔｕｒｅ，１９９３，３６３：６０３—６０５　【３】Ｃｏｌｖｉｎ，Ｖ．Ｌ．Ｔｈｅ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ　Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ】．Ｎａｔｕｒｅ　Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２００３，２１：１１６６—１１７０　【４】Ｌａｍ，Ｃ．，Ｊａｍｅｓ，Ｊ．Ｔ．，Ｍｃｃｌｕｓｋｅｙ，Ｒ．Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｎａｎｏｔｕｂｅ　Ｔｏｘｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　Ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｈｅａｌｔｈ　Ｒｉｓｋｓ［Ｊ］．Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｒｅｖ．Ｔｏｘｉ．，２００６，３６：１８９—２１７　【５】Ｂｏｒｍ，Ｐ．Ｊ．Ａ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ：Ｆｒｏｍ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｉｎｇ　ｔｏ　Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｉｎｈａｌａｔｉｏｎ　Ｔｏｘｉｃｏｌ，２００２，１４：３　１　１－３２４　【６】Ｃｈｅｎ，Ｑ．，Ｓａｌｔｉｅｌ，Ｃ．，Ｍａｎｉｃｋａｖａｓａｇａｍ，Ｓ．Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ—ｗａｌｌｅｄ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｉｎ　Ｄｉｌｕｔｅ　Ａｑｕｅｏｕｓ　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｏｌｌｏｉｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｓｃｉ，２００４，２８０：９１—９７　【７】Ｈａｍ，Ｈ．Ｔ．，Ｃｈｏｉ，Ｙ．Ｓ．，Ｃｈｕｎｇ，Ｉ．Ｊ．Ａｎ　Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　Ｓｔａｔｅｓ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ－－ｗａｌｌｅｄ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｎａｎｏ－・ｔｕｂｅｓ　ｉｎ　Ｓｏｌｖｅｎｔｓ　ａｎｄ　Ａｑｕｅｏｕｓ　Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｏｌｌｏｉｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｓｃｉ，２００５，２８６：２１６—２２３　【８】Ｊｅｅｖａｎａｎｄａ，Ｔ．，Ｓｉｄｄａｒａｍａｉａｈ，Ｋ．，Ｋｉｍ，Ｎ．Ｈ．，Ｈｅｏ，Ｓ．Ｂ．，Ｌｅｅ，　Ｊ．Ｈ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ－ｍｕｌｉｔｗａｌｌｅｄ　ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅＮａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｔｈｅＰｒｅｓｅｎｃｅｏｆＳｏｄｉｕｍ　Ｄｏｄｅｃｙｌ　Ｓｕｌｆａｔｅ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｍ．Ａｄｖ．Ｔｅｃｈｎｏｌ，２００８，１９：１７５４－１７６２　１　３