碳納米管導(dǎo)電劑怎么團(tuán)聚了？— 揭秘團(tuán)聚現(xiàn)象與新型檢測手段

在新能源、復(fù)合材料等領(lǐng)域，碳納米管（CNTs）因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、力學(xué)性能和輕質(zhì)特點(diǎn)，作為導(dǎo)電劑被廣泛應(yīng)用。然而，一個長期困擾科研人員和工程師的難題是：精心制備的碳納米管導(dǎo)電漿料，有時會莫名其妙地出現(xiàn)性能下降，比如導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)、涂布不均勻等。究其原因，往往指向一個“隱形殺手”——碳納米管的團(tuán)聚。

碳納米管為何易“抱團(tuán)”？

碳納米管本身具有極-高的長徑比和巨大的比表面積，這使得它們之間存在強(qiáng)烈的范德華力。一旦分散體系受到擾動（如溶劑揮發(fā)、pH值變化、剪切力減弱等），或者分散劑選擇不當(dāng)、用量不足，這些細(xì)長的納米管就很容易相互吸引、纏繞，形成肉眼難以察覺的聚集體，也就是我們所說的“團(tuán)聚”。

這種團(tuán)聚并非簡單的物理混合，而是形成了穩(wěn)定的“繩索”或“毛球”結(jié)構(gòu)。這些團(tuán)聚體不僅大大降低了碳納米管的實(shí)際有效比表面積，阻礙了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的均勻構(gòu)建，還可能堵塞涂布設(shè)備的篩網(wǎng)，影響后續(xù)加工。因此，準(zhǔn)確判斷碳納米管是否發(fā)生團(tuán)聚，以及團(tuán)聚的程度，對于優(yōu)化漿料配方、穩(wěn)定生產(chǎn)過程至關(guān)重要。

傳統(tǒng)檢測手段的“軟肋”

那么，我們通常如何來檢測碳納米管的團(tuán)聚情況呢？常見的手段包括：

激光粒度儀：這是一種常用的粒徑分析工具。但它有一個明顯的局限：測量結(jié)果容易受到樣品粘度狀態(tài)的影響。而且，它無法進(jìn)行“原位”分析，即不能在不改變樣品原始狀態(tài)（如漿料在容器中的實(shí)際狀態(tài)）的情況下進(jìn)行測量，往往需要將樣品稀釋或處理，這可能導(dǎo)致團(tuán)聚狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

粘度法：通過測量漿料的粘度來間接判斷分散性。團(tuán)聚會導(dǎo)致漿料粘度異常升高。但這種方法屬于間接測量，準(zhǔn)確度較差，容易受到漿料中其他成分（如溶劑、粘結(jié)劑）的影響，無法精確反映碳納米管本身的團(tuán)聚程度。

SEM/TEM（掃描/透射電子顯微鏡）：這兩種顯微鏡能夠提供碳納米管形貌的直觀圖像，是判斷團(tuán)聚的“金標(biāo)準(zhǔn)”之一。然而，它們的視野非常有限，觀察到的往往只是“管中窺豹”，難以代表整個樣品的普遍情況，代表性不足。而且，樣品制備過程（如干燥、鍍膜）本身也可能改變碳納米管的原始分散狀態(tài)。

這些傳統(tǒng)方法各有優(yōu)劣，但都存在一定的局限性，難以快速、準(zhǔn)確、全面地評估碳納米管導(dǎo)電漿料在制備和使用過程中的動態(tài)團(tuán)聚行為。

低場核磁：洞察團(tuán)聚的“新視野”

面對傳統(tǒng)方法的挑戰(zhàn)，低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)提供了一種全新的解決方案。其檢測原理巧妙地利用了氫原子核（質(zhì)子）在磁場中的行為：

當(dāng)樣品置于磁場中時，漿料中的氫原子核會被擾動。這些氫原子核主要來自兩個方面：一是束縛在碳納米管顆粒表面及孔隙中的溶劑分子（漿料中的“束縛水”），二是存在于顆粒外圍的自由溶劑（漿料中的“自由水”）。當(dāng)擾動停止后，這些氫原子核會逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)，這個過程稱為“弛豫”。關(guān)鍵在于，這兩類氫原子核的弛豫行為截然不同：

束縛在顆粒表面的氫原子核受到顆粒表面強(qiáng)相互作用的影響，其弛豫速度非常快。

而自由溶劑中的氫原子核則相對“自由”，弛豫速度較慢。

低場核磁設(shè)備能夠精確接收并分析這些氫原子核在弛豫過程中發(fā)出的信號。通過分析信號的衰減曲線，可以得到不同弛豫時間（T2）的分布信息。

T2 越長，說明顆粒比表面積小，漿料中更多的是未束縛的H，分散性差；

T2 越短，說明顆粒比表面積大，漿料中更多的是束縛的H，分散性好；

碳納米管的團(tuán)聚問題是制約其性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素之一。雖然傳統(tǒng)檢測手段為我們提供了初步的判斷，但低場核磁共振技術(shù)以其獨(dú)-特的原理，能夠從分子層面洞察漿料內(nèi)部的分散狀態(tài)，快速、準(zhǔn)確、無損地評估碳納米管的團(tuán)聚程度和漿料的穩(wěn)定性。

應(yīng)用案例：