碳納米管導電劑怎么團聚了？— 揭秘團聚現象與新型檢測手段

在新能源、復合材料等領域，碳納米管（CNTs）因其優異的導電性、力學性能和輕質特點，作為導電劑被廣泛應用。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電漿料，有時會莫名其妙地出現性能下降，比如導電網絡不連續、涂布不均勻等。究其原因，往往指向一個“隱形殺手”——碳納米管的團聚。

碳納米管為何易“抱團”？

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烈的范德華力。一旦分散體系受到擾動（如溶劑揮發、pH值變化、剪切力減弱等），或者分散劑選擇不當、用量不足，這些細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“團聚”。

這種團聚并非簡單的物理混合，而是形成了穩定的“繩索”或“毛球”結構。這些團聚體不僅大大降低了碳納米管的實際有效比表面積，阻礙了導電網絡的均勻構建，還可能堵塞涂布設備的篩網，影響后續加工。因此，準確判斷碳納米管是否發生團聚，以及團聚的程度，對于優化漿料配方、穩定生產過程至關重要。

傳統檢測手段的“軟肋”

那么，我們通常如何來檢測碳納米管的團聚情況呢？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：測量結果容易受到樣品粘度狀態的影響。而且，它無法進行“原位”分析，即不能在不改變樣品原始狀態（如漿料在容器中的實際狀態）的情況下進行測量，往往需要將樣品稀釋或處理，這可能導致團聚狀態發生變化，從而影響結果的準確性。

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

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，是判斷團聚的“金標準”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。

這些傳統方法各有優劣，但都存在一定的局限性，難以快速、準確、全面地評估碳納米管導電漿料在制備和使用過程中的動態團聚行為。

低場核磁：洞察團聚的“新視野”

面對傳統方法的挑戰，低場核磁共振（LF-NMR）技術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（質子）在磁場中的行為：

當樣品置于磁場中時，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”）。當擾動停止后，這些氫原子核會逐漸恢復到原來的狀態，這個過程稱為“弛豫”。關鍵在于，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。

低場核磁設備能夠精確接收并分析這些氫原子核在弛豫過程中發出的信號。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；

碳納米管的團聚問題是制約其性能發揮的關鍵因素之一。雖然傳統檢測手段為我們提供了初步的判斷，但低場核磁共振技術以其獨-特的原理，能夠從分子層面洞察漿料內部的分散狀態，快速、準確、無損地評估碳納米管的團聚程度和漿料的穩定性。

應用案例：