在高分子材料的應(yīng)用中，為了解決納米導(dǎo)電炭黑材料分散性問題，已有大量研究嘗試采取一系列的氧化、偶聯(lián)劑、分散劑、表面枝接等顆粒表面改性手段以及攪拌、熱處理、干預(yù)混燒結(jié)等成型工藝改進(jìn)方法，以期獲得更好的分散效果（王勇和黃銳，2003）。在理想化的分散狀態(tài)下，納米導(dǎo)電炭黑材料的團(tuán)聚體被充分打開后，吸附在顆粒上的分散劑或枝接聚合物發(fā)揮著靜電排斥和空間位阻效應(yīng)，可以有效防止顆粒再次團(tuán)聚，使得顆粒以原生粒徑的形態(tài)存在。此時，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀測到的顆粒粒徑與激光粒度儀的測試結(jié)果會更一致。這些在絕緣基體中均勻分散的納米導(dǎo)電炭黑顆粒可以形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使相應(yīng)的高分子材料具有防靜電或電磁屏蔽作用。相比未被充分分散而以微米級顆粒形態(tài)存在的導(dǎo)電炭黑顆粒而言，納米級的導(dǎo)電炭黑顆粒可以提供更好的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、硬度、隔熱和阻燃性能（圖1；Sabr et al.，2021；趙雅婷等，2023），并增加產(chǎn)品的光潔度（顧金云等，2016）。與其他導(dǎo)電性能更差、抗氧化能力更弱、成本更高的金屬粉體相比，納米導(dǎo)電炭黑材料無疑是合適的共混導(dǎo)電填料。

圖1. 低密度聚乙烯分別與納米級和微米級炭黑顆粒共混后的機(jī)械性能和熱傳導(dǎo)性能比較（Sabr et al.，2021）

然而，已有的研究結(jié)果表明，受pH值、分散劑的種類、分散劑的比例、分散介質(zhì)的選擇、攪拌時間、超聲功率、超聲時間、分散溫度等不同工藝條件的影響，納米導(dǎo)電炭黑顆粒在分散體系中的分散效果會有所差異（凌玲等，2012；Farhadpour et al.，2022）。因此，開發(fā)適用于納米導(dǎo)電炭黑的粒度檢測分析方法尤為重要，不僅能幫助我們更好地理解其分散機(jī)理，獲得準(zhǔn)確且可靠的粒度分析結(jié)果，以便于真實(shí)反映其在下游應(yīng)用場景中的實(shí)際分散效果，還可以反向指導(dǎo)和優(yōu)化工藝條件，拓寬納米導(dǎo)電炭黑材料的應(yīng)用場景和領(lǐng)域。

為此，我們設(shè)置了一系列的梯度分散方案，以開發(fā)出更科學(xué)的納米導(dǎo)電炭黑分散方法。測試中使用的樣品為某生產(chǎn)工程塑料的新材料廠家提供的一份納米導(dǎo)電炭黑樣品，采用歐美克Topsizer激光粒度儀搭配兩款濕法循環(huán)進(jìn)樣器（圖1）進(jìn)行測試，并對三種不同分散方案下的測試結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ群驮u價，最終篩選出一個最佳的分散方案以供參考。

圖2. Topsizer干濕二合一激光粒度分析儀及SCF-105B全自動濕法循環(huán)進(jìn)樣器和SCF-126B微量耐腐蝕濕法循環(huán)進(jìn)樣器

三種分散方案中使用的分散劑、超聲條件和分散介質(zhì)如表1所示，其對應(yīng)的粒徑測試結(jié)果（表2）和粒度分布圖（圖3）結(jié)果顯示，在超聲條件不變的情況下，納米導(dǎo)電炭黑的分散效果主要受分散劑和分散介質(zhì)影響。

表1. 三種分散方案設(shè)計

*1注：常規(guī)分散劑由十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）溶液、六偏磷酸鈉（(NaPO3)6）溶液和無水乙醇配制而成；

*2注：某高分子聚合物為一種非離子型梳狀聚合物；

在三個分散方案中，方案A的納米導(dǎo)電炭黑顆粒大部分都處在微米段（圖3A）；而方案B的納米導(dǎo)電炭黑顆粒整體變小，相應(yīng)地D10、D50和D90都較方案A有大幅度減小，顆粒大部分處在納米段（圖3B），但依然存在少量500 nm以上的團(tuán)聚體未被充分分散。由于分散體系中同時存在納米級、亞微米級和微米級的顆粒，顆粒粒徑的一致性程度較低，因此方案B的分布寬度也最寬；方案C的4項(xiàng)粒徑特征值結(jié)果幾乎都最小，該導(dǎo)電炭黑顆粒分布呈典型納米材料粒度分布（圖3C）。相較方案B而言，方案C對500 nm以上的團(tuán)聚體的分散效果更好，且顆粒粒徑的一致性程度較高，分布寬度更窄。

表2. 三種分散方案下納米導(dǎo)電炭黑顆粒的粒徑特征值結(jié)果

三種分散方案比較的-粒徑特征值統(tǒng)計分析結(jié)果顯示（圖4）， D10、D50和D90在三種分散方案間都有較大差異，相對均方差均達(dá)到155%以上，說明分散方法的不同會顯著影響顆粒的粒徑測試結(jié)果。

圖4. 三種分散方案的粒徑特征值統(tǒng)計分析結(jié)果

注：ID458、460、506分別對應(yīng)分散方案A、B、C的測試結(jié)果平均值

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Topsizer激光粒度儀的測試結(jié)果，我們還使用了歐美克PIP8.1顆粒圖像處理儀（圖5）分別觀察經(jīng)過方案A和方案C分散處理后的納米導(dǎo)電炭黑顆粒圖像，以直觀地評估該樣品在不同分散體系中的分散效果。

圖5. 歐美克PIP8.1顆粒圖像處理儀

?從樣品制備情況來看，方案C中某高分子聚合物對納米導(dǎo)電炭黑樣品的浸潤效果（圖6C1），而采用方案A中的常規(guī)分散劑浸潤樣品時，盡管已使用200W探頭式超聲處理樣品15 mins，但仍然會有部分肉眼可見的顆粒物漂浮在液面上方（圖6A1），浸潤效果顯然更差。

顆粒顯微圖像結(jié)果顯示，方案A中有較多10 μm以上的大顆粒（圖6A2），而方案C中幾乎沒有1 μm以上的大顆粒（圖6C2），顆粒圖像處理儀的觀察結(jié)果與Topsizer激光粒度儀的粒徑測試結(jié)果基本一致。

圖6. 經(jīng)過不同分散劑和超聲條件處理后的納米導(dǎo)電炭黑懸浮液及其顆粒顯微圖像結(jié)果

注：A1和C1分別為經(jīng)過方案A和方案C的相應(yīng)分散劑和超聲條件處理后的納米導(dǎo)電炭黑懸浮液；A2和C2分別為上述兩個樣品在歐美克PIP8.1顆粒圖像處理儀中使用10倍物鏡和40倍物鏡觀察所得的顆粒顯微圖像結(jié)果。

從樣品制備情況、顆粒顯微圖像結(jié)果以及激光粒度儀的粒徑測試結(jié)果和粒度分布圖綜合來看，常規(guī)分散劑對納米導(dǎo)電炭黑樣品的分散效果最差；將分散劑和分散介質(zhì)更換為無水乙醇后，樣品的分散情況有所改善，但依然存在部分微米級團(tuán)聚顆粒未能被充分分散；使用某高分子聚合物作為分散劑時，即便依然使用純凈水作為分散介質(zhì)，其對樣品的分散效果還是顯著優(yōu)于前述兩種分散方案。經(jīng)過分散方案C處理后的納米導(dǎo)電炭黑樣品的粒徑測試結(jié)果數(shù)據(jù)重復(fù)性最佳（D10、D50和D90的相對均方差均為0.000%，表3），多次取樣重現(xiàn)性良好。因此，對該納米導(dǎo)電炭黑樣品而言，使用方案C作為分散方案時測試結(jié)果更可靠。

表3. 三種分散方案下連續(xù)測試中的粒徑特征值重復(fù)性比較

*注：表中數(shù)值為一次取樣連續(xù)測試5條粒徑結(jié)果的相對均方差

隨著科學(xué)的進(jìn)步，材料的研發(fā)和應(yīng)用總體呈現(xiàn)出日益精細(xì)化的趨勢，尤其是在各個新興領(lǐng)域，材料顆粒尺寸逐步從微米級向納米級轉(zhuǎn)化。然而，在實(shí)際的應(yīng)用場景中，粒徑更小的材料并非總是第一選擇。譬如，在電阻式柔性應(yīng)變傳感器的聚合物復(fù)合材料中，粒徑過小的納米導(dǎo)電炭黑顆粒反而容易造成導(dǎo)電填料團(tuán)聚，影響聚合物基體的耐疲勞性。

在納米導(dǎo)電炭黑材料的粒徑測試中，盲目的追求粒徑結(jié)果更小、更貼近原生粒徑結(jié)果的測試方法同樣值得商榷。穩(wěn)健的方法學(xué)開發(fā)應(yīng)該建立在綜合考慮樣品的分散特性、樣品的實(shí)際應(yīng)用場景以及良好的測試結(jié)果重復(fù)性和重現(xiàn)性的基礎(chǔ)上。尤其是當(dāng)材料中顆粒存在硬團(tuán)聚的情況時，在實(shí)際應(yīng)用中，這樣的材料極大可能難以被分散?？茖W(xué)合理的測試方法應(yīng)該更加著重于對實(shí)際應(yīng)用場景中顆粒分散效果的還原和響應(yīng)，以便有效的保證測試結(jié)果的真實(shí)性，準(zhǔn)確反映配方研發(fā)階段和工藝情況，從而指導(dǎo)配方和工藝條件的優(yōu)化與調(diào)整。而另一方面，以粒度儀的表征結(jié)果為媒介，探索新的分散方法也同樣有助于進(jìn)一步深入理解材料的分散機(jī)理，進(jìn)而為研發(fā)提供新思路和技術(shù)前瞻。

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